Brevet FR2376307A1 — publié le 19780728

L'invention concerne la production d'électricité à partir de l'énergie des vents. On connaît à cet effet des dispositifs comprenant un aéromoteur mécaniquement couplé à une génératrice électrique. L'aéromoteur comprend classiquement une roue munie de pales, qui doit être orientée dans la direction du vent, Comme cette roue tourne à basse vitesse, son couplage mécanique à la génératrice comprend une boite d'engrenages multiplicateurs de vitesse. De plus, le couplage mécanique doit être tel qu'il laisse à l'aéromoteur la possibilité de s'orienter dans une direction quelconque Avec une disposition de ce genre, on obtient un rendement assez bon pour l'aéromoteur lui-m8me, en tant que convertisseur de l'énergie des vents en énergie mécanique'. Par contre, le rendement de l'ensemble est compromis par le coupla- ge mécanique. De surcroRt, l'ensemble mécanique est complexe, d'oû sa fragilité globale', Cela est difficilement compatible avec les impératifs habituels des sources d'énergie autonomes, excellente fiabilité, et peu d'entretien, notamment. L'invention a pour objet une génératrice anémoélectrique de conception totalement différenteO Le demandeur a fait les deux observations complémentaires suivantes : - plutôt que d'utiliser un aéromoteur qui doit entre orienté dans la direction des vents, il est préférable d'utiliser un aéromoteur de type omnidirectionnel, en admettant un rendement un peu inférieur - n'ayant ainsi plus besoin d'un couplage mécanique qui permette une orientation quelconque de l'aéromoteur, il est souhaitable de supprimer purement et simplement le multiplicateur de vitesse. Ainsi, dans une définition très générale, la génératrice anémoélectrique de l'invention comporte un aéromoteur du type ommidirectionnel, et la génératrice électrique est un alternateur à basse vitesse, c'est-à-dire à grand nombre de pales, avec inducteur à aimant permanent, monté directement sur l'arbre dé l'aéromoteur0 Le demandeur a observé, de plus, que pour conserver un bon rendement de l'alternateur aux très basses vitesses de l'aéromoteur, il est souhaitable que l'aimant permanent présente un produit champ magnétique-induction magnétique supérieur à 1 kilo-2esla-OerstedO Convient particulièrement bien à cet effet un aimant permanent au Cobalt-Samarium. Dans un mode de réalisation, l'alternateur débite par l'intermédiaire d'un montage redresseur sur une batterie. Avantageusement, on utilise deux- aéromoteurs couplés respectivement à deux alternateurs, les deux arbres étant à angle droit. Et une même batterie est connectée aux deux alternateurs. On obtient ainsi une génératrice anémo-électrique qui est quasirigoureusement omnidirectionnelle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaRtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, illustrant à titre non limitatif un mode de réalisation de l'invention, et sur lesquels :: - la figure 1 est le schéma d'un mode de réalisation de l'invention avec deux aéromoteurs couplés respectivement à deux alternateurs, sur des arbres situés à angle droit, les deux alternateurs débitant sur une meme batterie ; - la figure 2 est une vue en coupe illustrant la constitution générale de l'alternateur de l'invention - la figure 3 est une vue en perspective avant montage illustrant plus en détail la constitution du rotor de l'al ternateur - la figure 4 est une vue partielle en perspective du stator de l'alternateur de la figure 2 ; et - la figure 5 illustre le schéma électrique d'un exemple de redresseur autorégulé monté entre l'alternateur et la batterie Sur la figure I, un premier aéromoteur 10 est monté sur le même arbre 14 qu'un alternateur à basse vitesse 15e Llar- bre 14 est supporté par des paliers 140 et 141, représentés schématiquement Un second aéromoteur 20 est monté sur le même arbre 24 que l'alternateur 25. L'arbre 24 est, lui aussi, supporté par des paliers 240 et 241 représentés schématiquement. Aux alternateurs 24 et 25 sont incorporés des