Brevet FR2493925A1 — publié le 19820514

Dispositif électrique pour transformer une énergie mécanique associée à un mouvement de va-et-vient rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation La présente invention est relative à l'utilisation d'une énergie mécanique provenant d'un mouvement de va-et-vient à faible vitesse ou de corps mobiles. Un exemple typique de corps de ce genre est celui de flotteurs soumis à un mouvement ondulatoire et une référence particulière y sera faite dans la présente description mais sans désir de limiter les applications possibles de l'invention à ce domaine particulier. On connaît des dispositifs mécaniques et hydrauliques commandés par un fluide tel que l'huile ou l'air pour transformer le mouvement alternatif de corps soumis au déplacement d'ondulations liquides en un mouvement de rotation à une vitesse adaptée à la commande d'une machine. Cette machine peut être un générateur à courant alternatif ou continu ou une machine qui utilise directement cette énergie et telle, par exemple, qu'une pompe. Les dispositifs qui ont été suggérés antérieurement présentent, d'une manière générale, le défaut qu'ils comportent des pièces prédisposées à une usure considérable et ont des rendements énergétiques faibles. Le dispositif conforme à la présente invention comporte, d'une manière générale, une pièce soumise à un mouvement alternatif, cette pièce étant désignée ci-après sous le nom de "coulisseau" et une partie à laquelle est imprimé un mouvement de rotation et qui sera désignée ci-après sous le nom de "rotor". La transformation du mouvement alternatif du coulisseau en mouvement de rotation du rotor est obtenue par l'action de filets de vis hélicoidaux magnétisés, reliés respec- tivement au coulisseau et au rotor. Les surfaces du coulisseau et du rotor sont disposées de manière à se faire face mais main- tiennent entre elles un certain écartement ou entrefer lorsque le coulisseau est en déplacement sous l'action de champs magnétiques en- gendrés par des enroulements électriques disposés sur les filets hélicoïdaux et des courants réglés en fonction de l'écartement entre les surfaces qui se font vis-à-vis et de l'amplitude de l'énergie à transformer, sont astreints à passer à travers les enroulements. On va maintenant décrire l'invention plus en détail à l'aide d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple en se référant au dessin annexé sur lequel: - la fig. 1 est -une coupe transversale par l'axe de la machine; la fig. 2 est un détail en coupe transversale et représente les lignes de fluide et les directions des champs magné_ tiques opératoires; - la fig. 3 représente le développement des filets contenus dans une longueur de pas; - la fig.4 est une coupe transversale des glissières de guidage et - la fig. 5 représente la relation du type vis et écrou entre le coulisseau et le rotor. L'énergie ou puissance mécanique disponible à transformer est une fonction du déplacement avec la vitesse v du coulisseau 11 soumis àune impulsion d'amplitude F. L'énergie disponible est ainsi égale au produit "V par F". Le coulisseau 11 se déplace suivant un mouvement alternatif dans le sens de son axe central 12. Les glissières 13 et 10 permettent au coulisseau tubulaire 11 de se déplacer le long de son axe central en empochant sa rotation. Le coulisseau 1h est constitué essentiellement par un tube 111 réalisé de préférence en acier non magnétique et par un couple de filets 112 et 11 3 en métal ferromagnétique tel,par exemple, que du fer allié à du silicium. Les filets 112 et 113 sont disposés hélicoidalement autour d'une partie du tube 111 et ils font corps avec ce dernier. A l'extérieur du coulisseau 11 est monté un rotor 14 constitué essentiellement par un tube 141, de préférence en un produit non ferromagnétique, et en un couple de filets 142, 143 en matériau ferromagnétique faisant corps avec le tube 141. L'axe central de ce tube 141 coïncide avec l'axe central 12 du coulisseau. Les filets 142 et 143 sont disposés hélicoidalement et à l'intérieur du tube 141 et ils sui- vent la même forme que celle des filets 112 et 113 du coulisseau tout en demeurant écartés grâce à la présence des entrefers , 16, 17 et 18. Les filets 142 et 143 du rotor ont une section trans- versale conformée de manière à recevoir des conducteurs électriques 20, 21, 22 et 23 qui sont isolés électriquement des filets et fixés à ces filets par un isolant convenable et des substances adhésives. Le rotor 14 repose à ses extrémités sur des paliers de poussée 144 et 146: ces derniers, à leur tour, reposent sur des paliers 145. Le rotor peut ainsi tourner autour de l'axe 12 mais il ne peut pas subir de transla- tion le long de cet axe. Au cours du fonctionnement de la machine, le déplacement du coulisseau assuré par la force F tend à réduire les largeurs des entrefers 16 et 18 entre les filets du coulisseau