Brevet FR2514966A1 — publié le 19830422

CONVERTISSEUR D'ENERGIE CINETIQUE DE ROTATION EN CHALEUR PAR GENERATION DE COURANTS DE FOUCAULT. La présente invention concerne un dispositif destiné à tranformer en chaleur une énergie mécanique recueillie sur un arbre tournant. Dans les applications pratiques de la dégradation en chaleur d'une énergie mécanique, un certain nombre de conditions doivent être réunies pour que cette opération s'effectue avec un bon rendement En particulier, un convertisseur d'énergie cinétique de rotation en chaleur, s'il ne fonctionne pas à vitesse constante, doit présenter une bonne adaptation aux caractéristiques de la machine qui entraîne l'arbre primaire. Dans une application importante de l'invention, o cette machine sera une turbine éolienne, la puissance qu'elle capte varie comme le cube de la vitesse du vent, dans les conditions de rendement optimal qui sont caractérisées par un fonctionnement à vitesse spécifique constante, celleci représentant le rapport de la vitesse circonférentielle du rotor à la vitesse du vent On en déduit que le convertisseur d'énergie devrait idéalement dissiper une puissance proportionnelle au cube de la vitesse de rotation de l'arbre et, par conséquent, présenter un couple résistant proportionnel au carré de cette vitesse de rotation. 2 - Or les génératrices électriques de type classique que l'on utilise souvent comme un convertisseur d'énergie, n'ont pas un couple qui varie avec le carré de leur vitesse de rotation Aussi, a-t-on imaginé, pour pallier cet inconvénient de réaliser des génératrices comportant plusieurs enroulements. D'autres dispositifs ont été également employés antérieurement pour obtenir une loi de variation du couple du genre souhaité: il s'agit notamment de circuits hydrauliques o une hélice, entraînée par l'arbre primaire, échauffe un fluide, ainsi que de pompes associées à des orifices de perte de charge; enfin des dispositifs mettant en oeuvre des forces de frottement à sec ont été également développés. Tous ces dispositifs présentent des difficultés notables de réalisation et des inconvénients. La présente invention a pour objet un convertisseur d'énergie cinétique de rotation en chaleur exempt des incon- vénients des dispositifs antérieurs, particulièrement fiable et permettant de donner au couple résistant qui le caractérise une valeur variant suivant une loi prédéterminée, par exemple comme le carré de la vitesse de l'arbre d'entraînement. Le convertisseur suivant l'invention comporte des moyens solidaires en rotation de l'arbre primaire de produire une induction magnétique tournante et un échangeur de chaleur dans lequel circule un fluide et ayant des parois en matière électro-conductrice agencées pour être soumises à ladite induction magnétique et pour produire un couple résistant par génération de courant de Foucault, caractérisé par des moyens de mesurer la vitesse de rotation de l'arbre primaire et par des moyens de faire varier l'intensité de l'induction magnétique qui règne au sein desdites parois, en fonction de la vitesse de rotation mesurée, pour que ledit couple -3- résistant obéisse à une loi prédéterminée. D'autres particularités, ainsi que les avantages, de l'invention, apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé: la figure 1 représente, en partie en coupe suivant I-I de la figure 2, d'un dispositif conforme à un mode d'exécution préféré de l'invention, dans la position o le couple résistant qu'il produit est maximal; la figure 2 représente ce dispositif, en partie en coupe suivant II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1 représentant le dispositif dans la position o le couple produit est minimal et, en pratique, voisin de zéro; la figure 4 illustre la variation du couple résistant de l'appareil en fonction de la vitesse de rotation et de la position relative des éléments qui le constituent, telle qu'elle apparaît dans les schémas des figures 5 à 8. Le dispositif figuré comporte un rotor mécaniquement lié à l'arbre d'entraînement primaire 1 Ce dernier est par exemple constitué par l'arbre de sortie d'un multiplicateur de vitesse dont l'arbre d'entrée est l'arbre d'une turbine éolienne à axe vertical L'arbre primaire tourne ainsi à 900 T/mn par exemple. Le rotor est constitué par une pluralité d'aimants permanents radiaux 2 dont les faces polaires externes sont recouvertes de pièces en acier doux 3 Le rotor est avantageusement constitué par ces éléments et un enrobage en matériau moulable 4, de façon à présenter une surface extérieure cylindrique lisse Lorsqu'il tourne, il produit une induction magnétique qui balaie