Brevet FR2583112A1 — publié le 19861212

I La présente invention concerne un microturbo- alternateur hydraulique destiné tout spécialement à consti- tuer une petite source autonome d'énergie électrique per- mettant d'assurer les fonctions d'allumage automatique, de commande et de contr8le de l'arrivée du gaz au bruleur d'un appareil d'utilisation domestique du gaz du genre chauffe-eau ou chauSfe-bains instantanés à gaz non équi- pé de veilleuse permanente. On sait tout l'intérêt que présente, sur le plan de l'économie d'énergie, le développement des appa- reils de production instantané d'eau chaude par le gaz ca- pable de fonctionner sans veilleuse permanente; il suffit de se rappeler que la puissance de la veilleuse d'allumage qui équipe normalement tout chauffe-eau ou chauffe-bains à gaz classique est de l'ordre de 160 Watt ce qui repré- sente une consommation annuelle d'énergie d'environ 1,300 KWH. Outre l'économie d'énergie que procure la sup- pression de la traditionnelle veilleuse permanente, cette suppression présente d'autres aspects très intéressants, en particulier: elle rassure et réconforte une fraction importante de la clientèle potentielle qui serait favorable à l'utilisation d'appareils à gaz si ceux-ci n'impliquaient pas la présence permanente d'une flamme dans leur logement et si ceux-ci pouvaient être aussi simple d'utilisation que l'est un appareil électrique, lequel répond assez bien au slogan "On l'installe et on l'oublie". Jusqu'à présent, ces nouveaux appareils ont en commun une caractéristique essentielle qui est celle de faire appel à une source d'énergie électrique extérieure a l'appareil pour, tout en supprimant la veilleuse per- manente, permettre néanmoins l'accomplissement des fonc- tions!ormales d'allumage du gaz, du contrôle de cet al- lumage et enfin de la commande et de la régulation de l'arrivée du gaz au bruleur. On connait actuellement trois solutions ou trois façons d'obtenir cette source d'énergie extérieure à l'appareil: La première, c'est évidemment de demander cette énergie au réseau d'alimentation électrique du logement dans lequel est installé l'appareil. C'est la solution la plus répandue, notamment lorsqu'il s'agit de chaudières à gaz sans veilleuse permanente dans lesquelles le raccor- dement au secteur est de toute façon nécessaire pour l'ali- mentation de la pompe de circulation; mais dans le cas d'appareil du genre chauffe-eau ou chauffe-bains instantanés à gaz, cette solution est considérée comme entrainant un surcoût trop élevé de l'appareil et elle présente aussi d'autres inconvénients: Elle limite les possibilités d'implantation géographique de l'appareil en augmentant sérieusement le coût de son installation dans le volume de sécurité entourant la bai- gnoire dans une salle de bains en raison de l'obligation de recourir à un transformateur basse tension répondant à des normes spéciales de sécurité assez contraignantes. 20 Elle annule l'avantage d'autonomie fonctionnelle d'un chauffe-eau ou chauffe-bains à gaz qui, normalement, con- tinue à assurer son service malgré d'éventuelles coupures du réseau électrique. La deuxième solution connue consiste à créer la source d'énergie électrique par une pile électrique classique comme on le fait pour alimenter les traditionnelles radio portatives. Cette deuxième solution évite bien entendu les inconvénients constitués par les surcoûts et les res- trictions d'installation, mais elle apporte d'autres in- convénients qui sont les suivants: La durée de stockage et d'utilisation d'une pile ne peut être garantie et sa durée de fonctionnement en ser- vice normal est fonction du genre ou du type de piles approvisionné. Cela constitue une servitude pour les inter- venants d'un réseau de distribution, notamment pour les grossistes ou les importateurs étrangers. Egalement l'utilisateur connattra tôt ou tard, mais sans possibilité de le prévoir, le moment ou son appareil, la pile étant usée, cessera soudainement de fonctionner. La troisième solution, qui a été en partie dé- crite dans le brevet 1.215.731 du 7/11/58, consiste à créer cette source d'énergie électrique de façon totalement autonome à partir