et du rotor ou il tend à réduire les largeurs des entrefers 15 et 17 suivant le sens du mouvement de va-et-vient. Les conducteurs 20, 21, 22 et 23 sont traversés par des courants électriques et ils engendrent des champs magnétiques qui s'opposent à la réduction des entrefers tout en équilibrant la force F et enagissant sur le rotor avec un couple d'entraînement M. Lorsque, à raison de l'action de la poussée pulsatoire F les filets 112 et 113 sont poussés vers le haut et tendent à élargir les entrefers 15 et 17, les forces magnétiques engendrées par les courants d'excitation qui passent dans les conducteurs 20 et 22 attirent les filets 142 et 112 ainsi que les filets 113 et 143 respectivement les uns vers les autres de manière à maintenir l'écartement de l'entrefer entre le coulisseau et les filets du rotor à une valeur constante. Etant donné que le rotor peut seulement prendre un mouvement de rotation, l'attraction magnétique est transformée en rotation juste comme si le coulisseau et le rotor étaient une vis et un écrou. Une condition vitale pour un fonctionnement satisfaisant est le réglage de la tension d'excitation et par suite des forces d'attraction de manière à maintenir l'entrefer à l 'intérieur d'une gamme choisie à l'avance. Les conducteurs désignés par un nombre de référence pair sont excités lorsque le déplacement s'effectue dans l'une ou l'autre des directions, tandis que les conducteurs désignés par les nombres de référence impairs ne sont pas excités. Lorsque la direction du déplacement est inversée, c'est-à-dire au point mort, l'excitation est fournie aux conducteurs de nombre impair, tandis que les conducteurs de nombre pair ne sont pas excités, et ainsi de suite. D'une manière plus détaillée, lorsque le déplacement du coulisseau tend à diminuer les entrefers 16 et 18, un courant électrique d'excitation I passe par le conducteur 20 dans un sens et dans le conducteur 22 en sens inverse. Le courant dans les conducteurs 20 et 22 engendre des champs magnétiques dont la figure 2 représente en traits interrompus les lignes de force , 31 et 32 avec les flèches correspondantes indiquant leurs directions dans le>sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse comme on le voit sur le dessin. Les champs magnétiques qui s'écoulent à travers les entrefers provoquent l'attraction entre elles des surfaces d'entrefers qui se font vis-à-vis. La force d'attraction entre ces surfaces est fonction de l'intensité du courant d'excitation I et de l'épaisseur de 1' entrefer si cet entrefer est petit par rapport à la surface. La force d'attraction FA qui agit sur chaque élément de ces surfaces est perpendiculaire à la surface de l'élément concerné, comme on le voit sur la figure 3. Chacun des éléments de surface est incliné par rapport àl'axe central 12 et est écarté de cet axe 12. La force FA qui agit sur l'élément de surface du rotor se décompose en une force FR agissant dans la direction de l'axe 12 et une force FN perpendiculaire à cet axe 12. Les couples relatifs aux forces FN qui concernent tous les éléments de surface précités sont combinés en un couple d'entraînement M qui agit sur le rotor à s o n t o u r e n t r a fn é en mouvement à une vitesse angulaire C.. Les forces FR qui intéressent tous les éléments de surface précités sont combinées en une force qui équilibre la poussée F agissant sur le coulisseau, La puissance ou l'énergie vF qui est associée au déplacement du coulisseau est transformée en une énergie M.") associée au mouvement de rotation. Le transfert de l'entraînement du coulisseau au rotor se produit sous l'action des champs magnétiques. Il ressort de la description précitée que l'appareil conforme à l'invention présente un avantage manifeste à raison du fait que le transfert d'entratnement intervient entre des pièces en déplacement qui ne sont pas en contact l'une avec l'autre et qui ne sont pas séparées par un fluide lubrifiant quelconque, de telle sorte que les pertes dues au frottement et l'usure des pièces précitées sont virtuellement éliminées de s o rt e que l'on p e ut obtenir un rendement élevé. Sur la figure 3 le développement sur une surface plane des filets de vis 112, 113 142 et 143 fait apparaltre que la disposition des filets de vis permet le glissement mutuel quand le coulisseau se déplace dans la direction de son axe central et lorsque le rotor tourne dans un plan perpendiculaire à cet axe. L'aménagement d'un entrefer entre chaque filet du coulisseau et chaque filet du rotor permet la réalisation d'un déplacement sans frottement entre les surfaces correspondantes du coulisseau et du rotor, ce qui constitue des avantages caractéristiques de la présente invention. Un mode de réalisation préféré de la présente invention va être décrit ciaprès en se référant aux directions des champs magnétiques qui agissent entre le coulisseau et le rotor. Les directions