Brevet FR2499329A1 — publié le 19820806

La présente invention concerne un dispositif électrique convenant principalement pour produire un mouvement alternatif de va et vient. L'invention a pour but de fournir un dispositif électrique qui comprend au moins deux électro-aimants, un plongeur monté de façon à exécuter un mouvement alternatif relatif entre les électro-aimants et des moyens de commande pour exciter de façon répétée et alternée les électro- aimants de telle sorte que le champ électromagnétique résul- tant qui agit sur le plongeur provoque un mouvement alter- natif de celui-ci par rapport aux électro-aimants. De préférence les électro-aimants sont espacés et alignés axialement et le plongeur exécute un mouvement axial en ligne droite entre les électro-aimants. La longueur de la course du plongeur peut être limitée pour faire en sorte que le flux électromagnétique soit maintenu relativement grand. En conséquence le plongeur peut à tous moments être placé au moins en partie à l'intérieur de chaque électro-aimant. Si par exemple les électro-aimants sont espacés l'un de l'autre, le plongeur peut comprendre un premier et un second noyau qui sont chacun placés au moins en partie dans l'électro-aimant respectif. Chaque électroaimant peut comprendre au moins une bobine entourant un mandrin, qui peut être partiellement formé d'un matériau magnétique. Pour augmenter le flux du champ magnétique produit par la bobine, on peut utiliser une ou plusieurs bobines supplémentaires placées autour du mandrin et reliées de manière que les champs magnétiques respectifs soient orientés dans le même sens. Les bobines peuvent être connectées électriquement en série ou de préférence en parallèle. La ou les bobines peuvent être enfermées au moins en partie dans un bottier en matériau magnétique. Le dispositif selon l'invention peut, par mouve- ment mécanique du plongeur, être utilisé pour engendrer de l'électricité. Il convient cependant très bien pour la production d'un mouvement alternatif de longueur de course désirée et à une fréquence sélectionnée. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le dispositif peut être utilisé d'une manière particulièrement avantageuse pour entraîner une pompe alternative, par exemple une pompe de trou de forage, et l'invention est destinée à couvrir un ensemble de ce type o la pompe est de préférence fixée mécaniquement sur le dispositif afin de former une unité compacte. Selon un autre aspect, rentrant également dans le cadre de la présente invention, un ou plusieurs des disposi- tifs selon l'invention sont accouplés de façon appropriée pour produire un mouvement de rotation. Ce résultat peut être obtenu par exemple à l'aide d'une manivelle. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la fig. 1 est une vue en coupe latérale d'un dispositif conforme à l'invention, la fig. 2 est un schéma du circuit du dispositif de la fig. 1 et de son circuit de commande, les fig. 3 et 4 montrent différentes applications possibles du dispositif selon l'invention, et la fig. 5 représente une partie d'un agencement servant à extraire une énergie résiduelle du dispositif selon l'inven- tion. La fig. 1 représente un dispositif électrique conforme à l'invention, qui comprend dux électro-aimants 10, 12 alignés axialement et espacés l'un de l'autre, un plongeur 14 et un carter 16 en matériau non-magnétique. Chaque électro-aimant comprend deux bobines 18, couplées étroitement, représentées sur la fig. 2 et qui sont connectées électriquement en parallèle et agencées de façon que les champs magnétiques des bobines soient orientés dans le même sens. Les bobines sont enroulées, l'une autour de l'autre, sur un mandrin se composant d'un manchon en laiton 22 et d'un manchon en fer 24. Les bobines sont entourées magnétiquement par un bottier 26 qui se termine magnétiquement par un bossage 28 qui pénètre dans la cavité interne du mandrin précité. Le plongeur 14 comporte deux noyaux 30 et 32, reliés entre eux par l'intermédiaire d'une partie d'accou- plement 34, et une tige 36 qui traverse la paroi du carter 16. La partie d'accouplement et la tige sont formées d'un matériau non magnétique. L'extrémité libre 38 de la tige 36 est agencée pour être fixée, par exemple par vissage, sur un composant tel qu'un piston d'une pompe, ou sur un autre dispositif. Le