de l'énergie hydraulique disponible que représente l'écoulement obligatoire d'un certain débit d'eau à travers l'appareil à chaque demande de l'utilisateur. Cette solution c'est l'incorporation d'un microturbogéné- rateur sur le circuit d'eau de l'appareil. Cette solution, qui dans son principe a été dé- crit dans le brevet cité, n'a jamais reçu d'applications industrielle, car jusqu'à maintenant, on n'avait jamais su concevoir ni mettre au point un microturboalternateur fournissant une puissance électrique suffisante avec un rendement et une fiabilité acceptable et un prix de revient assez bas pour rendre cette troisième solution compétitive. Une des principales difficultés à surmonter dans la concep- tion de ce genre de microgénérateur était le couple- résistant à vaincre pour la mise en rotation de l'aimant tournant, constituant le rotor, lors du passage de ses p8- les devant les p8les magnétiques correspondant du stator bobiné du microalternateur. Un autre problème à résoudre était celui de se prémunir contre le risque de blocage mécanique du ro- tor par les particules magnétiques que peut véhiculer l'eau traversant la turbine. et qui risquent d'être attirées par l'aimant du rotor et venir se coincer dans l'entrefer. La présente invention a pour objet de proposer un nouveau microturboalternateur qui précisement satisfait enfin à des conditions de: puissance électrique, rendement et prix de revient tels que cette troisième solution de- vienne extrêmement compétitive par rapport aux deux pre- mières. Suivant une première caractéristique de la pré- sente invention, le microturboalternateur hydraulique com- prenant, de façon déjà connue, une petite roue de turbine à aubes accouplée à un mini alternateur dont le rotor noyé est constitué par un petit aimant cylindrique à p8les non saillants fixé directement sur l'arbre de la roue de turbine, est caractérisé essentiellement en ce que: d'une part, on dispose, entre le roue de turbine et l'aimant cylindrique du rotor, perpendiculairement à l'arbre de la roue de tur- bine, dans une position qui le place plus près de la roue de turbine que de l'aimant, un disque on matériau magnéti- quement perméable et protégé de la corrosion, ce disque ayant un diamètre au moins égal au diamètre de la roue de turbine et comportant dans sa partie centrale;un orifice, circulaire ou non, permettant le libre passage de l'arbre de la turbine avec un faible jeu, et en ce que, d'autre part, on prévoit que la partie du circuit magnétique du stator du microaler- nateur, dans laquelle vient tourner l'aimant bipolaire cylindrique lisse aimanté suivant un plan diamétral, pré- sente également une forme géométrique parfaitement cylin- drique et lisse ou presque lisse au niveau de sa surface intérieure délimitant l'entrefer entre rotor et stator, tout en présentant la structure magnétique générale d'un stator bipolaire, cette particularité étant, suivant l'in- vention, obtenue en coupant la surface cylindrique inté- rieure du stator bipolaire, selon deux lignes génératrices situées dans le plan de symétrie des deux pièces polaires du stator, de manière à ménager entre elles deux très petits entrefersbont l'épaisseur occupera sur le périmètre inté- rieur du stator un angle au centre inférieur à 15 o; on fera également en sorte que, par une forme évasée appropriée du profil de la découpe de ces petits entrefers depuis leur point de départ sur la surface cylindrique intérieure su stator, la reluctance magnétique de chacun de ces entrefers, tout en étant toujours très grande par rapport à la reluctance to- tale des pièces polaires du stator et de leur noyau de fer- meture magnétique recevant l'enroulement statorique, reste relativement très faible par rapport à la reluctance mo- yenne que présente l'entrefer cylindrique entre l'aimant du rotor et la surface intérieure du stator, cette reluctance ne variant ainsi que très peu lors du passage des lignes de flux de l'aimant d'un pôle à l'autre pendant sa rotation entre les pièces polaires du stator. Suivant une autre caractéristique de l'invention, le disque en matériau magnétique qui constitue un écran interdisant à toute