Brevet FR2441945A1 — publié le 19800613

L'invention est relative à une machine électrique homopolaire. On connaît depuis longtemps de telles machines à discues ou à tambours mais le principal défaut de ces machines provient de leur faible tension à cause de la difficulté qu'il y a à mettre en série les différents disoues ou tambours nécessitant de nombreux contacts glissants. La présente invention propose une nouvelle machine homopolaire qui pallie ces inconvénients. L'invention a ainsi pour objet une machine électrique homopolaire caractérisée en ce qu'elle comporte une paire d'anneaux conducteurs, les deux anneaux de la paire étant en contact l'un contre l'autre par leur périphérie, leurs axes étant fixes et parallèles et les anneaux pouvant tourner en sens inverse l'un de l'autre, la génératrice de contact se déplaçant par roulement sans frottement des deux anneaux l'un contre l'autre, en ce que chaque anneau comporte un conducteur, appelé conducteur radial, relié d'une part à l'anneau et d'autre part à la partie centrale située sur l'axe de l'anneau, des moyens de contacts glissants étant prévus à la partie centrale de l'un et de l'autre anneau et en ce que des moyens sont prévus pour créer un champ magnétique continu parallèle aux axes des anneaux et de sens identique pour les deux anneaux et traversant les conducteurs radiaux des deux anneaux. L'invention a aussi pour objet une machine électrique homopolaire caractérisée en ce qu'elle comporte n paires d'anneaux, les deux anneaux de chaque paire étant en contact l'un contre l'autre par leur périphérie, leurs axes étant parallèles et fixes, l'un des anneaux étant anpelé anneau inférieur et l'autre supérieur, les n anneaux inférieurs étant coaxiaux et liés mécaniquement et les n anneaux supérieurs étant dbaxialx et liés mécaniquement, en ce que chaque anneau comporte un conducteur relié d'une part à l'anneau et d'autre part à la partie centrale située sur l'axe de l'anneau, les parties centrales des n paires d'anneaux étant reliées électriquement en série par des connexions reliant alterna tivement la partie centrale de deux anneaux supérieurs puis la partie centrale de deux anneaux inférieurs, des moyens de contacts glissants étant prévus aux extrémités d'un circuit ainsi constitué et en ce que des moyens sont prévus pour créer un champ magnétique continu parallèle aux axes des anneaux, alternativement dans un sens nuis dans le sens opposé en passant d'une paire d'anneaux à la suivante au point de vue des connexions électricues et en ce que des moyens d'accouplement en rotation sont prévus entre l'ensemble des anneaux supérieurs et infrieurs. L'invention a aussi pour objet une archine électrique homopolaire caractérisée en ce qu'elle comporte n paires d'anneaux, les deux anneaux de chaque paire étant en contact l'un contre l'autre par leur périphérie, leurs axes étant parallèles et fixes, l'un des anneaux étant appelé anneau inférieur et l'autre supérieur, les n anneaux inférieurs étant coaxiaux et liés mécaniquement et les n anneaux supérieurs étant coaxiaux et liés mécaniqiement, en ce que chaque anneau comporte un conducteur relié d'une part è l'anneau et d'autre part à la partie centrale située sur l'axe de l'anneau, les arties centrales des n paires d'anneaux étant reliées électriquement en série par des connexions reliant alternativement la partie centrale de deux anneaux supérieurs puis la partie centrale de deux anneaux inférieurs, des moyens de contacts glissants étant prévus aux extrémités d'un circuit ainsi constitué, en ce que des moyens sont prévus pour créer un champ magnétique continu parallèle à l'axe des anneaux inBérieurs, alternativement dans un sens puis dans le sens opposé en passant d'une paire d'anneaux à la suivante au peint de vue des connexions électriques et en ce que le rayon des anneaux supérieurs est aiffrent de celui dés anneaux Snfsriears. Le rôle des anneaux supérieurs est.alors exclusivement