Brevet FR2509100A1 — publié le 19830107

La présente invention concerne la production d'électricité par impulsion magnétique. On expliquera tout d'abord les principes et faits expérimentaux sur lesquels l'invention est basée, et l'on se reportera pour cela aux figures 1 à 9 annexes. Comme le montre la figure 1, si l'on présente devant lun des piles d'un aimant droit 10 un barreau en fer 12, on constate que le champ magnétique inducteur du pôle considéré (N) engendre dans ledit barreau de fer un champ magnétique induit caractérisé par une faible composante longitudinale, non représentée, et par une composante radiale très importante qui se distribue sur toute la surface du barreau. Cette répartition peut etre matérialisée au moyen de limaille de fer. On peut détecter d'autre part, au moyen dtun petit aimant 16 la création d'une double couche magnétique sur toute la surface du barreau. Dans le cas de la figure 1 où le barreau 12 est en contact du pôle nord N de l'aimant 10, si l'on présente le pôle Nord de l'aimant 16 à une certaine distance de la surface du barreau 12, il subira une répulsion, alors qu'il subira une attraction stil est amené au contact du barreau. En explorant le champ avec le pôle Sud du petit aimant 16, on constate les actions inverses, à savoir quil y a attraction en un point éloigné de la couche superficielle et répulsion au contact de celle-ci. I1 en résulte que la couche superficielle de l'aimant droit 12 a une polarité Sud et que la couche périphérique a une polarité Nord. La matérialisation des lignes de force par la limaille de fer, permet de faire les constatations suivantes illustrées par les figures 2a, 2b, 2c - Si l'on approche du p81e inducteur de l'aimant 10, des bouts de fer de formes différentes, par exemple sphE4que 18, parallélépipédique 20 ou prismatique 22, les lignes de force sont en tout point normales à la surface. - Les lignes de force ne sont jamais fermées sur elles-mômes. - Les lignes de force sont plus serrées aux points de discontinuité de la surface, c'est-à-dire aux arêtes. Aussi, sur un matériau ferromagnétique, le mode de distribution des lignes de force dépend de la forme du matériau. On note donc une analogie frappante avec la distribution des charges électriques sur un conducteur soumis à un champ électrostatique. Lorsqu'on excite un anneau en fer 24 en mettant en contact sa surface extérieure avec un pôle d'un aimant droit 10 (figure 3), on constate qu'une double couche magnétique se forme sur ladite surface extérieure, et que l'anneau forme écran magnétique vis-à-vis de l'intérieur. Par contre, si lton excite par influence ltanneau 24 au moyen d'un barreau de fer rond 26 (figure 4) en contact avec un aimant droit, non représenté, la double couche magnétique dudit barreau est transmise, avec des polarités inverses, à la face interne de ltannequ et, avec des polarités de môme sens, à la face externe de l'anneau. C'est le principe du blindage utilisé pour accroître l'intensité des lignes de force induites par le barreau de fer intérieur 26. La figure 5a montre deux barreaux en fer 12, 12' excités séparément par des pôles de polarités différentes de deux aimants droits 10, 10'. Chacun de ces barreaux est le siège de lignes de force radiales ayant les polarités indiquées sur la figure 5a. Si l'on met en contact les deux systèmes en mettant les barreaux bout à bout (figure 5b), les lignes de force radiales basculent en sens inverse sur chaque barreau, de sorte qu'elles deviennent longitudinales et orientées dans le même sens. On obtient ainsi un champ uniforme. Les figures 6a à 6d illustrent le sens de basculement des lignes de force induites sur le barreau de fer 12 au moment où l'on approche celui-ci du pôle excitateur 10. On constate que les lignes de force basculent toujours dans le sens contraire du sens du mouvement, ce qui peut etre considéré comme étant une réaction de la matière ferromagnétique du barreau à l'action excitatrice. Cette réaction existe dans toute matière ferro ou paramagnétique, et elle est plus accentuée dans les matières ferromagnétiques en raison des électrons libres 3d contenus dans la couche voisine de la couche superficielle des atomes. Si on place une spire conductrice 28 autour du barreau de fer 12 (figure 7), au moment du basculement des lignes de force induites lors du déplacement du barreau, ou