Brevet FR2531199A1 — publié le 19840203

Alternateur conçu pour appliquer des impulsions répétitives rapides à un lanceur électromagnétique. La présente invention se rapporte aux lanceurs électromagnétiques de projectiles, et elle concerne plus particulièrement les lanceurs électromagnétiques qui utilisent un alternateur comme source de courant élevé pour lancer un ou plusieurs projectiles et dans lesquels on peut commander la vi- tesse initiale du projectile en réglant l'angle de phase sous lequel le cou- rant est commuté de l'alternateur sur deux rails de lancement des projectiles. Les lanceurs électromagnétiques de projectiles sont bien connus de l'homme de l'art; ils comprennent: deux rails conducteurs et généralement parallèlesde lancement, une source de courant élevé, des moyens pour commuter le courant de la source de courant élevé sur les rails de lancement des projecti- les, et une armature conductrice coulissant entre les rails Le passage du courant dans les rails et l'armature applique à cette dernière une force électro- magnétique qui est utilisée pour la propulser, ainsi qu'un projectile, le long des rails On a construit des lanceurs équipés d'une source de courant élevé qui comprenait le montage série d'une génératrice homopolaire de courant con- tinu et d'une bobine d'induction à accumulation d'énergie Pour lancer un projectile, on charge d'abord la bobine d'induction à un niveau prédéterminé de courant par l'intermédiaire d'un commutateur qui agit de manière à court- circuiter les rails de lancement des projectiles On ouvre ensuite le commu- tateur pour permettre à la bobine d'induction de se décharger à travers les rails et l'armature, lançant de ce fait le projectile Ces lanceurs exigent des systèmes robustes de commutation et des éléments supplémentaires pour souffler l'arc qui se produit lorsque le projectile quitte les rails de lance- ment Si on désire un fonctionnement à tirs multiples, les exigences de cou- pure du courant au départ du projectile deviennent excessives. Une génératrice de courant alternatif, ou alternateur, est une source intéressante de courant alternatif pour les lanceurs électromagnétiques à tir rapide car un alternateur est auto-commutant Par une synchronisation appropriée de la commutation du courant sur les rails de lancement, l'alter- nateur peut fournir la force électromotrice nécessaire pour amener le cou- rant vers la valeur zéro lorsque le projectile quitte la rampe de lancement, réduisant ainsi fortement le circuit nécessaire de soufflage de l'arc et sim- plifiant le système de commutation Les impulsions de courant qui sont utili- sées pour le lancement des projectiles peuvent être fournies à chaque période ou groupe de plusieurs périodes selon le taux d'impulsions désiré - L'objet principal de la présente invention est de fournir une 2531 199 structure qui réduise l'arc au cours du tir. La présente invention se rapporte d'une manière générale à un lanceur électromagnétique de projectiles comportant des rails conducteurs de lancement et un circuit pour conduire un courant dans ces rails; la caracté- ristique de ce lanceur réside dans la présence d'un circuit de régulation du courant circulant dans les rails pendant le lancement, ce circuit comportant un montage qui permet de réduire le courant à une valeur générale de souffla- ge de l'arc lorsque le projectile quitte les rails. Un alternateur conçu pour être utilisé dans un système électroma- gnétique de lancement de projectiles, construit suivant la présente invention, comprend: une structure statorique comportant une cavité généralement cy- lindrique, une paire au moins de bobines concentriques à une seule couche dis- posées autour de la périphérie de la cavité cylindrique et connectées élec- triquement en parallèle, et des moyens pour créer un champ tournant magnétique, induisant de ce fait une tension dans la paire de bobines Ces dernières sont espacées autour de la périphérie de la cavité cylindrique de manière à éli- miner les courants de Foucault dus à la tension induite Afin de fournir leal- ternateur le mieux adapté à la charge d'un lanceur électromagnétique de pro- jectiles à rails parallèles, l'enroulement statorique comprend plusieurs pai- res de bobines concentriques à une seule couche connectées en parallèle autant que possible On réduit au minimum les couples de réaction pendant le tir du lanceur en utilisant deux rotors tournant en sens inverse qui créent chacun un champ tournant magnétique afin d'induire une tension dans des enroulements statoriques séparés d'une structure statorique unique Les enroulements stato- riques séparés sont connectés en parallèle, ce qui provoque la rotation syn- chronisée des rotors tournant en sens inverse et l'élimination des courants de Foucault dans les enroulements statoriques. Un lanceur électromagnétique de projectiles construit suivant la présente invention utilise l'alternateur décrit et comprend en outre: deux rails conducteurs de lancement de projectiles; des moyens pour conduire le courant entre les rails et pour propulser un projectile le long de ces rails; et des moyens pour commuter le courant de l'alternateur sur les rails de lance- ment des projectiles, le courant étant commuté sur ces moyens sous un angle de phase présélectionné tel que le courant chute à la valeur zéro lorsque le projectile quitte les rails de lancement Le fonctionnement de ce lanceur électromagnétique a lieu conformément à un procédé général de lancement élec- tromagnétique de projectiles, comprenant