montages redresseurs. qui alimentent directement une batterie 30. Les aéromoteurs 10 et 20 sont de construction identique, la seule différence étant que leurs arbres 14 et 24 sont orientés à angle droit, dans un même plan sensiblement horizontal., On décrira à titre d'exemple la structure et le fonctiat- nement de l'aéromoteur 10. Cet aéromoteur se compose d'un premier secteur plan 101, calé à 450 par rapport à l'arbre 14, d'un cdté de celui-ci et d'un second secteur plan 102, calé également à 450 par rapport à l'arbre 14, mais de l'autre c8te. Le second secteur 102 est perpendiculaire au premier secteur 101. Les secteurs sont par exemple des secteurs de disque. On suppose tout d'abord que le vent est orienté dans la direction de l'arbre 14, et que son sens est tel qu'il va de l'aéromoteur vers la génératrice (vent V1). La résultante de l'effet d'un tel vent sur le secteur plan 101 est une force dont le point d'application est 1010, cette force étant orientée perpendiculairement au secteur 101. L'effet du vent sur le secteur 102 est également une force dont le point d'application est sensiblement 1020, la direction de la force étant elle aussi perpendiculaire au secteur 102. Ces deux forces sont d'égale intensité et leur composante axiale, dans la direction de l'arbre 14, est sans effet. Elles ont également des composantes respectives perpendiculaires à l'arbre 14, qui sont de sens opposés.Comme ces forces sont appliquées de part et d'autre de l'arbre 14, celui-ci est soumis à un couple d'entrarnement sous l'effet du vent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. On suppose maintenant que le vent est orienté à 450 d'un ctté ou de l'autre de l'arbre (vent Yt) Dans ce cas, le couple dépend de la position des secteurs 101 et 102. Dans une première position, le vent frappe en plein travers l'un des secteurs, ici le secteur 1Q2. Et le secteur 101 est parallèle au vent qui n'a donc aucune action sur lui. Après rotation d'un demi-tour, ce sera le secteur 101 qui se trouvera en plein travers du vent tandis que le secteur 102 lui sera parallèle. Dans toutes les positions intermédiai- res, les deux secteurs contribuent par des effets qui s'ajoutent à produire un couple sensiblement égal à celui que l'on obtient lorsqu'un seuil des secteurs est en plein travers. Ainsi, lorsque le vent est incliné à 450 sur arbre, on obtient encore un couple du même ordre que celui qui existe lorsque le vent est orienté selon ltaxe. Et, pour les incidences comprises entre O et 450, l'expérience montre que le couple obtenu reste sensiblement le même. Lorsque l'incidence du vent augmente par rapport à l'axe et prend des valeurs supérieures a 450, le couple diminue progressivement jusqu'à s'annuler lorsque le vent est rigoureusement perpendiculaire à l'arbre 14. Si le vent est orienté en sens inverse, les choses se passent de la même façon, mais l'arbre 14 tourne dans l'an- tre sens, Maintenant, du fait que les arbres 14 et 24 sont sensiblement perpendiculaires dans un plan horizontal, lorsque le vent n'aura aucun effet sur l'un des aéromoteurs parc qu'il est perpendiculaire à son arbre, il aura son plein effet sur l'autre aéromoteur. Ainsi, les effets des deux aéromoteurs 10 et 20 se combinent pour procurer une omni-directionnalité quasi rigourease; Les alternateurs 15 et 25 ne sont représentés que très schématiquement sur la figure 1. En référence à la figure 2, on va maintenant décrire ces alternateurs en tant que génératrice ces, à l'exclusion de leur circuit redresseur qui fait l'objet de la figure 5r, On supposera qu'il s'agit de l'alternateur 15s. L'alternateur 15 comporte un b3ti 150, qui est symé- trique de révolution. Ce bâti 150 porte un alésage axial 151, où passe l'arbre 14'.L'arbre 14 est relié mécaniquement au bàti 150 par deux roulements à billes 152 et 153. Le stator de l'alternateur 15 est de forme toroïdale et calé sur un épaulement 154, ménagé sur la périphérie externe du bati 150. Désigné dans son ensemble par la référence numérique 