limité à mettre en série les anneaux inférieurs. Selon une réalisation de l'invention les parties centrales des anneaux comportent un aménagement axial permettant le passage des connexions, le nombre n des anneaux est pair et les anneaux traversés dans un mgme sens par le champ magnétique sont groupés ensemble d'un même côté. Selon une première réalisation de l'invention, l'anneau et le conducteur radial reliant l'anneau à sa partie centrale constituent un disque unique. Avantageusement, le disque, ci-dessus, est composé d'un premier anneau intérieur en métal ferromagnétieue et d'un deuxième anneau extérieur en matériau de très bonne conductivité électrique, le disque ainsi constitué étant isolé des diseues voisins. Selon une autre réalisation avantareuse de l'invention, les discues comportent un premier anneau intérieur en matériau bon conducteur de l'électricité, un deuxièrLe anneau -n rrat iou ferromanétique et un troisième anneau en matériau bon conducteur de l'électricité, des conducteurs rayonnants étant placés dans des rainures aménagées dans ledit deuxième anneau, reliant électriqueruent le premier et troisième anneau, lesdits premier et troisième anneaux ainsi que les conducteurs rayonnants étant isolés du deuxième anneau ainsi 9e des éléments homologues des disques voisins. Selon une autre caractéristique de l'invention, des moyens sont prévus pour anpliouer avec une force convenable les anneaux supérieurs contre les anneaux inférieurs. L'invention a aussi pour objet une machine électrique homopolaire caractérisée en ce que les conducteurs reliant les anneaux g leurs parties centrales sont noyés dans un matériau d- bonne perméabilité magnétique favorisant l'augmentation du champ magnéti- que traversant lesdits conducteurs et en ce aie lesdits conducteurs sont électriquement isolés de ce matériau électricue ainsi que des conducteurs homologues voisins. Avantageusement, les surfaces de contact respectives des anneaux supérieurs et inférieurs sont profilés de manière à constituer un roulement d'un contact mâle dans un profil de contact femelle. On va maintenant décrire des exemrles de réalisation de l'invention en se reportant aux figures ci-jointes dans lesquelles la fig. 1 montre schématiquement, en perspective, le fonctionnement de la machine élémentaire avec une paire de disques. la fig. 2 montre schématiquement, en perspective, le fonctionnement de la machine composée de deux paires de disques. Les directions du champ magnétique et des forces électromotrices étant indiquiez les fig. 3A et 3B montrent schématiquement les moyens de créer le champ manétic;ie la fig. 4 montre schématiruement les rotors d'une machine. la fig. 5 montre schématiquement un rotor composé de disques. la fig. 6 est une vue en "lévation coupe d'une réalisation de la machine selon l'invention. la fig. 7 est une coupe selon A - A de la fir. 6. la fig. d montre schématiquement, en vue éclatée, les éléments essentiels te la machine présentée par les 4^-. 6 et 7. la fig. 9 montre schématiquement la construction d'un disque. la fig. 10 montre une autre construction d'un disque. la fig. 11 montre une variante de la machine selon I'in;-ention. la fig. 12 montre une autre variante de la machine la fig. 13 montre une amélioration apportée dans la cons truc- tion d'un disque. En se référant maintenant à la iDirr. 1, on voit une raire de disques 1 et 2, tournant autour de leurs axes. Les disques sont réalisés en matériau conducteur de l'électricité. Ainsi l'anneau conducteur et le conducteur radial mentionné pr cédenrent se confondent en un seul disoue homogène. Sur les parties centrales de l'un et de l'autre disoue frotten des balais 3 réunis à un galvenomètre G. Les deux disques sont plongés dans un champ magnétique de direction unique. Selon un principe bien connu de l'induction unipolaire la force électromotrice est générée dans le sens radial du disque.Compte tenu des rotations QD des disques