Brevet FR2321212A1 — publié le 19770311

La présente invention concerne une machine unipolaire comportant plusieurs parties conductrices électriques en forme de disques ou de tambours montées tournantes autour d'un axe qui coopèrent avec des parties fixes correspondantes et sont branchées en série au moyen d'un liquide de contact placé dans des zones annulaires de contact entre les parties de machine en déplacement relatif les unes par rapport aux autres. Les machines unipolaires, dites également homopolaires ou acycliques, possèdent des parties tournantes qui sont disposées dans un champ magnétique de révolution à direction polaire constante. La tension induite dans ces parties de machine est constamment redressée. Les machines de ce genre fonctionnent avec des rotors en forme de disques ou de tambours, ne nécessitent pas de collecteur et ont une structure relativement simple. Les enroulements d'excitation engendrant le champ magnétique sont alimentés en courant con tinu. Aussi peut-on les constituer par des supta champ élevé.On peut atteindre avec de tels conducteurs de fortes densités de courant, et les fortes densités de flux qui en découlent permettent d'améliorer notablement la puissance limite, la puissance massique et le rendement de ces machines électriques. Te fonctionnement d'une machine unipolaire procède d'un dispositif connu sous le nom de disque de Faraday et créé par ce dernier dès l'année 1831 . Si lton fait tourner un tel disque, un segment de disque ou un tambour dans un champ continu de révolution, il se forme une tension continue pure et exempte d'harmoniques, laquelle est proportionnelle à la vitesse de rotation de la partie tournante et au flux magnétique qui traverse cette dernière. Un disque, ou aussi bien un tambour, n'agissant que comme un conducteur unique, les tensions que l'on peut obtenir sont relativement faibles.Les machines unipolaires posent par conséquent le difficile problème de transmettre par des contacts rotatifs des puissances élevées avec de grands courants autant que possible sans pertes, cest-à-dire avec les plus faibles chutes de tension possibles. Sans doute est-il loisible et opportun d'élever la tension totale par un branchement en série de plusieurs parties de rotor mutuellement isolées, mais cette mesure ne suffit encore pas à diminuer les pertes, car le nombre des contacts nécessaires augmente dans la même proportion. Pour transmettre de forts courants à des parties de machine tournant a' grande vitesse ou pour les extraire de celles-ci, il faut disposer de bons contacts à courant élevé pour de grandes vitesses de contact. L'utilisation pour les machines unipolaires de contacts de frottement classiques à balais de charbon comporte de grandes difficultés, car ils ne sont exploitables que jusqu'à des vitesses périphériques de l'ordre de 50 m/s et leur capacité de charge de courant est relativement faible. Les contacts de glissement à liquide c' est-à-dire des contacts électriques constitués par des organes de contact métalliques entre lesquels est intercalé un liquide de contact bon conducteur électrique, offrent de meil leures conditions.De par la surface de contact effective relativement grande de leurs organes de contact , généralement cylindriques, avec le liquide de contact, de par les densités de courant élevées qu'ils peuvent atteindre et leurs relativement faibles pertes de frottement, ils peuvent transmettre même à des vitesses de contact élevées, de plus grandes intensités de courant que les contacts de frottement connus. De telles machines unipolaires avec contacts annulaires à métal liquide comportent pour chaque partie tournante deux contacts annulaires qui sont à des potentiels électriques différents. Si la machine présente, les unes derrière les autres, plusieurs parties tournantes, il se trouve chaque fois deux contacts annulaires au même potentiel électrique, abstraction faite du premier et du dernier. Un échange, aux fins de régénération et d'épuration , du métal liquide des contacts annulaires doit cependant avoir lieu chaque fois au mdme potentiel électrique, faute de quoi des courants de compensation indésirables circuleraient à travers les conduites d'amenée et d'évacuation de métal liquide nécessaires et court-circuiteraient au moins partiellement