les stades suivants: commutation du courant d'une source de courant alternatif sur deux rails de lancement de pro- jectiles; et circulation du courant entre les rails par l'intermédiaire d'une 2531 199 armature conductrice coulissante qui est soumise à une force électromagné- tique et propulse un projectile le long des rails; la caractéristique de ce procédé réside dans le fait que la commutation se produit sous un angle de phase présélectionné tel que le courant chute à la valeur zéro lorsque le projectile quitte les rails de lancement Lorsqu'on doit tirer une succession de projectiles, on fait varier l'angle de phase sous lequel le courant est commuté pour les projectiles-successifs, de sorte que tous les projectiles ont sensiblement la même vitesse initiale malgré une diminution du courant dis- ponible à la source, tandis que le courant circulant dans les rails est ré- duit au minimum lorsque chaque projectile quitte les rails. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la des- cription suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans les- quels la figure 1 est un schéma d'un lanceur électromagnétique de projectiles, construit suivant un exemple de réalisation de la présente in- vention la figure 2 est une vue en coupé d'un alternateur construit suivant un exemple de réalisation de la présente invention et utilisable dans le lanceur représenté à la figure 9; la figure 3 est un schéma de câblage partiel de la surface cy- lindrique développée du stator de l'alternateur représenté à la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe d'un pas polaire de l'alterna- teur représenté à la figure 2; et la figure 5 est une forme d'onde qui illustre le courant circu- lant dans les rails de lancement de projectiles du lanceur représenté à la figure 1, pendant le lancement d'une succession de projectiles. On se reportera maintenant aux dessins La figure 1 est un sché- na d'un lanceur électromagnétique de projectiles construit suivant un exemple de réalisation de la présente invention Un alternateur 10 est connecté, par l'intermédiaire d'un commutateur 12, à deux rails conducteurs 14 et 16 de lancement de projectiles Une armature conductrice coulissante 18 est dispo- sée entre les rails 14 et 16 de lancement de projectiles et sert de moyen. pour faire circuler le courant entre les rails et pour propulser le projec- tile 20 le long des rails Le fonctionnement du commutateur 12 est commandé par le circuit 22 assurant que le commutateur 12 commence à être conducteur sous un angle prédéterminé de phase, de sorte que le courant circulant entre les rails 14 et 16 chute à la valeur zéro lorsque l'armature 18 sort à l'ex- trémité de lancement des rails Bien qu'on ait représenté le commutateur 12 sous la forme d'un seul thyristor, il est bien entendu que, du fait des cou- 2531 1 99 rants élevés impliqués, un commutateur peut, en réalité, être composé de plusieurs thyristors connectés en parallèle ou d'une combinaison appropriée d'éléments de commutation à l'état solide et mécaniques. La figure 2 est une vue en coupe d'un alternateur à courant élevé construit suivant un exemple de réalisation de la présente invention et utilisable dans le lanceur représenté à la figure 1 Une structure statuo rique 24 présente une cavité généralement cylindrique 26 Des conducteurs statoriques 28 à 42 sont enroulés en vue d'un fonctionnement monophasé, en formant des paires de bobines concentriques à une seule couche disposées au- tour de la périphérie de la cavité généralement cylindrique 26 On utilise deux enroulements statoriques, constitués chacun du montage en parallèle de plusieurs paires de bobines concentriques à une seule couche Ces deux enrou- lements statoriques sont également montés en parallèle Des rotors 44 et 46, montés le long de l'axe de la cavité généralement cylindrique 26, supportent respectivement des enroulements inducteurs 48 et 50 La circulation du cou- rant dans ces enroulements inducteurs 48 et 50 est assurée par des moyens classiques tels que des excitatrices sans balais ou des bagues d'alimentation connectées à une source extérieure de courants non représentée sur la figure. Afin de réduire au minimum le couple de réaction pendant le tir dulanceur, les rotors 44 et 46 sont montés de manière à tourner en sens inverse, créant de ce fait deux champs magnétiques qui tournent en sens inverse et induisent des tensions de polarités opposées dans'les enroulements stat Qriques associés, La figure 3 est un schéma de càblage partiel de la surface cy- lindrique développée du stator de l'alternateur représenté à la figure 2 Ce schéma illustre les connexions électriques et les positions relatives des en- roulements statoriques constitués des conducteurs 28 à 42 -Pour empêcher la naissance de courants de Foucault, les conducteurs qui forment chaque paire de bobines statoriques conductrices à une seule couche sont également espacés dans les régions actives X et Y Par exemple, la distance entre les conduc- teurs 28 et 30 est maintenue constante dans la région active X Ces régions actives correspondent à l'aire qui est soumise au champ tournant magnétique créé par le courant qui circule dans les enroulements inducteurs suportés par les rotors 44 et 46 Il va de soi que, bien que quatre paires seulement de bobines statoriques concentriques à une seule couche soient représentées à la figure 3, on peut utiliser des bobines supplémentaires En tout cas, toutes les bobines sont connectées en parallèle afin de fournir les caracté- ristiques