des champs magnétiques autour des conducteurs 20 et 22 sont opposées pour empêcher qu'une fraction importante du flux magnétique engendré par le courant I soit reliée à la fois aux conducteurs 20 et 21 et puisse s'écouler à travers les entrefers 16 et 18 en engendrant une attraction indésirable entre les surfaces qui définissent les entrefers 16 et 18 précités. Il est clair en conséquence qu'il est avantageux de munir le dispositif conforme à l'invention d'un nombre de filets égal à deux ou à un autre nombre pair pour chaque pas du filetage du coulisseau et par conséquent de deux ou d'un autre nombre pair de filets pour chaque pas du rotor. Ce mode de réalisation préféré et particulier permet aux conducteurs appartenant aux filets adjacents du rotor d'être traversés par des courants d'excitation s'écoulant dans des directions opposées. La force magnétomotrice entre les surfaces séparées par les entrefers 16 et 18 est sensiblement négligeable de telle sorte que toute liaison entre les champs magnétiques et les conducteurs de deux ou de plus de deux filets adjacents se trouve interdite ce qui évite l'apparition de forces indésirables. Il est possible, tout en restant dans le domaine d'application de la présente invention, de réaliser le dispositif avec un seul filet pour le coulisseau et un seul filet de vis pour le rotor ou avec un nombre impair de filets de vis pour le coulisseau et d'une manière correspondante également pour le rotor. Ce mode de réalisation permet aussi bien d'assurer le fonctionnement du dispositif mais ne donne pas les avantages inhérents au mode de réalisation préféré. On doit plus particulièrement prendre en ligne de compte les forces indésirables dues au flux magnétique qui s'écoule à travers chaque entrefer dont l'épaisseur tendrait à diminuer sous l'effet du mouvement alternatif imparti au coulisseau. Ces forces indésirables peuvent être réduites par des dispositifs classiques et plus particulièrement par des courants ayant des directions et des intensités appropriées et appliqués aux conducteurs disposés dans les cavités des entrefers qui tendent à être diminués et/ou en contrôlant les largeurs de l'entrefer de-telle sorte qu'un entrefer qui tend à di- minuer sous l'effet du mouvement imparti, a une largeur sensiblement plus grande que celle de l'entrefer qui tend à s'élargir pour offrir une réluctance sensiblement supérieure à l'écoulement du flux magnétique indésirable. Dans chaque mode de réalisation le courant d'excitation est envoyé aux conducteurs du rotor par des dispositifs classiques et est réglé en fonction de la distance entre les surfaces et de l'amplitude de l'énergie à transformer. Le mode de régulation doit être tel que les forces dues aux champs magnétiques soient à tout moment telles qu'elles équilibrent la force F agissant sur le coulisseau par l'entraînement en rotation du rotor sous l'action d'un couple M et à une vitesse angulaire G>, - de manière à mettre en oeuvre la relation Fv=MCG, qui montre l'équilibre entre les énergies instantanées qui définissent les mouvements du coulisseau et du rotor, Dans la mesure o on peut obtenir une vitesse angulaire C^) relativement élevée on peut, d'une manière convenable, transformer l'énergie associée au mouvement du rotor en énergie électrique par des machines classiques entraînées par ce rotor. La description qui a été faite ci-dessus en se référant au déplacement du coulisseau qui tend à réduire les entrefers 16 et 18 et en se référant aux conducteurs 20 et 22 peut être répétée telle quelle en se référant au déplacement du coulisseau dans la direction opposée qui tend à réduire les entrefers 15 et 17, et en se référant aux conducteurs 21 et 23. Ainsi, le transfert de l'entraînement mécanique - 2493925 du coulisseau au rotor se produit indépendamment de la direction du déplacement du coulisseau. Dans la mesure o les champs magnétiques doivent varier de telle sorte que l'on puisse obtenir l'équilibre des forces, *une condition préférentielle est que les pièces de la machine qui sont les plus exposées à de telles variations soient réalisées en un matériau électriquement non conducteur, ou, si l'on doit utiliser un matériau conducteur, ce matériau doit se présenter sous une forme feuilletée ou être conformé de manière à s'opposer aux courants de Foucault ou aux courants parasites. Evidemment, une exception est repré- sentée par les enroulements électriques destinés à donner naissance aux champs magnétiques. Dans la description et sur les dessins annexés on a donné aux filets de vis dans un but de simplification un contour rectangulaire et on a montré un enroulement unique le long des filets hélicoïdaux. Le contour extérieur des filets, la disposition ainsi que le nombre des conducteurs chargés de l'excitation peuvent varier dans la pratique à l'intérieur d'une large gamme sans s'écarter de l'esprit de l'invention. La