Brevet FR2331895A1 — publié le 19770610

La présente invention concerne les contacts électriques glissants à métaux liquides. De tels contacts sont utilisés depuis longtemps pour établir une liaison électrique entre deux pièces conductrices en mouvements relatifs. Ils sont en général constitues par une masse du métal liquide occupant en totalité une chambre ménagée entre les deux pie ces. Cette méthode est dite "du remplissage total. Parmi les métaux couramment utilisés on peut notamment citer le mercure, le sodium (qui a toutefois l'inconvénient d'être solide à la température ambiante) et l'eutectique sodium-potassium Des contacts électriques de ce type ont notamment été utilisés dans des machines tournantes pendant des durées impor- tantes sans dégradation du métal liquide.Mais, si on tente d'appliquer de tels contacts électriques à-des machines tournan- tes homopolaires à courant continu, on est conduit à constituer le contact par une veine de métal liquide placée entre le rotor et le stator, maintenue-en circulation par le rotor dans une rigole- ménagée dans le stator. Dans ce cas, le métal liquide n'occupe qutune fraction de la chambre ménagée par le stator et on a constaté une dégradation extrêmement rapide du métal liquide, notamment par oxydation. La solution qui vivent immédiatement a l'esprit consiste à maintenir une atmosphère de gaz inerte dans la chambre munie de la rigole, pour éviter le contact du métal liquide avec ltoxygène. En fait, la dégradation rapide du métal liquide subsiste.A titre d'exemple, on a constaté que dans des conditions représentatives du fonctionnement d'un moteur homopolaize à courant continu de quelques dizaines de kW sous faible tension, la dégradation du mercure au bout de quelques heure-s de fonctionnement est telle qucil est nécessaire de le remplacer ou de le purifier. L'invention vise à fournir un contact électrique glissant, du type comprenant une masse de métal liquide-reliant électriquement deux pièces en mouvement relatif et occupant partiellement une enceinte ménagée entre les deux pie ces, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la-pratlquey notamment en ce que la dégradation du métal liquide est du meme ordre que dans le cas des contacts antérieurs dans lesquels le métal liquide occupe entièrement l'enceinte. Dans ce but, l'invention propose un contact muni de moyens pour maintenir ladite enceinte sousvideprimaireen fonctioxwnent. On peut penser, sans que l'exactitude de cette hypothèse douve etre considérée comme conditionnant la validité du brevet, que la dégradation du métal liquide est due à des micro-arcs qui se produisent au sein de ll acoulement turbulent (et dans une certaine mesure fractionné) lorsque la machine munie du contact est en fonctionnement. L'invention trouve une application importante, bien que non exclusive, dans les machines tournantes électriques homopolaires à courant continu, ou des contacts électriques glissants doivent être prévus entre ie rotor et le stator, à la périphérie du rotor dans le cas des machines dites "à tambour". On peut en particulier constituer des variateurs électromagnétiques par accouplement électrique de telles machines, de tels variateurs pouvant notamment être prévus dans les installations, de propulsion. Comme il a été indiqué plus haut, il suffit de maintenir un vide primaire pour obtenir un résultat satisfaisant. Il faut noter à ce suiet que le degré de vide sera limité par la tension de vapeur du métal liquide à la température de fonctionnement de la machine. Si par exemple on peut prévoir un vide compris entre 1 mm de mercure et 10-2 mm de mercure lorsque la machine est à la température ambiante, une-température de fonctionnement de 80"C conduira pratiquement à ne pas descendre au-dessous d'un vide de 10 t mm de mercure dans le cas où le métal liquide est du mercure. L' invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif qui en constitue un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère à la figure unique qui l'accompagne et qui montre, de façon schématique, une fraction d'un moteur homopolaire à courant continu du type "à tambour", en coupe suivant un plan passant