16, ce stator comporte un enroulement de cuivre 161 formant une bobine torique, sur lequel viennent s'appliquer des portions de circuit magnétique telles que 162 et 163. On voit mieux la structure du stator 16 sur la figure 4, oul. represente en perspective la moitié du stator, avec un seul de ses circuits magnétiques, désigné ici par la référence numérique 164. Le circuit magnétique 164 est, de même que les autres, constitué de tôles de fer. Il est en circuit ouvert. A partir de ltextrémité libre 165, le circuit magnétique 164 comporte une première pièce polaire 166, qui s'étend de façon sensiblement axiale, du c8té interne du stator, de manière à pouvoir coopérer avec le rotor0 La pièce polaire 166 se complète par un circuit en forme générale de TT, constitué d'une portion radiale 167, d'une portion 168 disposée vers l'extérieur du stator, et incliz née par rapport à l'axe de façon à sortir du plan défini par les pièces 166 et 167.La portion inclinée 168 se continue en dessous par une autre portion radiale 169. Celle-ci aboutit enfin à une seconde pièce polaire 170, dont l'extrémité 171 est l'autre bout du circuit magnétique ouvert 164 > . Les pièces polaires 166 et 170 définissent une paire de pales du stator. Dans son ensemble, le stator 16 comprend 20 paires de pâles telles qu'elles viennent d'être décrites, réparties de façon équidistantes sur sa périphérie. Pour faciliter le montage, on réalisera avantageusement la partie inclinée 168 du circuit magnétique Hous forme de deux sections de tôles imbriquées. Cela permet de réaliser tout d'abord le bobinage 161 du stator0 Ensuite, les circuits magnétiques tels que 164 sont réalisés en deux parties, la première partie comprenant la pièce polaire 166, la pièce radiale 167, et la moitié des tôles de la partie inclinée 168, tandis que la seconde partie comprend l'autre moitié des tôles de la partie inclinée 168, la pièce radiale 169 et la pièce polaire 170. Ces deux parties sont rapprochées l'une de l'autre de part et d'autre de l'enroulement 161, et le circuit magnétique se complète en faisant imbriquer les deux portions de la pièce- inclinée 168; Le stator 16 est avantageusement bobiné avec point milieu.Il comportera donc trois fils de sortie, désignés par les référence 172 à 174 sur la figure 2. De son côté, le rotor 18 est constitué de deux flans radiaux 181 et 182 calés sur l'arbre 14. Ces deux flans radiaux sont en matériau ferromagnétique. Le flan 181 comporte des dents telles que 1810 et 1811, qui s'imbriquent avec des dents correspondantes 1821 et 1822 de l'autre ilan radial. Entre les deux flans 181 et 182 est disposé coaxialement à l'arbre 14 un aimant permanent 190, accompagné avantageusement d'entretoises 191 et 192, qui sont elles aussi en matériau ferromagnétique. De façon générale, un aimant permanent est caractérisé par son induction rémanente, ainsi que par son champ magnétique coercitif. On sait que le champ magnétique s'exprime habituellement en Ossted, tandis que l'induction magnétique s'exprime en Tesla. L'induction rémanente est l'induction procurée par l'aimant permanent en l'absence de champ magne- tique. A l'inverse, le champ coercitif est le champ magnétique nécessaire pour annuler complètement l'induction magnétique. Entre ces deux états, le champ magnétique et l'induction magnétique varient d'une façon liée, qui est définie par le cycle d'hystérésis de l'aimant. On considère généralement comme caractéristique pour un aimant permanent la valeur maximale du produit de l'induction magnétique par le champ magnétique sur le cycle d'hystérésis.Comme précédemment indiqué, le demandeur a observé, que pour conserver un bon rendement de l'alternateur aux très basses vitesses de l'aéromoteur, il est souhaitable que l'aimant permanent présente un produit champ magnétique-induction magnétique supérieur à 1 kilo. Tesla. Oersted, ou encore 10 Méga-Gauss-Ossted. Il s'est avéré que conviennent particulièrement bien les aimants permanents frittés au Cobalt-Samarium, commercialisés