description précitée a été faite en se référant au cas dans lequel le coulisseau est constitué par un corps analogue à vis disposé à l'intérieur de la machine et qui est capable de subir un mouvement de translation libre sans pouvoir tourner, tandis que le rotor est conçu comme un corps du type "écrou" qui est disposé à l'extérieur et qui, inversement, est libre de tourner mais ne peut pas prendre un mouvement de translation. On peut en conséquence mettre en oeuvre la présente invention suivant les types opposés, en attribuant ainsi la fonction du rotor au corps analogue à une vis et en le fixant de manière à lui permettre de tourner librement mais en lui interdisant un * mouvement de translation, tandis qu'on attribue la fonction du coulisseau au corps du type écrou qui, inversement, peut subir une translation mais ne peut pas tourner. On peut introduire les conducteurs d'excitation dans les filets de la vis ou dans les filets de l'écrou suivant des critères de construction de nature mécanique ou électrique. Dans l'application du dispositif conforme à l'invention à l'utilisation de l'énergie d'un mouvement ondulatoire, on peut relier le coulisseau à un flotteur auquel le mouvement ondulatoire imprime des déplacements et des impulsions dans le sens vertical suivant une forme sinusoïdale en sychronisme au moins en première approximation. Les portées des paliers du rotor peuvent être reliées à une structure d'ancrage fixe. L'énergie ou la puissance disponible pour le mouvement oscillatoire varie continuellement e n synchronisme. Dans le mouvement ascendant la poussée sur le flotteur est exercée par l'onde elle-même. Lorsque le point mort haut est atteint, le mouvement et la poussée s'inversent et l'assemblage du flotteur et du coulisseau descend sous l'action de la gravité jusqu'au point mort bas. Les dynamiques du système obéissent aux lois connues des corps soumis au mouvement ondulatoire et fixés à des pièces d'ancrage. En outre, l'énergie disponible pour la transformation en fonction de la forme, des dimensions, de l'ancrage et du positionnement du flotteur et en fonction des conditions de la mer, est aussi connue. Le dispositif ainsi décrit permet, sur la base de ce qui précède, de transformer l'énergie mécanique disponible en une énergie associée à un mouvement de rotation avec un rendement élevé. Les pertes de puissance ou d'énergie sont sensible- ment celles qui sont dues au frottement du coulisseau dans ses glissières, au frottement de roulement des paliers du rotor et aux courants d'excitation dans les enroulements. Ces pertes sont inférieures à 10 % de l'énergie transformée, tandis que les pertes de transformation correspondantes dans un système pneumatique ou hydraulique ou travaillant avec un fluide constitué par de l'huile dépassent 20 %. Pour la même énergie ou puissance produite, la machine décrite permet en conséquence d'obtenir un perfectionnement sensible sur le rapport entre l'énergie produite et le coût total du système de flotteurs et d'assemblages d'ancrage pour l'utilisation de la puissance ou de l'énergie du mouvement ondulatoire. Avec une force de 60 N/cm2 sur les surfaces séparées des entrefers, la puissance de pointe transférée est supérieure à W par kilogramme de poids du dispositif: une machine susceptible de transformer 100 kW a un poids de 500 kg. il Revendications 1. Dispositif électrique pour transformer l'énergie (ou la puissance) mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, dispositif caractérisé par le fait qu'il comprend: * un corps cylindrique dont la surface cylindrique extérieure p o r t e un ou plusieurs filets parallèles ayant un contour hélicoidal sur une partie appréciable de sa longueur; * un corps pourvu d'une cavité cylindrique qui contient et porte àson intérieur un filet de vis complémentaire à celui du corps cylindrique p ré ci té, les deux corps étant disposés coaxialement l'un à l'intérieur de l'autre à la manière d'une vis et d'un écrou mais sans contact entre eux c'est-à-dire présentant un écartement sensible qui constitue un entrefer magnétique maintenu entre les filets disposés face à face; * un ou plusieurs conducteurs disposés dans les cavités ménagées dans la surface, conducteurs qui ne sont pas parallèles à l'axe des corps cylindriques,d'au moins un des filets, ces cavités ayant une forme hélicoïdale qui correspond à celle des filets sensiblement s ur la totalité d e leur longueur; lesdits conducteurs disposés à l'intérieur de ces cavités étant isolés électriquement desdites cavités et conduisant les courants d'excitation qui créent les champs magnétiques. 