l'espace qui l'entoure 4 - et est donc susceptible de créer dans cet espace, au sein de pièces en matériau à faible résistivité, des courants de Foucault Cette propriété est mise en oeuvre pour engendrer, dans les parois mêmes d'un échangeur de chaleur à l'intérieur duquel on fait circuler un fluide, des calories qui vont élever la température de ce fluide Ledit échangeur de chaleur est constitué, dans le mode d'exécution illustré, par un bottier cylindrique 5 dont le matériau a une faible résistivité électrique (cuivre ou alliage léger par exemple) à l'intérieur duquel est ménagé un conduit hélicoldal 6 de façon à ce que le fluide en circulation se trouve, pendant un parcours allez long, soumis au contact de parois chaudes dont la température est liée à l'intensité de l'effet Joule produit par les courants de Foucault précisés ci-dessus Ce fluide, qui sera par exemple de l'eau, va s'échauffer, en un temps de l'ordre de la minute, en'passant d'une température voisiné de 151 C par exemple à une température comprise entre 50 et 701 C La circulation du fluide peut être continue. Le bottier 5 est avantageusement réalisé en deux parties coaxiales dont l'une 5 a constitue la paroi intérieure cylindrique de l'échangeur et sa paroi annulaire supérieure, tandis que l'autre 5 b constitue la paroi extérieure cylindrique de l'échangeur et sa paroi annulaire inférieure. Une culasse magnétique en acier doux 7 est avantageusement placée autour du boîtier cylindrique de l'échangeur, de façon à éviter la dispersion du champ magnétique et à augmenter ainsi son intensité au niveau de l'échangeur Elle peut être entraînée en rotation Dans la mesure o -elle n'est pas entraînée en rotation (mode d'exécution illustré), elle est également le siège de courants de Foucault créés par l'induction tournante du rotor, mais ceux-ci sont beaucoup plus faibles que ceux produits dans les parois de l'échangeur, du fait que la résistivité de l'acier doux est beaucoup plus élevée que celle du matériau utilisé pour constituer les parois de l'échangeur Au surplus, l'échauffement de la culasse, qui est au contact de l'échangeur, contribue à l'échauffement du fluide et n'est - donc pas à l'origine d'une perte de rendement de l'appareil. L'appareil est monté -entre un socle'11 et une plaque supérieure 12 reliés entre eux par trois colonnes 13, 14, 15 et par trois tiges de guidage 16, 17,18. Le rotor est supporté par deux roulements 19 et 20 respectivement montés dans la plaque 12 et une autre plaque fixe de support 21. L'ensemble solidaire échangeur-culasse est monté coulissant sur les tiges 16, 17, 18, au moyen de douilles à billes telles que 22, 23. Le déplacement dans un sens ou dans l'autre dudit ensemble le long des tiges de guidage est provoqué par un pignon 24 qui coopère avec une crémaillère 10 fixée à la culasse 7 suivant une génératrice extérieure de celle-ci. Dans la position des figures 1 et 2, l'ensemble échangeur- culasse entoure complètement le rotor et est donc soumis à la totalité de l'induction tournante engendrée par celui-ci, Par contre, dans la position de la figure 3, on voit que l'ensemble échangeur-culasse est presque entièrement situé à l'extérieur de la zone occupée par le rotor magnétique. Dans ces conditions, il est clair que les courants de Foucault engendrés dans l'échangeur seront très faibles et même pratiquement nuls; il en sera de même du couple résistant appliqué à l'arbre primaire. A la figure 4, on a représenté ledit couple résistant C en fonction de la vitesse de rotation, exprimée en tour-minute. La courbe úQ correspond à la position relative de l'ensemble échangeurculasse et du rotor schématisée à la figure 5; la courbe t 2 f à la position schématisée à la figure 6; la courbe t 2, à la position schématisée à la figure 7 et la courbe ú 4, à la position schématisée à la figure 8. En déplaçant l'ensemble échangeur-culasse par rapport au rotor, parallèlement à l'axe de celui-ci, on obtient pour chaque position, une valeur du couple comprise entre 0 et la valeur maximale Cmax correspondant à la figure 1 La vitesse -6 - du rotor est mesurée par un dispositif tachymétrique 8, lequel fournit une information de commande d'un organe d'entraînement du pignon comportant un moteur électrique 9. La position de l'ensemble échangeur-culasse se trouve donc asservie à la vitesse de rotation de l'arbre primaire, la loi d'asservissement, programmée dans l'organe d'entrai- nement, étant telle que le couple résistant appliqué à l'arbre primaire varie entre O et la valeur maximale suivant une courbe définie à priori et, par exemple, variant comme le carré de la vitesse