par l'axe. Le moteur représenté peut être regardé comme comprenant un équipage rotorique R et un ensemble statorique S. L'équipage rôtorique comprend un arbre 10 qui porte un rotor proprement dit Il en matériau ferromagnétique. Ce rotor, en forme de tambours porte sur sa paroi latérale, à proximité des faces terminales, deux couronnes 12 et 13 faisant partie des contacts à métal liquide. Ces couronnes, en matériau bon conducteur de l'électricité, en cuivre par exemple, ont un profil allant en se rétrecissant vers l'extérieur-dans le sens radial. Le cuivre devra en général être traité pour éviter qu'il ne soit corrodé par le métal liquide. Dans ce qui suit, on supposera que ce métal est du mercure. Le cuivre sera alors en général protégé par un revêtement particulier de nickel. Le rotor 11 a avantageusement une forme légèrement en diabolo, de façon que la rotation de l'équipage R rejette le mercure vers les contacts liquides. L'ensemble statorique S comprend une carcasse 14 en matériau ferromagnétique, interrompue suivant des plans radiaux Har des lames en matériau conducteur non ferromagnétique pour atténuer l'effet de la réaction d'induit. Cette carcasse est en quatre parties, symétriques deux à deux par rapport au plan médian de la machine. Une lame 15 en matériau isolant électrique est interposée entre les deux parties situées de part et d'autre du plan médian. Chaque demi stator porte un bobinage 16, constituant l'inducteur de la machine, destiné à créer un flux magnétique dont les lignes de force présentent l'allure générale indiquée par les flèches en tirets. Chacun des contacts à métal liquide comprend, dans l'ensemble statorique, une bague 17 dans laquelle est ménagée une rigole 18 dont la forme correspond à celle de la couronne 12 qui s'y engage En fonctionnement, le fond de la rigole est occupé par une veine de mercure qui établit la liaison électri que entre la couronne 12 et la bague 17. Des moyens sont prévus pour maintenir un vide pri maire dans le compartiment de l'ensemble statorique S qui est occupé par le rotor 11 (espace libre ou entrefer situé entre rotor et stator). Les moyens illustrés comportent une pompe à vide primaire 19 (pompe à- palettes par exemple) munie d'un piège à mercure 20 et reliée à un embout 21 porté par la carcasse 14. Un canal 22 ménagé dans la carcasse relie l'embout au jeu qui subsiste entre le rotor Il et la carcasse. Un conduit d'équili brage 23 traversant de part en part le rotor Il permet au vide qui règne d'un côté du rotor de- se communiquer à l'autre côté, même lorsque ltespace annulaire compris entre chaque couronne 12 et la rigole 18 correspondante est occupé par une veine continue de mercure. Il est évidemment nécessaire de prévoir des joints d'étanchéité entre la zone sous vide et l'atmosphère. Dans le mode de réalisation illustré, l'arbre 10 est muni d'un joint à grains de chaaue côté du rotor 11. Un seul de ces joints est visible sur la figure. Il comprend un anneau 24 solidaire de l'arbre 10 et dont les faces planes constituent des glaces d'appui des grains annulaires 25 et 26. Le grain 25 est solidaire d'une douille de guidage susceptible de coulisser légèrement dans une cuvette 27 fixée à la carcasse 14. Une rondelle élastique 28 plaque le grain 25 contre l'anneau 24. Le grain 26, placé entre l'anneau 24 et le roulement 34 de centrage de l'arbre 10, est associé à un dispositif similaire. Les grains 25 et 26 peuvent être auto-lubrifiés. Dans le mode de réalisation illustré, ils sont lubrifiés par apport d'huile dans une chambre 31, ménagée dans l'ensemble S autour de l'anneau 24. Cette huile est amenée par un conduit 29 relié à un emboJt 30. Il suffit en général d'une alimentation par gravité. Si l'on craint des suintements d'huile entre l'anneau 24 et les graines 25, ces-suintements peuvent être collectés à la partie basse de chambrages 32 et 33, séparés, l'un de la zone sous vide, l'autre de l'atmosphère, par un joint à labyrinthe. Les constituants qui atennent d'être décrits sont évidem- ment constitués en plusieurs pièces lorsque cela est nécessaire pour autortser le montage. De plus, des joints- toriques d'étanchéité sont interposés entre