noyau 30 est placé au moins partiellement à l'intérieur de l'électroaimant 10 et le noyau 32 est placé de façon semblable à l'intérieur de l'électro-aimant 12. Des fils 40 partant des bobines 18 et 20 traver- sent le carter 16. Les bobines 18 et 20 peuvent être reliées ( cf. fig. 2) par l'intermédiaire de contacts de relais 42 à une source de courant P. Une bobine 44 du relais est alimentée par une source V par l'intermédiaire de deux transistors 46 qui sont commandés à l'aide d'un déclencheur de minuterie 48. Comme déclencheur, on peut utiliser tout dispositif ou composant approprié du commerce. Le déclencheur de minuterie 48 agit de façon à rendre conducteurs les deux transistors de la paire 46 à une fréquence donnée et pendant des intervalles pré- réglés. Le relais est par conséquent excité et désexcité de façon continue. Dans le premier cas, l'électro-aimant 12 est excité tandis que dans le second cas l'électro-aimant 10 est excité. Dans chaque cas, lorsqu'un électro-aimant est excité, l'autre électro-aimant est désexcité. Le dispositif étant dans la position de la fig. 1, quand l'électro-aimant 10 est excité, le noyau 30 est attiré par la force électromagnétique dans la zone centrale de l'électro-aimant, o le flux a sa valeur maximale. L'élec- tro-aimant 12 est ensuite excité et, puisque l'électro- aimant 10 est désexcité, le plongeur est tiré vers le bas. Le processus se poursuit de cette manière et le plongeur est déplacé alternativement de façon continue. L" tige 36 assure par conséquent l'entraînement de la pompe ou bien, si la tige est reliée à une manivelle, un mouve- ment tournant est produit. La fréquence du mouvement est déterminée entre autres par la longueur de course et par la cadence de la minu- terie. La longueur de la course est déterminée par l'espacement entre les deux électro-aimants et par la longueur de la partie d'accouplement 34. La minuterie peut être synchronisée avec le mouvement du plongeur, le cas échéant, par une commande de la minuterie à l'aide d'élé- ments photo-électriques ou d'autres éléments électroniques appropriés, ou bien d'éléments mécaniques. La minuterie, la paire de transistors et le relais peuvent être remplacés le cas échéant par un mécanisme de commande actionné mécaniquement. Par exemple le plongeur 14 peut être utilisé pour solliciter directement des contac- teurs actionnés mécaniquement et qui sont placés dans des endroits spécifiques par rapport à la course du plongeur, et qui commandent l'application du courant fourni par la source de tension aux bobines pour les exciter alternative- ment. Une autre possibilité consiste à utiliser un agencement à bague collectrice qui, en fonction de l'appli- cation du dispositif électrique, peut se déplacer en synchro- nisme avec le plongeur soit avec un mouvement alternatif soit avec un mouvement rotatif. Dans ce cas, on peut utiliser des balais s'appliquant contre la bague collectrice de manière à établir et couper le contact avec la source de courant électrique et les bobines. Dans un dispositif de cette nature, il est impor- tant de donner une valeur optimale au rendement de conver- sion de l'énergie électrique en énergie mécanique. Ce problème est résolu selon l'invention par limitation de la longueur de course approximativement à 20 % de la longueur de chaque électro-aimant, en faisant ainsi en sorte que les noyaux 30 et 32 se trouvent toujours dans une région de flux élevé et, en outre, en utilisant les noyaux pour établir des trajets de faible reluctance pour le flux à l'intérieur des électro-aimants. La fuite de flux à partir de chaque électro-aimant est réduite au minimum en utilisant des bottiers d'enveloppement 26. Selon une variante avantageuse de la présente invention, on augmente le rendement du dispositif en donnant aux extrémités extérieures des noyaux , 32 respectifs une forme élancée ou conique, indiquée par des lignes en trait interrompu, et en formant en correspondance des évidements élancés ou coniques dans les bossages 28, lesdits évidements recevant respectivement les extrémités coniques dans les positions de fin de course. La raison précise de ce perfectionnement n'est pas parfaitement claire mais elle semble associée à une réduction de la fuite de flux au minimum. Les manchons en fer 24 sont placés à l'intérieur des électro- aimants de