de rotation, c'està-dire de forme parabolique (courbe en pointillé de la figure 4). Afin de diminuer les déperditions calorifiques, on peut avantageusement utiliser un calorifugeage de l'appareil ou, de façon plus générale, un dispositif constituant un isolant thermique placé autour de l'appareil et permettant d'employer au maximum les calories engendrées par les courants de Foucault pour échauffer le fluide circulant dans l'échangeur. La disposition qui vient d'être décrite est du type cylindrique à symétrie de révolution Il est évident que l'on peut envisager d'autres dispositions Le rotor magnétique, au lieu d'avoir des pales radiaux, pourrait être constitué de façon à créer une induction parallèle à son axe et que l'on refermerait par une pièce plane circulaire, coaxiale, située à peu de distance d'une de ses extrémités. Entre le rotor et cette pièce on pourrait disposer un échangeur o l'eau circulerait entre les deux plans qu'ils définissent. On peut également envisager que les positions relatives du rotor et de l'échangeur de chaleur soient obtenues par le déplacement du rotor et non celui de l'échangeur, qui serait alors fixe, ou même que l'effet de variation de l'induction tournante au sein des parois de l'échangeur soit produit, non par le déplacement relatif de l'échangeur et du rotor, mais par l'insertion, entre ces pièces, d'un écran -7- cylindrique mobile en matériau magnétique, dont le râle serait de supprimer l'induction tournante au niveau -de la partie ainsi blindée de l'échangeur. Toutes ces variantes ne s'écartent pas de l'esprit de l'invention, qui consiste principalement à faire varier l'intensité de l'induction tournante dans les parois de l'échangeur, de façon à asservir la valeur du couple résistant produit par les courants de Foucault-à la vitesse de rotation du rotor suivant une loi prédéterminée. 8- Revendications de brevet 1 Convertisseur d'énergie cinétique de rotation en chaleur, comportant des moyens ( 2, 3), solidaires en rotation de l'arbre primaire ( 1) de produire une induction magnétique tournante et un échangeur de chaleur ( 5, 6) dans lequel circule un fluide et ayant des parois en matière ( 5) électro-conductrice agencées pour être soumises à ladite induction magnétique et pour produire un couple résistant par génération de courants de Foucault, et est caractérisé par des moyens ( 8) de mesurer la vitesse de rotation de l'arbre primaire ( 1) et par des moyens ( 9, 10) de faire varier l'intensité de l'induction magnétique qui règne au sein desdites parois, en fonction de la vitesse de rotation mesurée, pour que ledit couple résistant obéisse à une loi prédéterminée. 2 Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens ( 9, 10) de faire varier l'intensité de l'induction magnétique sont agencés pour effectuer une translation relative desdits moyens ( 2, 3) solidaires de l'arbre primaire et de l'échangeur de chaleur ( 5, 6). 3 Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de faire varier l'intensité de l'induction magnétique sont agencés pour insérer un écran magnétique mobile entre lesdits moyens ( 2,3) solidaires de l'arbre primaire et l'échangeur de chaleur ( 5, 6). 4 Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens ( 2, 3) solidaires de l'arbre primaire sont constitués par un rotor, cylindrique à pôles radiaux, tandis que lesdites parois électro- conductrices (Sa 5 b)-ont une forme générale cylindrique et sont coaxiales audit rotor, et que ladite translation est parallèle à l'axe commun au rotor et auxdites parois -9- cylindriques et amène lesdites parois d'une première position extrême o elles entourent complètement le rotor à une seconde position extrême o elles sont sensiblement entièrement situées en dehors de la zone occupée par le rotor. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit échangeur présente un conduit de fluide de forme hélicoïdal. 6 Convertisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit échangeur est constitué d'une boîtier cylindrique réalisé en deux parties coaxiales ( 5 a - b) dont les parois internes délimitent ledit conduit ( 6). 7 Convertisseur selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit échangeur est entouré d'une culasse ( 7) en matière magnétique douce. 8 Convertisseur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesurer la vitesse de rotation comportent une génératrice tachymétrique ( 8) couplée à l'arbre primaire ( 1) tandis que lesdits moyens de faire varier l'intensité de l'induction magnétique comportent un dispositif d'asservissement ( 9) piloté par l'information fournie par la génératrice tachymétrique ( 8).