2. Dispositif électrique pour transformer l'énergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que: le corps cylindrique intérieur est fixé à des glissières qui permettent son déplacement alternatif rectiligne le long de l'axe du cylindre tout en empêchant la rotation autour du même axe et il constitue le coulisseau relié au corps animé d'un mouvement alternatif rectiligne et dont l'énergie doit être transformée le corps cylindrique creux est relié à des p al i e r s de telle sorte qu'il puisse tourner autour de son axe central nmais des déplacements de translation lui sont interdits le long dudit axe et il constitue le rotor qui est relié à la machine rotative de trav ail. 3. Dispositif électrique pour transformer 'énergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé-par le fait que: le corps cylindrique creux disposé à l'intérieur est fixé 0 à des paliers qui permettent son mouvement de rotation autour de son axe mnais nullement une translation quelconque le long dudit axe et il constitue le rotor qui est relié à la machine de travail le corps cylindrique creux est fixé à des guides qui permettent son mouvement alternatif rectiligne le long de l'axe du cylindre mais empachent la rotation autour de cet axe et il constitue le coulisseau qui est relié au corps animé d'un mouvement alternatif rectiligne. 4. Dispositif électrique pour transformer l'énergie 0 mécanique associée à un déplacement"alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation,suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les filets de vis sont en nombre pair à la fois pour le coulisseau et - pour le rotor. 5. Dispositif électrique pour transformer l'énergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en une énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, suivant l'une d e s - revendications précédentes, caractérisé par le fait que -les conducteurs sont disposés dans des cavités ménagées dans les filets de vis du coulisseau. 6. Dispositif électrique pour transformer l'énergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, suivant 1 ' u n e d e s revendications précédentes, caractérisé par le fait que les conducteurs sont disposés dans des cavités ménagées dans les filets de vis du rotor 7. Dispositif électrique pour transformer l'énergie m 1 ' u n e d e s - revendications précédentes, caractérisé par le fait que des courants d'excitation sontenvoyés aux conducteurs logés dans les cavités dont l'ouverture est orientée vers l'entre- ] 0 fer dont la largeur tend à, augmenter à raison du déplacement du coulisseau par rapport au rotor et vice versa. 8. Dispositif électrique pour transformer l'énergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, suivant 1 ' u n e d e s revendications précédentes, caractérisé par le fait que les courants instantanés d'excitation envoyés aux conducteurs actifs adjacents sont dans des directions opposées lorsque les filets de vis du coulisseau et du rotor, respectivement, sont en nombre pair. 9. Dispositif électrique pour transformer l'énergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, suivant 1 ' u n e d e s revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'attraction entre les filets de vis qui se font face est réglée en faisant varier l'intensité du courant d'excitation. 10. Dispositif électrique pour transformer l'énergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, suivant 1 ' u n e d e s revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'intensité du courant d'excitation est réglée en fonction directe de la largeur de l'entrefer qui doit être maintenu sensiblement constant. ] l. Dispositif électrique pour transformer l'énergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, suivant 1 ' u n e d e s revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'intensité du courant d'excitation est réglée en fonction directe de l'énergie à transformer. 12. Dispositif électrique pour transformer]'(-nergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie m-écanique associée à un mouvemnent de rotation, suivant 1 ' u n e d e s - revendications précédentes, caractérisé par le fait que les filets de vis sont réalisés en un matériau ferroma gnéti que. 13. Dispositif électrique pour transformer l'énergie nmébanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie nmécanique associée à un mouvement de rotation, suivant 1 ' u n e d e s revendications précédentes, caractérisé par le fait que les corps qui portent les filets de vis sont réalisés en un matériau non ferromagnétique. 14. Dispositif électrique pour transformer l'énergie mécanique associée à un déplacement alternatif rectiligne en énergie mécanique associée à un mouvement de rotation, suivant 1 ' u n e d e s revendications précédentes, caractérisé par le fait que les pièces ré alis'é es en un matériau conducteur électriquement sont sensiblement soumises aux champs magnétiques engendrés par les courants d'excitation, à l'exception des con- ducteurs électriques d'excitation qui présentent une structure feuilletée et/ou une structure équivalente pour empêcher l'apparition de courants de Foucault. Pour M. A. CASALONGA P. RAGUIN