façon qu'ils ne soient pas en contact avec les noyaux respectifs 30, 32 dans les positions de fin de course du plongeur dans des directions alternées. En conséquence les manchons établissent des trajets de faible reluctance vers les zones centrales de l'électro-aimant et contribuent à réduire les pertes au minimum. Selon une caractéristique particulièrement impor- tante du point de vue du rendement, on utilise dans chaque électro-aimant deux bobines 18 et 20 qui sont reliées en parallèle à la source P. Les deux bobines sont étroitement couplées magnétiquement et elles ont par conséquent une forte inductance mutuelle. Le flux magnétique est ainsi augmenté avec accroissement correspondant de la puissance fournie. Par exemple on a trouvé qu'il était possible de produire, avec un petit modèle du dispositif et dans des conditions d'essai faisant intervenir une seule bobine dans chaque électro-aimant, une force de levage de 250 g. Lorsque deux bobines sont connectées comme indiqué dans chaque électroaimant, et avec la même consommation d'énergie, la force de levage a été augmentée à 310 9. Conformément à la présente invention, on peut utiliser plus de deux bobines pour chaque électro-aimant. Conformément à la présente invention, on a également trouvé, par expérimentation, qu'on obtenait une situation particulièrement favorable lorsque les sections droites des conducteurs des bobines 18 et 20 étaient approximativement dans le rapport compris entre 7 et 9: 1, et idéalement de 8,4: 1, les longueur des enroulements desdites bobines étant dans le rapport de 1: 1,5 à 3, et de préférence de 1: 2. L'une des bobines peut être enroulée intérieurement contre les manchons 22 et 24 tandis que l'autre bobine est enroulée autour de la bobine intérieure. Cependant on a trouvé, conformément à la présente invention et à nouveau par expérimentation, que le dispositif était efficacement amélioré lorsque les deux bobines étaient enroulées ensemble, c'est-à-dire avec les conducteurs placés côte à côte jusqu'au point o le conducteur le plus court se termine, le conducteur plus long étant enroulé à partir de ce point autour des deux conducteurs déjà enroulés. Par une conception appropriée, la cadence de mouvement alternatif peut être réglée entre une valeur de quelques courses par minute jusqu'à une valeur de plusieurs milliers de courses par minute, et on peut faire varier la longueur de course dans une très large gamme. On peut également réduire les pertes par feuille- tage des noyaux 30 et 32. Avec le modèle précité, on a obtenu un rendement de conversion d'énergie électrique en énergie mécanique supérieur à 60 %. Les utilisations possibles du dispositif selon l'invention sont nombreuses et les fig. 3 et 4 montrent respectivement deux applications importantes. Sur la fig. 3, le dispositif 8, représenté seule- ment par son contour extérieur, est fixé directement sur une pompe à piston 60. La pompe comporte un corps 62 qui est fixé sur le carter 16 du dispositif, un piston 64, des soupapes à une voie 66 et 68, une entrée 70 et une sortie 72. La tige 36 est accouplée avec une tige 74 du piston. Un mouvement alternatif du plongeur 14 est par conséquent transmis directement au piston de la pompe, qui est déplacé alternativement dans le corps de pompe. La pompe proprement dite fonctionne conformément à des principes essentiellement classiques mais les avantages de la combinaison précitée consistent en ce qu'elle est compacte, sans aucune tringlerie entre la pompe et la source d'énergie. Le rendement global est ainsi augmenté tandis que le coût est réduit et l'ensemble est bien adapté pour être utilisé comme une pompe submersible efficace. Sur la fig. 4, la tige 36 du dispositif 8 est accouplée avec une manivelle 76 montée dans des paliers 78 d'un carter 80. Le mouvement alternatif du dispositif est ainsi transformé en un mouvement rotatif de la manivelle. Deux ou plusieurs dispositifs 8 opérant en combinaison peuvent être accouplés avec la manivelle 76 pour produire une rotation uniforme et continue. Chaque tige 36 est accouplée à la manivelle par l'intermédiaire d'une bielle 82. Le problème de la décharge de bobine devient important lorsque de grandes puissances de sortie sont imposées au dispositif. Une telle difficulté est rencontrée en particulier à des vitesses élevées de