la machine.Aussi procède-t-on généralement à un échange continu du métal liquide dans les divers contacts annulaires par l'intermédiaire de circuits séparés qui sont à des potentiels électriques différents. On connaît de plus, par la demande de brevet allemaaa publiée sous le nO 2 156 895, une machine unipolaire dont l'arbre de rotor est muni de disques annulaires disposés les uns à côté des autres en direction axiale. Ces disques annulaires tournant avec le rotor sont intercalés à la manière d'un peigne entre des disques annulaires, de meame forme, fixés au stator de la machine. Un métal liquide, par exemple du mercure, emplit complètement les fentes formées entre les parties de machine fixes et tournantes. Les tensions engendrées dans les disques tournants sont branchées en série à l'aide du liquide de contact et des disques fixes. Les surfaces latérales de toutes les pièces de machine en forme de disques sont isolées électriquement.Seules les surfaces cylindriques inté rieurés, proches de l'axe, et extérieures, éloignées de l'axe, des parties de machine fixes et tournantes sont métalliquement à nu et forment les zones de contact conductrices pour la transmission du courant. Pour compenser par le métal liquide la différence de tension entre deux zones de contact à des potentiels différents, on entratne à la vitesse du disque tournant le métal liquide se trouvant dans un plan radial entre un disque tournant et un disque fixe, tandis que le métal liquide devrait rester immobile dans les autres plans radiaux.Pour équilibrer cependant dans cette machine connue les augmentations de pression survenant par suite de forces centrifuges dans le métal liquide entrarné en rotation, le métal liquide circulant dans des plans radiaux entre des zones de contact de même potentiel est divisé en deux zones concentriques et on le fait tourner dans des sens opposés l'un à l'autre en ces deux zones concentriques. Mais on ne peut recourir à une telle compensation de pression que pour une vitesse de rotation relativement faible des parties de machine tournantes et les dispositions constructives nécessaires à cet effet sur les parties de machine en forme de disques, par exemple l'addition de palettes en disposition radiale, sont très compliquées. En outre, aux vitesses de rotation élevées les pertes hydromécaniques entre les parties de machine tournantes et fixes sont relativement élevées et le métal liquide est fortement échauffé. Enfin la compensation de pression rend impossible une régénération du métal liquide pendant le fonctionnement de la machine. L'invention a pour objet une machine unipolaire dans laquelle les problèmes concernant la machine connue ne se posent aucunement ou que dans une faible mesure et oli, en particulier, soit établie aussi pour de fortes vitesses de rotation et permette de façon simple un échange continu du liquide de contact pendant le fonctionnement. Cette machine unipolaire, du genre annoncé, est caractérisée par le fait que, pour acheminer à travers elle-même le liquide de contact, elle comporte un seul parcours en direction d'augmentation ou de diminution du potentiel électrique, et, abstraction faite des zones de contact, cet acheminement du liquide de contact a lieu à travers des canaux ménagés dans ou sur les parties de machine tournantes et fixes. La machine unipolaire selon l'invention offre l'avantage particulier de rendre possible avec un seul circuit un échange continu du liquide de contact dans les contacts annulaires. Ce résultat est dû au fait que le liquide de contact peut être amené aux zones de contact annulaires, prises les unes après les autres, à travers les diverses parties de machine fixes et tournantes.Aucune isolation des canaux n'étant nécessaire, il est induit chaque fois dans les colonnes de métal liquide acheminées à travers les parties de machine tournantes une tension qui est égale à celle de la partie de machine tournante et correspond justement à la différence de potentiel entre les contacts annulaires de chaque partie tournante. I1 ne peut donc pas circuler de courants de compensation entre les contacts annulaires et, au total, on obtient entre l'adais- sion et l'évacuation du métal liquide une différence de potentiel qui correspond exactement à la tension de la machine. Le