d'alternateur les mieux adaptées à la charge du lanceur électroma- gnétique de projectiles Si on connecte en parallèle les enroulements des deux stators, les rotors 44 et 46 tourneront en synchronisme, empêchant de 2531 1 99 ce fait la naissance de courants de Foucault dans les enroulements des deux stators Chacune des enroulements statoriques illustrés est connecté, par l'intermédiaire de thyristors 56 à 70, à des barres omnibus 72 et 74 qui amènent le courant aux rails de lancement des projectiles. La figure 4 est une vue en coupe d'un pas polaire de l'alterna- teur représenté à la figure 2 Les conducteurs 28 et 30, formant une partie d'une paire d'enroulements statoriques concentriques à une seule couche, sont maintenus en place dans des encoches axiales 76 et 78 formées dans la struc- ture statorique 24 Un enroulement auxiliaire 52, placé dans une encoche 80 du stator 24, est décalé de manière à pouvoir être connecté en quadrature de phase avec les enroulements statoriques; de ce fait, on peut faire prendre de la vitesse au moteur à partir d'une alimentation diphasée à fréquence variable. Les enroulements inducteurs 48 sont maintenus dans des encoches 82 et 84 for- mées dans le rotor Des enroulements amortisseurs 86 ont été prévus également dans le rotor 44 pour assurer un fonctionnement stable de ce dernier et rédui- re au minimum la réactance effective de l'alternateur pendant la décharge par impulsions. On peut décrire le procédé de lancement électromagnétique d'une- série de projectiles au moyen du lanceur représenté à là figure 1, en se ré- férant à la forme d'onde de tension illustrée à la figure 5 Sur cette figure, la tension aux bornes de l'alternateur 10 est représentée par une ligne en traits interrompus tandis que la tension entre les rails 14 et 16 de lance- ment deszprojectiles est représentée par une ligne en traits pleins Si un seul projectile doit être lancé, le commutateur 12 est déclenché au temps T et, à ce moment-là, le courant commence à circuler dans les rails 14 et 16 et dans l'armature 18, propulsant de ce fait le projectile 20 le long des rails Au temps T 2, l'armature 18 sort des rails et la tension entre les rails chute à la valeur zéro, éliminant de ce fait la nécessité de dispositifs de soufflage de l'arc à la sortie des rails Si on doit tirer une succession ra- pide de projectiles, la vitesse de rotation de l'alternateur diminuera de ma- nière significative au cours de la série de tirs Cependant, on peut mainte- nir une vitesse initiale sensiblement constante des projectiles pendant toute la série de tirs si on fait varier l'angle de déclenchement des impulsions en réglant la commande du thyristor 12 En se reportant à la figure 5, on verra qu'on peut lancer un deuxième projectile en commandant le commutateur 12 au temps T 3, et un troisième projectile en commandant le commutateur 12 au temps T 5 En réglant l'angle de déclenchement des impulsions, on peut maintenir à une valeur relativement constante l'énergie utilisée dans chaque lancement, malgré la diminution de la puissance de sortie de l'alternateur 10. 2531 1 99 La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réali- sation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art Par exemple, bien que dans l'exemple préféré de réalisation, on utilise des rotors tournant en sens inverse afin de réduire au minimum le couple de réaction, la présente invention concerne également les alternateurs à un seul rotor. R'E V E N D I'C A'T I O N S 1 Lanceur électromagnétique de projectiles comportant des rails conducteurs de lancement et un circuit pour faire circuler un courant dans ces rails, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit ( 12) de régulation du courant circulant dans les rails pendant le lancement, ce circuit comportant un montage ( 22) qui permet de réduire le courant à une valeur générale de soufflage de l'arc lorsque le projectile quitte les rails. 2 Lanceur électromagnétique de projectile, caractérisé en ce que le circuit de régulation comprend deux rails conducteurs de lancement de projectiles et une première paire de bobines concentriques à une seule couche disposées autour de la périphérie d'une cavité cylindrique formée dans le stator d'un alternateur et connectées électriquement en parallèle; en ce que le montage qui permet de réduire le courant comprend un circuit pour créer un premier champ tournant magnétique dans la cavité cylindrique, induisant de ce fait une tension dans la première paire de bobines; et en ce que le circuit de régulation du courant peut être commuté sous un angle présélec- tionné de phase, de sorte que le courant chute à la valeur zéro lorsque le projectile sort des rails de lancement. 3 Lanceur suivant la revendication 2, caractérisé en ce -que les bobines sont également espacées autour de la périphérie pour empêcher la naissance de courants de Foucault dus à la tension induite. 4 Lanceur suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une deuxième paire de bobines concentriques à une seule couche, disposée autour de la périphérie de la cavité généralement cylindrique et axialement espacée de la première paire de bobines concentri- ques à une seule couche; une structure pour créer un deuxième champ tournant magnétique qui tourne dans le sens contraire du premier champ magnétique et qui induit une deuxième tension dans la deuxième paire de bobines; et en ce que la première et la deuxième paires de bobines concentriques-à une seule couche sont connectées électriquement en parallèle entre elles.