fuite de champ magnétique provenant de l'aimant de pénétrer dans l'eau qui circule dans la partie turbine et, empochant par voie de conséquence, le passage d'éventuelles particules magnétiques véhiculées par l'eau de la partie turbine, de passer dans la chambre contenant le rotor aimanté du microalternateur, comporte autour de son orifice central une petite collerette cylindrique dirigée vers le dos de-la roue de turbine, la dite colle- rette venant se placer dans un petit logement cylindrique formé dans le dos du moyeu central de la roue de turbine autour de son arbre (13). Suivant enfin une dernière caractéristique de l'invention, le corps du microalternateur est entièrement constitué par un unique surmoulage en matériau plastique enrobant en totalité ou presque le stator du microalterna- teur, le dit surmoulage étant effectué dans un moule dont le noyau central, destiné à former la chambre dans laquelle viendra tourner le rotor de l'alternateur, a la forme d'un cylindre lisse dont le diamètre est égal au diamètre du rotor augmenté d'une fraction de l'épaisseur radiale de l'en- trefer entre rotor et stator comprise entre 30 X et 70 %. D'autres caractéristiques particulières et avan- tages de l'invention ressortiront de la description suivante d'une forme de réalisation et en référence aux dessins qui représentent: Fig. 1: une vue en coupe du microturboalternateur suivant un plan contenant l'arbre de rotation. Fig. 2: une vue en coupe de la partie microalternateur par un plan XX perpenduculaire à l'arbre de rotation. Fig. 3: une vue en coupe de la partie microturbine suivant le plan YY perpendiculaire à l'arbre de rotation. Fig. 4: une vue partielle agrandie d'une partie de la fig. 2 qui montre la forme particulière de la dé- coupe des tôles du stator caractérisant les deux entrefers constitués entre les deux pièces polaires du stator et qui montre l'emplacement de la cham- cylindrique du rotor obtenu après l'opération de surmoulage plastisue du stator. Sur ces figures, on voit que le corps (8) en matière plastique du microalternateur est entièrement sur- moulé autour du circuit magnétique du stator constitué par les pièces polaires (2) et du noyau de fermeture des lignes de champ magnétique (4) qui reçoit l'enroulement statorique (5) bobiné sur une carcasse isolante (6) et dont les cosses de raccordement électrique sont représentées en (7). L'aimant bipolaire NordSud du rotor est repré- senté en (1), il est emmanché sur l'arbre de rotation (13) par l'intermédiaire d'une douille de centrage (21) et tourne librement entre les pièces polaires (2) du stator à l'in- térieur de la chambre cylindrique (20) formée lors du sur- moulag( du corps plastique (8) autour du stator magnétique. Les deux entrefers (3) qui séparent magnétiquement les pièces polaires (2) sont obtenus par une découpe particulière des t8les du stator dont le détail de forme du profil apparaît sur l'agrandissement représenté sur la fig. 4. Sur cette dernière figure, on voit clairement que d'une part, l'épaif seur de l'entrefer (3), découpé au niveau de la surface cy- lindrique intérieure du stator délimitant l'entrefer entre stator et rotor, correspond à un angle au centre i dont la valeur est, suivant l'invention, inférieure à 15 et que d'autre part, le profil de la découpe s'évase rapidement, à partir de son point de départ situé sur la surface cylin- drique intérieure du stator, suivant un angle de divergence très important, supérieur à 30 . On voit également sur cette même figure que le diamètre intérieur de la chambre (20) formée lors du sur- moulage du corps en plastique (8), chambre dans laquelle tourne le rotor (1), présente un diamètre égal au diamètre du rotor (1) augmenté d'une fraction de l'entrefer qui exis entre le rotor (1) et les pièces polaires (2) du stator, cette fraction ayant, dans l'exemple choisi, une valeur de l'ordre de 50 %. Le disque écran formant écran magnétique entre la chambre d'eau (20) contenant le rotor du microalterna- teur et la chambre d'eau (22) dans laquelle tourne la roue de turbine (15) est représenté en (9). Dans l'exemple choisi il porte, autour du trou central qui permet le passage