liquide de contact ne se trouvant entre les parties tournantes et les parties fixes de la machine que dans des zones de contact, les pertes de frottement correspondantes sont -relativement faiblés et la machine peut ainsi être établie pour de grandes vitesses de rotation, par exemple de plus de 3000 tours par minute. I1 convient de citer encore diverses autres particularités possibles de l'invention. Dans une machine unipolaire à parties en forme de disques ; le liquide de contact peut s'écouler en direction essentiellement radiale vers l'extérieur dans les canaux des parties de machine tournantes et en sens opposé dans les parties fixes ; à leur extrémité intérieure, voisine de l'axe, et à leur extrémité extérieure, éloignée de l'axe , les parties de machine tournantes peuvent former chaque fois une rigole ouverte vers l'intérieur, les extrémités correspondantes des parties de machine fixes pénétrant alors dans des bains de liquide de contact maintenus dans ces rigoles, notamment en sorte que l'extrémité extérieure de chaque partie de machine fixe pénètre plus profondément dans le bain de contact liquide que l'ouverture du canal ménagé dans cette meme partie ; les parties de machine fixes et les parties de machine tournantes peuvent former chaque fois une rigole ouverte vers l'intérieur, les premières à leur extrémité extérieure, éloignée de l'axe, les secondes à leur extrémité intérieure, voisine de l'axe les extrémités correspondantes des parties respectivement tournantes et fixes pénétrant alors dans les bains de liquide de contact maintenus dans ces rigoles. Dans une machine unipolaire à parties en forme de tambours, les canaux entre les zones de contact suivit de préférence un cours essentiellement parallèle à l'axe. Dans les divers cas envisagés jusqu'ici , le parcours du liquide de contact à travers la machine et un autre parcours situé â extérieur de la machine peuvent former un circuit unique renfermant, à l'extérieur de la machine, des moyens de suppression de la différence de potentiel engendrée à l'intérieur de celle-ci dans le liquide de contact, un tel moyen consistant notamment en une génératrice. De telles machines unipolaires branchées en moteurs peuvent être utilisées par exemple à la propulsion de navires. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de deux modes de réalisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés schématiquement par le dessin annexé, sur lequel la figure I est une coupe longitudinale axiale partielle d'une machine selon ladite invention la figure 2 est le détail agrandi d'un contact extérieur de cette machine la figure 3 représente de la mtme façon que la figure 2 une variante de contact extérieur la figure 4 est un schéma de réalisation d'un circuit de liquide de contact pour de telles machines La machine unipolaire selon l'invention représentée en partie seulement sur la figure 1 constitue une machine dite multidisque.On voit sur cette figure deux parties de machine 3 et 4 en forme de disques fiês sur un arbre 2, lesquelles tont partie de l'induit de la machine et tournant autour d'un axe 5. Ces parties d'induit tournantes 3 et 4 en forme de disques sont disposées essentiellement dans des plans radiaux par rap port à l'arbre 2. Les parties de machine fixes 8 et 9 également en forme de disques, dénommées aussi parties fixes induit sont fixées parallèlement à ces parties d'induit 3 et 4 sur une carcasse de machine 7 sommairement représentée.Les parties dxn- duit tournantes et fixes se suivent~ainsi alternativement en direction axiale de la machine. les disques 3 et 4 tournant au tour de l'axe 5 sont traversés perpendiculairement par un champ magnétique parallèle à l'axe et engendré par un enroulement d'ex- citation non représenté. Ce dernier- est posé dans la carcasse 17- de la machine et peut avantageusement renfermer des conducteurs refroidis à basse température, notamment des supraconducteurs. Ces conducteurs sont maintenus à une température aussi basse qos possible près du zéro absolu au moyen d'un guide cryogénique consistant par exemple en de l'hélium liquide. Des zones de contact 11 et 12 dans lesquelles s;t disposé pour la transmission du courant un métal liquide comme du mercure un mélange de sodium et de potassium, du gallium ou un melange de gallium