les pièces en contact : il faut noter que tous ces joints toriques sont statiques, c'est-à-dire ne sont pas soumis à des déplacements relatifs à vitesse élevée. Le fonctionnement du dispositif ressortant de la description qui précède, il suffit de le décrire brièvement. Le moteur étant à l'arrêt, on fait un vide au moins partiel dans le jeu entre rotor et ensemble statorique à l'aide de la pompe 19. On alimente ensuite le moteur par des contacts non représentés, situés à la périphérie des deux~demistator. Le circuit se ferme par le mercure situé à la partie basse du moteur. Dès que le rotor tourne, il projette le mercure dans les rigoles 18, permettant au courant de circuler suivant le tracé général indiqué par les flèches f sur la figure.La pompe 19 peut être maintenue en service pendant le temps nécessaire pour compenser les ACgazge5, puis arrête. Elle peut entre remise en route de façon automatique lorsque la pression remonte au-dela d'une valeur déterminée, en prévoyant un circuit muni d'un captetir de pression (non représente). L'invention est évidemment susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Elle s'applique aux machines génératrices aussi bien qu'aulx moteurs. Il n'est pas nécessaire que la machine soit du type à tambour, dans lequel les deux contacts à métal liquide sont de même diamètre. Elle est également utilisable dans une machine du type dit "à disque" où les deux contacts sont placés concentriquement l'un à ltautre En outre, l'invention est utilisable dans un ensemble variateur électromagnétique, comportant une qeneratrice a excitation variable associée à des moteurs entrainant des roues ou des hélices. De même, le métal liquide utilisé pourrait être différent du mercure : c'est ainsi que l'invention s'adapte d'une manière particulièrement avantageuse à l-'utilisation de lteutec- tique sodium-potassium. Il va sans dire que la portée du présent brevet stétend à de telles variantes ou applications, ainsi plus généralement qu'à toutes celles restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Contact électrique glissant, comprenant une veine de métal liquide reliant électriquement deux pièces en mouvement relatif et occupant partiellement une enceinte ménagée entre les deux pièces, caractérisé en ce qu'il est muni de moyens pour maintenir ladite. enceinte sous vide primaire, au moins lorsque ledit contact est traversé par un courant électrique-. 2. Contact électrique entre deux pièces animées d1un mouvement relatif de rotation, suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une rigole circulaire ménagée dans lune des pièces, délimitant ladite enceinte, et une couronne en matériau conducteur portée~par l'autre pièce, faisant saillie dans ladite rigole et laissant subsister avec le fond de ladite rigole un jeu destiné à être occupé par le métal liquide. 3. Contact suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couronne a un profil se rétrécissant vers l'extérieur dans le sens radial. 4. Contact suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent une pompe, par exemple une pompe à palettes, et un piège de retenue du métal liquide. 5. Contact suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le métal liquide est du mercure. 6. Contact suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le métal liquide est.l'eutectique sodium-potassium. 7. Application du contact électrique suivant l'une quelconque des revendications précédentes à une machine électrique tournante à courant continu homopolaire. 8. Application suivant la revendication 7, caractérisée en ce que la machine comporte un rotor en forme de tambour contenu dans une enceinte ménagée dans le stator, un contact électrique étant placé à chaque extrémité du tambour et celui-ci présentant une forme extérieure en diabolo pour rejeter le métal liquide vers les contacts. 9. Application suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le rotor est percé d'au moins un canal d'équilibrage des pressions de part et dtautre de ses faces externes. 10. Application uivant la revendication 8 ou q, carac tériséepar des moyens. d'étanchéité à grains interposés entre ladite enceinte et l'atmosphère.