assiste à la naissance dans la spire 28 d'un courant électrique i. Les directions du champ B, du déplacement relatif d de la spire, et du sens de circulation du courant i obéissent à la règle du bonhomme d'Ampère. De la mdme façon que le barreau de fer 12 réagit à l'action du champ inducteur B, la spire 28 répond au meme phénomène de réaction en engendrant un champ magnétique b auto-induit qui, par réaction, prend la mdme polarité que le champ B, d'où la sensation de répulsion visqueuse. Le champ magnétique auto-induit b équivaut à la force de Laplace qui est en effet une réaction à faction motrice, ctest-à-dire la force résistante. Si l'on remplace l'aimant inducteur par un solénoïde 30 alimenté en courant continu i (figure 8) et si l'on dispose dans ltaxe du solénoïde un barreau de fer 12, celui-ci sera attiré par la composante longitudinale du champ magnétique inducteur du solénoide et s'immobi- lisera lorsque son centre géométrique 32 sera confondu avec celui 34 du solénoide (figure 9). L'exploration du champ magnétique induit sur les parties externes du barreau de fer 12 montre que les lignes de force magnétiques se répartissent radialement selon les sens respectifs des polarités du solénoïde inducteur. On pourrait aussi bien rendre le barreau de fer immobile, et laisser le solénoïde libre de mouvement. Le solénoïde se déplacerait alors dans le sens inverse du barreau de fer et s'immobiliserait au centre du barreau. Si à la place dtun barreau de fer on présente une bille en fer devant l'axe du solénoide, celle-ci sera attirée et immobilisée au centre du solénoïde, contre la paroi interne à cause des forces de répulsion radiales qui subsistent à l'intérieur du solénoïde. Il se produit, lors de l'équilibre du système solénoïde barreau de fer, une répartition des lignes de force induites, telles que l'immobilisation est due surtout aux répulsions exercées entre les lignes de force du champ excitateur et les lignes de force du champ induit de même signe que le pôle inducteur. La présente invention met en oeuvre les phénomènes qui viennent entre expliqués et concerne plus précisément une machine électrique qui se caractérise en ce qu'elle comprend au moins une bobine inductrice alimentée en courant continu, au moins une bobine induite et au moins un noyau magnétique feuilleté monté dans l'axe desdites bobines. Dans une variante de réalisation appliquée à la réalisation d'un alternateur statique, la machine comprend une bobine centrale inductrice alimentée en courant continu par une source qui débite en circuit fermé par l'intermédiaire d'un contacteur rotatif actionné par un moteur, et deux bobines induites disposées de part et d'autre de la bobine inductrice et connectées en série avec deux bornes de sortie, la bobine inductrice et les bobines induites étant fixées sur un noyau feuilleté commun. Lorsque le contacteur se ferme, la bobine inductrice est alimentée et elle crée un champ magnétique inducteur ayant un sens déterminé par le sensdu courant d'alimentation. Les lignes de force magnétiques induites sur le noyau basculent, de sorte que les bobines induites engendrent un courant variable en intensité avec la polarité électrique correspondante et qui représente une alternance pour un demi-tour du contacteur rotatif. Pour l'autre demi-tour, on obtient l'autre alternance. Le principe de l'invention peut être utilisé pour la réalisation de machines électriques de tout type, par exemple d'un générateur de courant par mouvement alternatif du noyau, d'un moteur linéaire à translation alternative, d'un compresseur d'air électromagnétique ou encore d'un alternateur rotatif à champ magnétique pulsatoire comme on le décrira en détail par la suite. D'autres avantages ét caractéristiques de l'invention seront décrit à présent à titre d'exemples non limitatifs en regard des dessins annexés dans lesquels Les figures 10 à 12 représentent trois phases successives de fonctionnement d'un alternateur statique selon l'invention La figure 13 est une vue en coupe longitudinale d''an générateur de courant par mouvement alternatif du noyau La figure 14 montre un moteur linéaire à translation alternative construit selon le principe de l'invention Les figures 15 et 16 sont des schémas illustrant deux phases successives de fonctionnement du moteur de la figure 14 La figure 17 représente une vue en coupe