et-d'indium sont établies aux extr6- mités intérieures, voisines de l'axe, et extérieures, éloignées de l'axe, des parties d'induit tournantes et fixes, entre ces parties de machine an déplacement relatif les unes par rapport aux autres. A cet effet, les extrémités intérieure et extérieure re de chaque partie d'induit tournante sont agencées en rigo les 14 et 15 . Ces rigoles sont ouvertes en direction de l'axe 5 et concentriques par rapport à ce dernier . lie liquide de contact F peut être amené à une première zone de contact li par une adduction 17 en étant par exemple injecté dans la ri gole 14 de la première partie d'induit 3 . Le métal liquide stas- semble alors dans cette rigole et y est maintenu par les forces centrifuGes en cas de rotation . Le métal liquide, continuant à arriver par l'adduction 17, monte dans la rigole Jusqu'à un niveau prédéterminé par la position d'un trop-plein 18 .Ce niveau est suffisamment bas, en direction de l'axe 5, pour que l'extrémité de la conduite d' adduction 17 soit constamment et suffisamment immergée dans le bain de métal liquide, à l'in- térieur de la rigole 14. On est ainsi assuré d'une parfaite transmission de courant entre le métal liquide et la conduite d'adduction 17 conductrice électrique. La rigole intérieure 14 et la rigole extérieure 15 de la partie d'induit tournante 3 sont reliées par des canaux 20. Ces canauxtindiqués en trait discontinu sur la figure peuvent par exemple consister en des alésages radiaux ménagés dans les parties d'induit en forme de disques ou en des tubes fixés en direction radiale sur les faces latérales des parties d'induit.Le liquide de contact F, accéléré par des forces centrifuges, parvient ainsi, par les canaux 20 , du trop-plein 18 de la rigole intérieure 14 de la partie d'induit 3 à la rigole extérieure 15. Dans la traversée des canaux 20 , la tension d'induit est établie ou supprimée dans le liquide de con tact **tg a J*itcar ce liquide présent dans les canaux 20 se déplacesdans le champ magnétique à la même vitesse périphérique que les disques d'induit tournants. I1 ne peut ainsi se former dans les canaux 20 aucun courant de compensation entre les zones de contact intérieure et extérieure Il et 12 à travers ce liquide de contact. En son extrémité éloignée de l'axe, la partie d'induit ou de machine fixe 8 en forme de disque est établie de fa çon à pénétrer à une profondeur suffisante pour la transmission du courant dans la rigole extérieure 15 du disque tournant 3 qui lui est associé. En cette même extrémité, le liquide de contact peut entrer dans des canaux 21 qui circulent dans la partie d'induit fixe 8. Ces canaux correspondent aux canaux 20 des parties d'induit tournantes 3 et 4 et servent à amener le liquide de contact F de la zone de contact extérieure 12 avec le premier disque d'induit 3 à la zone de contact intérieure 11 avec le disque d'induit 4 suivant.La partie d'induit en forme de disque 8 peut par conséquent titre agencée comme l'adduction 17 dans sa partie inférieure, voisine de 1' axe.- On n'a fait apparattre sur la figure que deux parties d'induit tournantes 3 et 4 et les parties d'induit fixes 8 et 9 correspondantes, mais une machine unipolaire selon l'invention peut comporter un nombre bien plus élevé de parties d'induit en forme de disques. Les particularités de l'acheminement du métal liquide se répètent en même tsnrpa d'une unité de construction formée d'un disque tournant et d'un disque fixe à l'unité correspondante voisine. On a représenté en outre par des flèches sur la ligne en trait discontinu qui targue les canaux 20, 21 la direction d'écoulement du liquide de contact P, laquelle correspond par exemple à la direction du courant. Afin d'empêcher une mise en court-circuit des divers disques d'induit placés à des potentiels différents, les disques 3 et 4 , par exemple, sont fi xés & à l'arbre 2 par l'intermédiaire d'éléments isolants 23 . De même, les parties d'induit fixes 8 et 9 sont reliées rigidement à la carcasse 7 de la machine par des éléments isolants 24. Le niveau du métal liquide dans la rigole extérieure 15 du disque d'induit 3 ou 4 est réglé en sorte que l'extrémité correspondante de la partie d'induit fixe 8 ou 9 soit constamment immergée dans le bain de métal liquide. La figure 2 illustre