de l'arbre de rotation (13), une collerette cylindrique (23) qui pénètre avec un léger Jeu dans un logement également cylindrique formé autour de l'arbre de rotation dans le dos (12) de la roue de turbine (15). La partie turbine du microturboalternateur représentée en coupe fig. 3 comprenant un corps (14) assemblé de manière étanche contre le corps plastique (8) du microalternateur, grâce à un joint élastique (18), le disque écran (9) étant dans cet exemple pris en sandwich entre les deux corps (14) et (8): les vis qui assurent de façon classique l'assemblage de ces deux corps ne sont que partiellement représentées. L'eau qui entre dans le corps de turbine (14) est mise en vitesse par la buse convergente (16) et vient frapper tangentiellement les aubes en forme de portion de cylindre de la roue de turbine (15) et ressort tangentiellement par la tubulure (17). Bien entendu, la libre rotation de l'arbre 13 est assurée par les coussinets (TO) et (11) emmanchés ou formés directement dans le matériau des corps (14) et (18). 2583112 R E V E N D I C ATIO N S 1) Microturboalternateur hydraulique comprenant une petite roue de turbine à aubes accouplée à un microalternateur dont le rotor noyé est constitué par un petit aimant cylindrique à p8- les non saillants calé directement sur l'arbre de la roue de turbine, caractérisé en ce que d'une part: on dispose, entre la roue de turbine (15) et le petit aimant cylindrique (1) du rotor, perpendiculairement à l'arbre (13) de la roue de turbine et dans une position qui le place plus près de cette roue que de l'aimant, un écran magnétique constitué par une cloison (9) sensiblement plane et de forme préférentielle circulaire ins- crite dans un diamètre qui est au moins égal au diamètre de la roue de turbine et comportant dans sa partie centrale un ori- fice sensiblement circulaire permettant le libre passage de l'arbre de la turbine avec un faible Jeu et, en ce que, d'autre part, on prévoit que la forme de la surface polaire intérieure du stator (2) à travers laquelle passe le flux magnétique four- ni par l'aimant cylindrique bipolaire lisse du rotor (1) soit celle d'un cylindre coupé seulement, suivant deux lignes généra situées dans le plan de symétrie des deux pièces polaires (2) du stator, par deux très petits entrefers (3) dont l'épaisseur individuelle est telle que l'angle au centre (y intercepté par chacun des petits arcs occupés par ces petits entrefers (3) sur le périmètre extérieur de l'entrefer cylindrique compris entre rotor et stator, soit inférieur à 15 et, on donne au profil de la découpe de ces petits entrefers (3) une forme qui, à partir du point de départ de cette découpe situé sur la surface cylindrique qui s'appuie sur la surface intérieure des deux p8les magnétiques (2) du stator, va en s'évasant très ra- ll 1 1 7 pidement vers l'extérieur suivant un angle de divergence p supérieur à 30 . 2) Microturboalternateur hydraulique selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cloison (9) sensiblement plane, for- mant écran magnétique entre la chambre d'eau (20) contenant l'ai- mant(1) du rotor et la chambre d'eau (22) contenant la roue de turbine, comporte autour de son orifice central une petite col- lerette cylindrique (23) dirigée vers le dos de la roue de tur- bine (15), la dite collerette venant se placer dans un petit logement cylindrique formé dans le dos du moyeu central (12) de la roue de turbine autour de son arbre (13). 3) Microturboalternateur hydraulique selon. les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le corps du microalternateur est entièrement formé et constitué à l'aide d'un unique surmoulage en matière plastique enrobant en totalité ou presque le stator. feuilleté du microalternateur, ce surmoulage étant effectué dans un moule dont le noyau central, destiné à former la cham- bre d'eau (20, dans laquelle vient tourner le rotor de l'alter- nateur,ala forme extérieure, à la dépouille nécessaire près, d'un cylindre lisse dont le diamètre est égal au diamètre du rotor de ce microalternateur augmenté d'une fraction de l'épais- seur radiale de l'entrefer entre rotor et stator compremise entre 30 et 70 %.