d'un compresseur d'air électromagnétique à piston double effet, utilisant le principe de l'invention Les figures 18 et 19 représentent deux phases successives de fonctionnement d'un pôle d'alternateur rotatif à champ magnétique pulsatoire La figure 20 est une vue en coupe radiale d'un tel alternateur rotatif ; et La figure 21 est une vue en coupe suivant la ligne XXI - XXI de la figure 20. Avec référence aux figures 10 à 12,l'alternateur statique comprend une bobine centrale inductrice 40 alimentée en courant continu par une source de courant E par l'intermédiaire d'un contacteur rotatif 44 entraîné par un petit moteur à vitesse variable, non représenté, deux bobines induites 46, 48 disposées de part et d'autre de la bobine centrale et connectées en série entre elles et avec deux bornes de sortie S1, S2, et un noyau feuilleté commun 54 aux trois bobines. Les bobines induites sont enroulées dans le môme sens et la bobine inductrice est enrourée dans le sens contraire de celui des bobines induites. Lorsque le contacteur rotatif 44 est dans la position ouverte montée sur la figure 10, le système est inopérant. Dès qu'il se ferme (figure 11), la bobine inductrice 40 est alimentée et elle engendre un champ magnétique inducteur H ayant le sens représenté sur la figure 11. Les lignes de force magnétiques b induites sur le noyau 54 basculent dans le sens des flèches f, de sorte que les bobines induites 46 et 48 engendrent un courant i variable en intensité avec un signe correspondant et qui représente une alternance pour un demi-tour de contacteur rotatif 44. En raison du sens d'enroulement des spires sur les bobines induites, les courants i sur ces bobines s'ajoutent et sont recueillis aux bornes S1, S2. Lorsque le contacteur 44 a tourné encore d'un quart de tour, l'alimentation de la bobine inductrice 40 est interrompue, et les lignes de force magnétiques B basculent dans le sens inverse, engendrant un courant variable i de signe opposé, qui représentera la deuxième alternance de la sinusoïde du courant alternatif débité par les bobines induites figure 12. La fréquence du courant est fonction de la vitesse du contacteur rotatif. On notera qutil existe une fréquence de résonance, fonction du matériau dans lequel est réalisé le conducteur des spires des bobines induites. Pour augmenter l'intensité du champ magnétique induit, il est nécessaire de coiffer les bobines induites par des blindages en acier doux. La figure 13 représente un générateur de courant qui se distingue du précédent par le fait que - les bobines induites 46, 48 sont entourées par des blindages 56, 58 en fer doux, - ledit noyau est solidarisé en mouvement de la bolide inductrice 40 par tout moyen approprié, schématisé par 60, mais coulisse librement dans les bobines induites 46, 48. - le contacteur rotatif est éliminé, mais le noyau 54 est entratné en mouvement alternatif de vaet-vient selon son axe, par l'intermédiaire d'un système mécanique à bielle 62 et manivelle 64. Ainsi, le noyau transporte dans son mouvement les lignes de force magnétiques radiales induites, qui coupent toutes les spires des bobines induites. Le courant ainsi engendré dans ces dernières change de sens avec le sens du mouvement du noyau. Toute pièce métallique en mouvement alternatif peut dtre munie d'une bobine mobile inductrice solidaire de ladite pièce. Sa partie fixe, qui peut être par exemple un cylindre de compresseur, Si elle est munie dtune bobine fixe, peut donc constituer un alternateur élémentaire. La figure 14 représente un moteur linéaire à translation alternative. Ce moteur comporte comme dans le cas de l'alternateur de la figure 13, une bobine centrale inductrice 40 et deux bobines induites 46, 48. La seule variante par rapport à l'alternateur réside dans le fait que la bobine inductrice est montée coulissante librement sur le noyau, alors que les bobines induites sont solidarisées du noyau, par des moyens schématisés par 66 et 68. Le noyau joue alors le rôle de rail pour la bobine inductrice 40 qui peut être munie dtun moyen de préhension 70 pour le transport d'une charge. Les bobines induites 46, 48 sont alimentées alternativement à partir dtune source E de courant continu, par l'intermédiaire d'un contacteur-inverseur 72. La bobine inductrice 40 est alimentée en permanence en continu par la source E par l'intermédiaire d'un rhéostat 