particuliérement un mode de régulation possible de ce niveau dans ladite rigole 15 : elle représente à une échelle agrandie une rigole extérieure 15 d'une partie d'induit en forme de disque, par exemple du disque d'induit 3 selon la figure 1. Un bain 26 d'un liquide de contact w est maintenu dans cette rigole extérieure annulaire par suite de forces centri fuges en cas de rotation du disque d'induit. De liquide de contact emplit ladite rigole 15 en y affluant par les canaux radiaux 20 du disque d'induit.Une pièce d'extrémité pointue 28 de la partie d'induit fixe 8 pénètre dans le bain 26 et il se trouve au-dessous de la pointe de cette extrémité 28 une ouverture d'admission 29 & partir de laquelle le liquide de contact peut être évacué en direction radiale vere l'intérieur par un canal 21 de la partie d'induit fixe 8 . Ladite ouverture d'admission 29 est placée suffisamment loin au-dessous de la pointe de l'extrémité 28 pour garantir une immersion de cette dernière dans le bain 26 telle que l'on soit assuré d'une bonne transmission de courant entre les parties d'induit. La rotation du disque d'induit 3 établit dans le bain 26 de la rigole 15 une distribution statique de surpression qui fait augmenter cette dernière comme le carré de la distance à l'axe de rotation . Le liquide de contact F est ainsi refoulé dans le canal 21 sous la surpression statique qui correspond å la profondeur d'immersion 30 de l'ouverture d'admission 29 du canal d'évacuation 21 dans le bain 26. Si le niveau du métal liquide dans le bain 26 monte , la profondeur d'immersion de la partie d'induit fixe 8 et par conséquent celle aussi de l'ouverture d'admission 29 augmentent également et la pression de pompage staccroft de façon correspondante suivant une loi du deuxième degré.Cet effet de pompage refoule le métal liquide dans les canaux 21 et, par ceux-ci, vers la zone inférieure de contact 11 avec la partie d'induit suivante 4 . Ledit effet de pompage dans les rigoles extérieures 15 peut avantageusement entre utilisé pour la circulation de tout le liquide de contact dans un circuit de liquide. Au lieu de poser en principe, comme dans l'exemple de réalisation selon les figures 1 et 2, que le disque d'induit tournant 3 ou 4 forme en son extrémité éloignée de l'axe une rigole 15 ouverte vers l'antérieur, on peut concevoir aussi une forme de réalisation d'une zone de contact extérieure éloignée de l'axe dans laquelle, selon la figure 3, ce soit une partie de machine fixe 31 gui soit munie d'une rigole correspondante 32 Des forces centrifuges maintiennent alors dans cette rigole un bain 33 du liquide de contact F, du fait qu'une pièce d'extre- mité 35 d'un disque d'induit tournant 36 pénètre dans le bain et entratne le liquide de contact P en direction périphérique. Ce liquide de contact P, qui afflue dans la rigole par un canal 38 parcourant radialement le disque d'induit tournant 36, est alors refoulé, par suite d'un processus de pompage correspond dant å celui quinavait lieu dans la zone de contact selon la fi- gure 2, dans un canal 39 qui parcourt radialement la partie de machine fixe 31 et dans lequel le liquide de contact F est amené å la prochaine zone de contact inférieure 11 ou 12 selon la figure 1. Le liquide de contact arrivé à la fin de son circuit se trouve à un potentiel électrique plus élevé qu'à son entrée dans la machine. I1 faut donc court-circuiter la tension de la machine pour fermer le circuit dudit liquide. Il existe å cet effet plusieurs moyens en fonction de l'utilisation de la machine. Dans l'exemple de réalisation selon la figure 4, on alimente --une machine unipolaire 42 selon l'invention fonctionnant en moteur à partir d'une génératrice 43 par des lignes électriques 44, 45. Le métal liquide est avantageusement acheminé à travers la génératrice de la même façon que dans le moteur unipolaire 42. On a ainsi la possibilité de supprimer à nouveau par la génératrice 43 la différence de potentiel aux bornes du moteur 42.Le métal liquide circule aussi par le même trajet 46 , 47, en trait discontinu sur la figure, que le courant électrique. En un emplacement quelconque, par exemple sur la branche 47 entre le moteur 42 et la génératrice 43, on peut avantageusement intercaler un dispositif 49 de régénération et épuration du liquide de contact. Ce