et de la direction du champ magné ticu e , les forces électromotrices e de chaque disque s'ajoutent. Leurs directions sont montrées sur le dessin. On recueille ainsi, par l'intermédiaire des balais, le double de la force électromotrice de chaque disque. Sur la fig. 2, on voit deux paires de disques, les disques d'une paire étant en contact l'un contre l'autre par leur périphérie. Ainsi, nous avons une paire de disques 4A, 4C et une autre paire 4B, 4D. Les disques appelés supérieurs 4A, 4B sont coaxiaux et liés mécaniquement. I1 en est 5e même pour les disoues appelés inférieurs 4C, 4D. Sur les parties centrales des disques 4C, 4D frottent des balais 7 et 8. Les parties centrales des disques supérieurs sont reliés électriquement. Par contre, les disoues inférieurs sont électrisuement isolés par un isolant 9. Les discues sont traversés par un champ magnétique.La direction de ce champ magnétique est la même pour une paire de disques, par exemple de gauche à droite A pour les disoues 4A, 4C. La paire de disques 4B, WD reliée à la paire précédente est plongée dans un champ magnétique B de sens opposé à celui de la paire à laquelle elle a été reliée : de droite à gauche sur la fig. 2. Le circuit électrique ainsi constitué : balai 7, les disques 4C-4A SB- 4D, balai 8, est branché sur le récepteur extérieur, par exemple un galvanomètre G. Si les disques tournent, les forces électro- motrices sont générées dans les disoues. La force électromotrice totale recueillie est la sorrme des forces électromotrices élémentaires de chacue risque. Les fig. 3 et 4 montrent d'une façon sehématicue les éléments essentiels, stators supérieurs 11 ,11B et intérieurs 11C,11D et ro tors.supdrieur 4a,4b et inférieur 4c, 4d composés de n paires d'anneaux avec leurs conducteurs radiaux. Dans le cas général, les conducteurs radiaux sont des disques, évenalellemeBt de construction spéciale. Les rotors sont donc en général composés de disques comme cela est montré sur la fig. 5. Les disques traversés dans un même sens par le charp magnétique sont groupés ensemble d'un côté Les disques ainsi groupés constituent les rotors de la machine. Sur la fig. 4 on voit le rotor 4a, Wb, appelé supérieur, et le rotor 4c, 4d, appelé inférieur. Le rotor supérieur est divisé en deux parties a et 4b,chaque partie étant composée des disoues parcourus dans le même sens par le champ magné tique .Tous les disques sont coaxiaux et liés mécaniquement. Il en est de même pour le rotor inférieur. les rotors tournant autour de leurs axes les disques correspondant de chaque paire du rotor supérieur et inférieur sont en contact par leurs périphéries. Les stators munis de bobinages permettent la création du champ magnétique de directionnconvenable pour chaque groupe de disques. On voit sur la fig. 3A les bobines lOA, montées sur le stator lIA et qui génèrent la force magnétomotrice nécessaire pour le rotor supérieur 4A. Le champ traverse le rotor 4A axialement de droite à gauche. Les bobinages lOB montés sur le stator llB génèrent la force magnétomotrice nécessaire pour le rotor 4B. Le champ traverse le rotor 4B axialement de gauche à droite. Il en est de méme pour le rotor inférieur /fig. 3B/. Les fig. 6 et 7 montrent schématicuement la coupe d'une machine réalisée selon l'invention. La machine comporte deux rotors, l'un appelé supérieur et l'autre inférieur. Le rotor supérieur est divisé en deux parties A et B. La partie A du rotor comporte 6 disques îLA et la partie B comnorte 6 disques 14B. Le nombre de disques est donné à titre d'exemple et n'est pas limité. Les disoues sont réalisés en matériau, à la fois, de bonne conductivité électrique et de grande perméabilité magnétivue, du ter doux par exemple. La surface extérieure des disques, dite surface de contact, peut être avantageusement recouverte d'un métal d'une conductivité supérieure à celle dudisoue, ou d'un métal présentant des caractéris tiques intéressantes du point de vue de