notamment par la Société HITACHI. Dans le rotor de la figure 2, l'aimant permanent 190 forme avec les deux flans radiaux 181 et 182 des circuits magnétiques, qui s'ouvrent entre les dents adjacentes telles que 1810 et 1821, ou bien 1821 et 1811, ou bien 1811 et 1822, etc... Ainsi, le circuit magnétique rotor, excité par un aimant permanent, est ouvert entre les paires de dents adjacentes. Sur la figure 4, le circuit magnétique stator s'ouvre au niveau de pièces polaires 166 et 170, en regard desquelles vont se présenter alternativement les différentes dents du rotor. Il se crée donc une induction magnétique alternative dans chacune des paires de pôles telles que 164 du stator 16. Et celle-ci induit dans l'enroulement 161 une tension alternative. De la sorte, l'énergie mécanique obtenue au moyen des aéromoteurs tels que 10 et 20, est transformée par chaque alternateur en énergie électrique. La figure 3 illustre de façon plus claire la constitution du rotor 18, les entretoises 191 et 192 n'étant pas figurées pour simplifier le dessin. On voit le flan supérieur 181,muni de dents telles que 1810 et 1811. La position axiale de chacune des dents illustrées à l'avant de la figure 3, est définie par un trait mixte. L'autre flan 182 comporte également des dents telles que 1821 et 1822, qui sont orientées vers le haut. Leur position axiale est également définie. à l'avant- de la figure par un trait mixte. On voit immédiatement qu'après montage du rotor 18, les dents 1821 et 1822 vont venir s'imbriquer entre les dents 1810 et 1811. Les flans 181 et 182 du rotor peuvent aisément être réalisés à partir de pièces en matériau ferromagnétique, par découpage et/ou matriçage. On a précédemment 'indiqué que l'induit 161 du stator 16 est bobiné en deux parties, qui sont désignées par les références numériques1610 et 1611 sur la figure 5. Les bornes d'extrémité de l'induit 161 sont désignées par les références 172 et 174, tandis que le point milieu est désigné par la référence 173. Les deux bornes d'extrémité 172 et 174 sont respectivement connectées à 11 anode de deux diodes 192 et 194 par exemple du type Schattliry, dont les cathodes sont reliées en commun au pôle + de la batterie 30 de la figure 1. De son côté, la borne 173 est reliée directement au pôle - de la batterie 30. Ainsi, la batterie 30 est chargée suivant un montage redresseur double alternance à partir des tensions développées aux bornes de l'induit 161 de l'alternateur. Avantageusement, le circuit de redressement double al ternance est muni d'un dispositif qui le rend autorégulateur. Ce dispositif peut être monté soit sur une seule soit sur deux des diodes 192 et 194. Sur la figure 5, le dispositif n'est monté que sur la diode 192. Le dispositif se compose d'un montage doubleur de tension, constitué par une capacité 201 branchée à la borne t72, suivie d'une diode Zener 202, puis d'une diode normale 203, prise à 1' envers, ctebà-dire que c'est la cathode de la diode 203 qui est reliée à l'anode de la diode Zener 202, tandis que l'anode de la diode 203 est reliée au point milieu 173 de l'induit. Et, la cathode de la diode 203 commande la gâchette d'unthyristor 204. On sait que la tension d'une batterie augmente lorsque celle-ci est complètement chargée. La tension de Zener de la diode 202 est choisie voisine du double de la tension de la batterie 30 lorsque celle-ci est à pleine charge. Ainsi, tant que la batterie a besoin d'être chargée, la diode Zener 202 n'est conductrice que dans un sens ; le courant venant du point 173 passant par la diode 203 et la diode Zener 202 pour charger le condensateur 201. A l'alternance opposée le courant vient du point 172 pour charger la batterie par l'intermédiaire de la diode 192. A ce moment, une tension double apparatt aux bornes du condensateur 201.Nais, si la batterie n'a pas atteint la tension de pleine charge, cette tension double est insuffisante pour faire conduire la diode Zener 202 en inverse et pour amorcer le thyristor 204. Au