74 dont le rôle est de régler l'intensité du champ magnétique inducteur et donc la vitesse de déplacement de la bobine inductrice. Lorsque le contacteur-inverseur 72 est commuté sur la position pour laquelle la bobine induite 46 est alimentée (figure 15), il se produit une répulsion entre deux champs magnétiques de même polarité, lun radial, induit sur le noyau rail 54 par la bobine 46 et l'autre par la bobine coulissante 40. Celle-ci se déplace-donc dans le sens de la flèche f sur la figure 15. Si c'est la bobine 48 qui est alimentée (figure 16X la bobine coulissante 40 se déplacera en sens inverse de la flèche f. Le compresseur drain représenté à la figure 17 est basé sur le.phénomène déjà expliqué à propos des figures 8 et 9 à savoir qu'un barreau en fer doux est "avalé" par la bobine excitatrice jusqu'à ce que les deux centres géométriques du barreau et de la bobine coincident. Le compresseur comprend deux bobines inductrices 76, 78 traversées par un noyau de fer doux 80, dont les extrémités, équipées de joints d'étanchéité 82, coulissent dans des cylindres de piston 84, 86. Chacun de ces derniers est muni d'un clapet d'aspiration 88 et d'un clapet de refoulement 90 montés en opposition. Les cylindres 84, 86 avec les bobines 76, 78 forment le bâti immobile du compresseur et le noyau piston forme l'organe mobile. Une source de courant continu E débite, à travers un contacteur rotatif 92, entraîné par un micromoteur, alternativement dans la bobine 76 ou dans la bobine 78 engendrant ainsi le mouvement alternatif du noyau piston 80. Lorsque la bobine 76 est excitée, le centre O du noyau se déplace jusqu'à coincider avec le centre A de la bobine, créant ainsi la phase de compression dans le cylindre 84 et la phase d'aspiration dans le cylindre 86. Lorsque le contacteur 92 permet l'alimentation de la bobine 78, le mouvement est inversé : le centre O du noyau se déplace jusqussà coïncider avec le centre B de la bobine : le cylindre 86 est en phase de compression et le cylindre 84 est en phase d'aspiration. Les conduits de refoulement 94, 96 reliés aux cylindres 84, 86 sont connectés à un conduit collecteur 98. On réalise ainsi le plus petit compresseur que lon puisse imaginer puisque tout le système mécanique dtentratnement et de transmission, comprenant l'arbre moteur, la mm"ivelle, la bielle et le carter, est éliminé. La force de rappel du noyau peut être estimée supérieure à 106 N/m2 pour une induction de 1,6 Wb/m2. Bien entendu, le débit du compresseur est fonction de la vitesse de rotation du contacteur rotatif. Le phénomène qui est à la base de l'invention peut Store appliqué à la réalisation d'un alternateur rotatif à champ magnétique pulsatoire, illustré sur les figures 20 et 21. Sur l'arbre 100 de l'alternateur sont fixées deux bobines inductrices rotatives 102, 104, diamètralement opposées et munies de noyaux en fer doux 106, 108. Ces bobines inductrices se déplacent en regard d'une pluralité de bobines induites fixes, (huit dans le cas de la figure 20) 110 à 124,diamètralement oppose deux à deux et uniformément réparties autour d'une carcasse 126. Chacune des bobines induites. comporte un noyau en fer doux 128 et est entouri d'un blindage 130 en acier doux destiné à augmenter l'inten- sité du champ magnétique induit. Les bobines induites sont toutes connectées en série et le courant alternatif produit par l'alternateur=est connecté aux bornes de sortie S1, S2 L'arbre 100 de l'alternateur est accouplé à un arbre moteur 132 et porte deux bagues 134, 136 pour lealimentation Ees bobines inductrices 102, 104. Le fonctionnement de lalternateur sera expliqué en regard des figures 18 et 19. Chaque fois que le noyau d'une bobine inductrice mobile .102 se présente devant le noyau d'une bobine induite 122 (figure 18), elle crée un champ magnétique radial dans le noyau de ladite bobine induite et donc une force électromotrice induite variable qui représente une alternance du courant induit. Lorsque le noyau de la bobine inductrice 102 quitte cette position (figure 19), le basculement du champ magnétique induit provoque l'apparition dans la bobine induite 122 d'une force électromotrice de sens contraire et qui représente la deuxième alternance du courant induit. Ainsi, la bobine inductrice provoque, au passage devant le noyau de la bobine induite, un champ magnétique pulsatoire, ctest-à-dire