la aualité de contact. Les disaues voisins sont électriquement isolés entre eux. Une pièce cylindrique 15AB est intercalée entre la partie gauche A et la partie droite B du rotor. Son rôle est de recevoir le flux magnétique provenant du stator et de le transmettre axialement sur les parties gauche et droite du rotor. Les extrémités du rotor, pièces 15A et 15B, servent à conduire le flux magnétique vers le stator et à fixer le rotor dans des roulements 18. Les disques gA, l)lB, les pièces 15AB, 1143 et 15B sont serrées ensemble à l'aide des tige. 24 électriquement isolées par un isolant 25. La construction du rotor intérieur est homologue à celle du rotor supérieur. /éléments repéras c, D/. Le stator doit assurer la tenue mécanique de l'ensemble, recevoir les bobines génératrices de la force magnétomotrice et constituer un circuit de faible réluctance. Deux bobines 17A du stator, situées d'un côté et de l'autre de la partie du rotor constituée par les risques 14A, assurent la force magnétomotrice de cette partie du rotor supérieur. De même, deux bobines l7B du stator, situées d'un côté et de l'autre de la partie du rotor constituée par les disques L4B, assurent la force magnétomotrice de cette autre partie du rotor supérieur. Ces dieux parties du rotor supérieur sont parcourues en sens inverse par le champ magnétique. Les bobines peuvent être remplacées par les aimants placés dans le stator ou même dans le rotor. La construction du stator inférieur est analogue à celle du stator supérieur et il porte respectivement deux bobines 17C et 17D pour les parties du rotor inférieur constituées par les disques 14C et 14D. Comme il a été décrit précédezzent les disaues inférieurs et supérieurs constituent des paires. Les disques d'une paire sont en contact l'un contre l'autre par leurs tériphéries. Le contact est permanent rendant la rotation des rotors. Pour obtenir ces contacts, des ressorts convenablement choisis 27 serrent le rotor supérieur contre le rotor inférieur par l'intermédiaire des guides 26 logés dans le stator. L'accouplement des rotors est obtenu par les engrenages 19. Cela permet d'assurer le roulement des disques sans frottement. Du point de vue électrisue tous les disques sont relies en série. On trend par exemple lffl paire de disques de gauche. Le disque supérieur de la paire fait partie du rotor l4A et le disque inférieur de la paire fait partie du rotor liC. Le disque supérieur est relié, par des connexions 20, au nième disque faisant partie du rotor supérieur de droite 14B, et le disque inférieur au |m-1|ième disque du rotor inférieur de droite 14D. : En effet, le champ magnétique doit chanç:er de sens en tassant d'une paire de disques à une autre. Les disques traversés dans e n.eme sens par le champ magnétique sont groupés ensemble. Les connexions électriques relient alternativement un dis eue de la tartie gauche de la machine à un autre disque de la partie droite. Un aménagement axial à l'intérieur des rotors permet le passage des connexions. Celles-ci ne sont pas traversées par le champ magnétique. Les extrémités d'un circuit ainsi constitue sont branchées à des anneaux collecteurs 21. Une isolation isole l'anneau 21 des pièces 15D ou 15C. Des balais frottants 23 collectent la force électromotrice en cas de fonctionnement en génératrice ou amènent le courant en cas de fonctionnement en moteur. Pour une meilleure compréhension des principes de construction, une autre machine est schématiquement représentée en perspective éclatée sur la fig. 8. Le nombre des disques est différent. Les bobines d'exitation 17A et 17C des fig. 6 et 7 sont remplacées par des bobines communes 17AC. En effet la direction du flux dans les deux bobines 17A et 17C est icentique.De même pour la bobMe17BD.