dispositif est alors au potentiel électrique régnant là dans le liquide de contact. On a représenté particulièrement, dans l'exemple de réalisation selon les figures, une machine unipolaire à plusieurs éléments d'induit en forme de disques dans laquelle a- cheminement du liquide de contact å travers la machine est assuré par un trajet unique en direction du potentiel croissant ou décroissant. Un tel trajet d'acheminement du métal liquide peut également être réalisé dans une machine à induit en tam bouxgaménageren conséquence. Dans une machine de oe type, les canaux nécessaires à l'acheminement du liquide de contact entre les zones de contact suivent un Cours essentiellement parallèle à l'axe. On a en outre admis que l'on utilisait, comme conducteurs de l'enroulement d'excitation, des supraconducteurs refroidis à l'hélium. On peut cependant aussi utiliser d'autres conducteurs appropriés refroidis à basse température, par exemple des conducteurs en aluminium ou béryllium refroidis par d'autres réfrigérants, par exemple par de l'hydrogène. REVENI CÂT IONS .1. Machine unipolaire comportant plusieurs parties conductrices électriques en forme de disques ou de tambours montées tournantes autour d'un axe qui coopèrent avec des parties fixes correspondantes et sont branchées en série au moyen d'un liquide de contact placé dans des zones annulaires de contact entre les parties de machine en mouvement relatif les unes par rapport aux autres, machine caractérisée par le fait que, pour acheminer A travers elle-mtme le liquide de contact (P), elle comporte un seul parcours en direction d'augmentation ou de diminution du potentiel électrique et, abstraction faite des zones de contact (11, 12)cet acheminement du liquide de contact (y) a lieu à travers des canaux (2D, 38 et 21, 39) ménagés dans ou sur les parties de machine tournantes et fixes (3, 4, 36 et 8, 9 , 31) 2. Machine unipolaire à parties en forme de disques selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le liquide de contact (F) s'écoule en direction essentiellement radiale vers l'extérieur dans les canaux (20, 38) des parties de machine tournantes (3, 4, 36) et en sens opposé dans les canaux (21, 39) des parties fixes (8, 9, 31). 3. Machine unipolaire selon la revendication 2 ca ractérisée par le fait que , i leur extrémité intérieure, voisine de l'axe, et à leur extrémité extérieure, éloignée de l'axe, les parties de machine tournantes (3,4) forment chaque fois une rigole (14, 15) ouverte vers l'intérieur, les extrémités correspondantes des parties de machine fixes (8,9) pén4iraEt quant å elles dans les bains de liquide de contact maintenus dans ces rigoles. 4. Machine unipolaire selon la revendication 2 ca ractérisé. par le fait que les parties de machine fixes (31) et les parties de machine tournantes (36) forment chaque fois une rigole (32, 14) ouverte vers 11 intérieur, les premières en leur extrémité extérieure, éloignée de l'axe, les secondes en leur extrémité intérieure, voisine de l'axe, les extrémités correspondantes des parties de machine respectivement tournantes et fixes pénétrant quant à elles dans les bains de liquide de contact maintenus dans ces rigoles. 5. Machine unipolaire selon la revendication 3 ca ractérîsée par le fait que l'extrémité extérieure (28) de chaque partie de machine fixe (8,9) pénètre plus profondément dans le bain de liquide de contact (26) que l'ouverture' (29) - du canal (21) ménagé dans cette même partie de machine. Machine unipolaire selon la revendication 1 avec .parties en forme de tambours caractérisée par le fait que les canaux entra les zones de contact suivant un cours essentiellement parallèle à l'axe. 7. Machine unipolaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée par le fait que le parcours d'acheminement du liquide ae contact à travers la machine (42) et un autre parcours (46, 47) situé à l'extérieur de la machine forment un circuit unique et ce circuit renferme, à l'extérieur de la machine (42) , des moyens de suppression de la différence de potentiel engendrée à l'intérieur de celle-ci dans le liquide de contact. 8. machine unipolaire selon la revendication 7 utilisée en moteur et caractérisée par le fait qu'une génératrice (43) assure la suppression de la différence de potentiel dans le circuit.