qui change de signe alternativement. Le sens de rotation de l'inducteur n'a aucune importance puisque le mouvement alternatif des lignes de force magnétiques induites est le même. Le travail résistant est constitué par la force d'attraction qui se crée entre les deux noyaux inducteur et induit. On notera qu'il nty a pas de réaction d'induit puisqu'il ny apasde couple moteur résistant. Ce générateur ne peut donc pas fonctionner-en moteur. Le flux magnétique est représenté par l'induction créée et par la surface totale du noyau induit, de sorte que tous les brins de induit sont actifs. Dans le cas des figures 20 et 21, les forces électromotrices induites s'additionnent et sont recueillies aux bornes de sortie S1 S2. La carcasse 126 est en matériau amagnétique, par exemple en matière plastique. L'absence d'un circuit magnétique fermé représente un gain important en poids ainsi qu'un gain résultant de l'absence de courant de Poucault dans ce meme circuit en hystérésis tournante. La fréquence du courant produit est naturellement fonction de la vitesse de rotation de l'inducteur ainsi que du nombre de bobines inductrices homopolaires. REVENDICATIONS 1.- Machine électrique, caractériséeen ce qu'elle comprend au moins une bobine inductrice alimentée en courant continu, au moins une bobine induite et au moins un noyau magnétique feuilleté monté dans l'axe desdites bobines. 2.- Machine électrique selon la revendication 1, fonctionnant en alternateur statique, caractérisée en ce qu'elle comprend une bobine centrale inductrice (40) alimentée en courant continu par une source E qui débite en circuit fermé par l'intermédiaire d'un contacteur rotatif (44) actionné par un moteur, et deux bobines induites (46, 48) disposées de part et d'autre de la bobine inductrice et connectées en série avec deux bornes de sortie, la bobine inductrice et les bobines induites étant fixées sur un noyau feuilleté commun(54). 3.- Machine électrique selon la revendication 1, fonctionnant en alternateur dynamique linéaire, caracterisée en ce qu'elle comprend une bobine inductrice (40) alimentée en permanence en courant continu, deux bobines induites (46, 48) montées en série repart et d'autre de la bobine inductrice, un noyau mobile en fer doux (54), commun aux trois bobines, et entratné en mouvement alternatif de va-et-vient par un mécanisme d'entrainement approprié (62, 64), ledit noyau étant solidarisé en mouvement de la bobine inductrice, et coulissant librement dans les bobines induites (figure 13). 4.- Machine électrique selon la revendication 1, fonctionnant en moteur linéaire, caractérisée en ce qu'elle comporte une bobine centrale inductrice(40) alimentée en permanence en courant continusdeux bobines induites (46, 48) alimentées alternativement en courant continu par l'intermédiaire d'un contacteur-inverseur (72), et un noyau fixe en fer doux (54), commun aux trois bobines, et sur lequel les deux bobines induites sont fixées et la bobine inductrice est montée coulissante, celle-ci étant éventuellement munie de moyens de préhension de charge (70) (figure 14). 5.- Machine électrique selon la revendication 1, fonctionnant en compresseur électromagnétique à piston à double effet, caractérisée en ce quelle comprend deux bobines inductrices immobiles (76, 78), montées en série et dans lesquelles est monté coulissant un noyau en fer doux commun (80), les extrémités de ce dernier étant montées coulissantes avec étanchéité dans des cylindres de piston (84, 86) présentant chacun une ouverture d'admission et une ouverture de refoulement munies de clapets montés en opposition, une source de courant E débitant, avec un contacteur rotatif (92), alternativement dans la bobine (76) ou dans la bobine (78) (figure 17). 6.- Machine électrique selon la revendication 1, fonctionnant en alternateur rotatif à champ magnétique pulsatoire, caractériséeen ce qu'elfe comporte au moins une paire de bobines inductrices rotatives (102, 104), fixées radialement sur un arbre tournant (100) et munies de noyaux en fer doux (106, 108), et une pluralité de bobines induites fixes (110 à 124) diamétralement opposées deux à deux et uniformément réparties autour de la carcasse (126) de la machine, lesdites bobines induites étant munies de noyaux en fer doux radiaux (128) et étant connectées en série à deux bornes de sortie (figure 20).