- En se référant à la fig. 9 on voit un exemple de construction de l'élément essentiel de la machine. C'est un anneau 30 réalisé en matériau de très bonne conductivité. A l'intérieur de cet anneau se trouve un disque 29 en matériau, ê la fois, de bonne conductivité électrique et de grande perméabilité magnétinue. L'ensemble forme un disque avec, en partie centrale,ur trou FO aménagé pour les connexions. L'anneau 30 et le disque 29 sont monté de sorte que la résistance de contact entre eux soit faible. La fig. 10 montre une autre construction de discute Il comporte un premier anneau intérieur ,3 en matériau de bonne conductivité électrique. C'est un anneau ce connexion. ensuite ii y a un anneau central 34 en matériau ferromagnétique et un troisième anneau extérieur 31 en matériau de très bonne conductivité électrique. C'est un anneau de contact. Des conducteurs rayonnants 35 placés ans des rainures aménapées dans l'anneau central relient l'anneau de connexion 33 à l'anneau de contact 31. L'anneau central 3L est électricuerent isolé des autres éléments par un isolant 32. rotor La fig. ll montre une autre réalisation e la machine selon l'invention. Les anneaux de contact 40 réalisés en matériau de très bonne conductivité de l'électricité sont fixés sur un cylindre 36. Le cylindre est réalisé en matériau ferromagnétique. Chaque anneau est relié à la partie centrale du cylindre par un ou plusieurs conducteur 37 noyés dans le cylindre 36. Les anneaux et les conducteurs sont isolés du cylindre par un isolant 39.Ierestede la construction de la machine est analogue à celle présentée sur 83S figures 6, 7 et 8. La fig. 12 montre une réalisation différente de la précédente. Des anneaux 42 sont fixés sur un cylindre 40. Ce cylindre est réalisé en matériau ferromagnétique. Des conducteurs 41 reliant les anneaux traversent radialement le cylindre 40 dans un entrefer spécialement aménagé. Ainsi tous les conducteurs dits radiaux sont groupés ensemble. Ils retraversent le cylindre dans un autre entrefer pour être raccorder à des anneaux correspondant de l'autre partie du rotor selon les principes expliqués précedemment. Les entrefer d'un rotor sont traversés par un champ magnétique axial de sens opposé pour chaque entrefer. La fig. 13 montre une amélioration apportée dans la construction des disoues. Le disque 43 en matériau ferromagnétique comporte une pièce montée dans le sens radial. Elle est réalisée en matériau non magnétique et peut avoir des formes différentes, 44 et 45 sur la fig. 13. Son rôle est de diminuer la réaction d'induit0 Dans une réalisation simple, la génératrice de la surface de contact de l'anneau est une ligne droite0 Les surfaces de contact sont alors cylindr loue s comme cela est présenté sur la fig. O anneau 30, ou la fi. lO, anneau 31 etc. Afin de maintenir un contact permanent des anneaux roulant les uns contre les autres, en cas d'un léger déplacement radial des anneaux, les surfaces de contact peuvent avoir des formes spéciales, Une paire d'anneaux est alors réalisée de sorte au'il existe un anneau appelé male ret un anneau appelé femelle. La surface profilée de l'anneau mole est, pendant la rotation en contact avec la surface profilée d e l'anneau femelle. La construction des profils de contact sera inspirée de la construction bien connue des différentes sortes de contacteurs. Pcr exemple, l'anneau mâle aura une surface bombée qui se logera dans une surface creuse de l'anneau relle ou alors le profil oblicue de l'anneau mâle s'appuiera sur une surface oblique de l'anneau femelle. La machine électrique homopolaire selon l'invention peut travailler en tant que moteur, par exemple en vue d'entrainer des engins ou des machines. Elle peut également travailler en tant que générateur pour produire du courant électrique. REV:ZNDICATIONS Machine électrique homopolaire comportant n paires d'anneaux, les deux anneaux de chaque paire étant en contact l'un contre l'autre par leur périphérie, leurs axes étant parallèles et fixes, l'un des anneaux étant appelé anneau inférieur et l'autre supérieur, les n anneaux inférieurs étant coaxiaux et liés mécaniquement et