contraire, lorsque la batterie 30 est complètement chargée, le système auto-régulateur va intervenir, car la tension doublée aux bornes du condensateur 201 va alors à chaque alternance positive pour la diode 192 court-circuiter le courant en faisant conduire le thyristor 204. Bien entendu, il est nécessaire que le courant de court-circuit (défini notamment par l'écartement des pales stator) soit compatible avec les possibilttés de conduction du thyristor 204, ainsi qu'avec une bonne tenue mécanique et électrique de l'enroulement d'induit 1610. Si l'on revient maintenant à la figure 1, on vost que l'ensemble du système est tout d'abord pratiquement omr di- rectionnel quant au sens du vent. Sa fiabilité est excellente du fait qu'il n'y a aucun système mécanique multiplicateur de vitesse. Pourvus d'un dispositif redresseur autorégulateur, les alternateurs peuvent alimenter directement la batterie sans que l'opérateur n'ait aucunement à s'en préoccuper. On dispose ainsi d'une source d'énergie ne nécessitant pratiquement aucun entretien, et de faible colt. Dans une réalisation particulière, l'entrefer de l'alternateur est de 0,1 millimètre. Pour un vent dans la direction de l'arbre de 5 m/s, l'aéromoteur tournait à 150 t/mn ; et l'alternateur fournissait une puissance électrique de 10 watts. Pour la vitesse double, l'alternateur tournant à 300 t/mn la puissance électrique fournie était de 50 watts. Bien qu'on ait décrit la présente invention avec deux aéromoteurs orientés à angle droit, un seul aéromoteur pourra suffire dans de nombreuses appliations. L'une de ces applications est par exemple celle des sources d'énergie pour la navigation de plaisance. D'autres applications sont l'alimentation des habitations isolées, des clôtures électriques, et analogues. Dans les applications nécessitant une forte puissance, on pourra mettre en parallèle un grand nombre d'ensembles aéro moteuralternateur. REVENDICATIONS 1. Génératrice anémo-électrique, du type comprenant un aéro-moteur mécaniquement couplé à une génératrice électrique, caractérisée par le fait que l'aéro-moteur est du type omni-directionnel et que la génératrice est un alternateur à basse vitesse avec inducteur à aimant permanent monté sur l'arbre de l'aéro-moteur. 2. Génératrice anémo-électrique selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'aéro-moteur comporte deux secteurs plans calés symétriquement par rapport à l'arbre, sensiblement à 450 de part et d'autre de celui-ci. 3. Génératrice anémo-électrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que l'aimant permanent présente un produit champ magnétique -induction magnétique supérieur à 10 Méga-Gauss-Oersted. 4. Génératrice anémo-électrique selon la revendication 3, caractérisée par le fait que l'aimant permanent est du type Cobalt-Samarium. 5. Génératrice anémo-électrique selon la revendication 3, caractérisée par le fait que l'alternateur comporte un rotor constitué de deux flans radiaux en matériau ferromagnétique prolongés par des dents qui s'imbriquent pour former des paires de pôles, ainsi que d'un aimant permanent monté sur l'axe entre les deux flans pour constituer avec eux un circuit magnétique qui est ouvert entre paires de dents adjacentes, et un stator comportant un enroulement torique, coaxial au rotor, et entourant celui-ci, et, sur cet enroulement, des paires de pôles constituées chacune d'un circuit magnétique ouvert dont les branches polaires ouvertes sont disposées côte à côte en regard des dents du rotor. 6. Génératrice anémo-électrique selon la revendication 5, caractérisée par le fait que l'alternateur possède un induit stator à point milieu, un dispositif redresseur double alternance, et un moyen pour limiter la tension délivrée, ce qui permet d'alimenter directement la batterie. 7. Génératrice anémo-électrique selon l'une des revendications i à 6, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux aéro-moteurs à angle droit, deux alternateurs, et une même batterie connectée aux deux alternateurs.