fonctionnement, lorsque les bobines sont désexcitées et lorsque l'énergie résiduelle emmagasinée dans les bobines doit être dissipée. Si la décharge ou la libération de cette énergie ne se produit pas d'une manière contrôlée, il peut se produire une décharge dangereuse et pouvant causer des dommages du fait que l'énergie cherche sa propre voie de décharge qui peut conduire, entre autres, à une augmentation inaccep- table de température dans les bobines. Un moyen de dissipation de l'énergie consiste à utiliser des diodes de roue libre. Un autre moyen, mis en évidence sur les figures 2 et 5, consiste à connecter des fils isolés 90 aux bobines 18 et 20, à l'extrémité de chaque couche alternée d'enroulements ( cf. fig. 5). Les fils 90 sont reliés à la terre pour décharger l'énergie résiduelle emmagasinée, lorsque la bobine respec- tive est désexcitée. La fig. 2 montre un moyen pour obtenir ce résultat en utilisant des contacts auxiliaires 92, actionnés par le relais pour connecter les fils 90 à la terre à l'instant approprié. Si on n'utilise pas un relais comme dispositif de commande pour relier la source P aux bobines et si on emploie à la place une bague collectrice, cette bague collectrice peut alors être utilisée d'une manière semblable pour décharger les bobines à la terre, ou bien on peutemployer dans ce but des bagues collectrices multiples. En fonction de la quantité d'énergie emmagasinée, les fils 90 peuvent être reliés par un seul conducteur à la terre, ou de préférence individuellement à la terre par l'intermédiaire de dispositifs de commande séparés. Le dispositif représenté sur la fig. 1 produit un mouvement alternatif rectiligne. Il est clair que la concep- tion pourrait être adaptée, le cas échéant, pour que le plongeur 14 se déplace suivant un arc afin de produire un mouvement alternatif le long de l'arc. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation cidessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif électrique (8), caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux électro-aimants (10, 12), un plongeur (14) monté de façon à exécuter un mouvement alter- natif relatif entre les électro-aimants (10, 12), et des moyens de commande (44, 46, 48) pour exciter de façon répétée et alternée les électro-aimants (10, 12) de telle sorte que le champ électromagnétique résultant qui agit sur le plongeur (14) provoque un mouvement alternatif du plongeur (14) par rapport aux électro-aimants (10, 12). 2. Dispositif électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque électro-aimant (10, 12) comporte un mandrin (22, 24) et au moins deux bobines (18, 20) enroulées sur le mandrin et connectées en parallèle l'une avec l'autre et en ce que le plongeur (14) comprend un premier et un second noyau (30, 32) qui sont chacun placés au moins partiellement dans un mandrin respectif. 3. Dispositif électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les longueurs des enroulements des bobines (18, 20) sont dans le rapport compris entre 1: 1,5 à 3. 4. Dispositif électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit rapport est de 1: 2. 5. Dispositif électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les extrémités des noyaux (30, 32) qui sont éloignées l'une de l'autre se terminent en pointe. 6. Dispositif électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens (90, 92), pouvant opérer en synchronisme avec les moyens de commande (44, 46, 48) pour décharger, à partir de chacune des bobines (18, 20) de chaque électro- aimant (10, 12),1'énergie résiduelle emmagasinée dans les bobines, quand celles-ci sont désexcitées. 7. Dispositif électrique (8) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est combiné avec une pompe (60) du type à piston, la pompe (60) et le dispositif (8) étant fixés l'un sur l'autre et le plongeur (14) étant accouplé au piston (64) de manière à lui transmettre un mouvement alternatif. 8. Ensemble caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif électrique (8) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6 et une manivelle (76), et en ce qu'il est prévu un moyen (82) reliant le plongeur (14) de chaque dispositif électrique respectif (8) avec la manivelle (76) de façon qu'un mouvement alternatif du plongeur (14) soit transformé en un mouvement de rotation de la manivelle (76).