les n anneaux supérieurs étant coaxiaux et liés mécaniquement, chaque anneau etant pourvu d'un conducteur relié d'une part audit anneau et d'autre part a la partie centrale située sur l'axe de l'anneau, des moyens de contacts glissants étant prévus aux extrémités d'un circuit ainsi constitué, des moyens étant prevus pour créer un champ magnétique parallèle aux axes des anneaux, ce champ étant dans un sens pour certaine3 paires d'anneaux et dans le sens opposé pour les autre, des moyens d'accoupl.euant en rotation étant prévus entre l'ensemble des anneaux supérieurs et inférieurs, caractérisée en ce que les paires d'anneaux sont réparties en deux groupe; chaque groupe étant forÉS de plusieurs paires d'anneaux adjacents et traverse'es par le champ magnétique de mtme sens et en ce que les parties centrales des n paires d'anneaux sont reliées électriquement en série par.des connexions reliant alternativement la partie centrale de deux anneaux supérieurs puis la partie centrale de deux anneaux inférieurs. 2 - Machins électrique homopolaire comportant n paires dtanneau= les deux anneaux de chaque paire étant en contact l'un contre l'autre par leur périphérie, leurs axes étant fixes et parallèles, l'un des anneaux étant appelé anneau inférieur et l'autre supérieur, les n anneaux inférieurs étant coaxiaux et liés mécaniquement et les n anneaux supérieurs étant coaxiaux et liés mécaniquement, chaque anneau étant pourvu d'un conducteur relié d'une part & l'anneau et d'autre part à la partie centrale située sur l'axe de l'anneau, des moyens de contacts glissants étant prévus aux extrémités d'un circuit ainsi constitué, des moyens étant prévus pour créer un champ magnétique parallèle à l'axe des anneaux inférieurs, ce champ étant dans un sens pour certains anneaux et dans le sens opposé pour les autres, caractérisée en ce que les paires d'anneaux sont réparties en deux groupes, chaque groupe étant formé de plusieurS; paires d'anneaux adjacents et dont les anneaux inférieurs sont traversés par le champ magnétique de même sens pour chaque groupe et en ce que les parties centrales de n paires d'anneaux sont reliées électriquement en série par des connexions reliant alternativement la partie centrale de deux anneaux supérieurs puis la partie centrale de deux anneaux inférieurs. 3 - Machine électrique homopolaire selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que les parties centrales des anneaux comportent un aménagement axial permettant le passage desdites connexions, en ce que le nombre n est paire et en ce que les anneaux traversés dans un mtme sens par le champ magnétique sont groupés ensemble d'un cttéo 4 - Machine électrique -homopolaire selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les disp comportent un premier anneau intérieur en matériau bon conducteur de I'électricité, un deuxième anneau en matériau ferromagnébique et un troisième anneau en matériau bon conducteur de l'électricité, des conducteurs rayonnants étant placés dans des rainures aménagées dans ledit deuxième anneau, reliant électriquement le premier et troisième anneaux, lesdits zamier et troisiene anneaux ainsi que les conducteurs rayonnants étant isolés du deuxième anneau ainsi que des éléments homologues des disques voisins. 5 - Machine électrique homopolaire selon l'une des revendications 1,2 ou 3 caractérisée en ce que les conducteurs reliant les anneaux à leurs parties centrales passent a travors d'un matériau de bonne perméabilité magnétique favorisant l'augmentation du champ magnétique traversant lesdits conducteurs et en ce que lesdits conducteurs sont électriquement isolés de ce matériau magnétique ainsi que des conducteurs homologues voisins. 6 - Machine électrique homopolaire selon l'une des revendi -cations 1 à 5 caractérisée en ce que, en coupe par un plan passant par l'axe, la périphérie des anneaux d'un couple ont des formes conjugées courbes et/ou obliques pour améliorer les contacts.