Brevet FR2587855A1 — publié le 19870327

Génératrice électrlaue lmDulslQnnelle à effet d'écran L' invention, faite au Laboratoire d'Electrotechnique des Universités de Paris VI et Paris XI, équipe de recherche associée au CNRS n 07 08 38, concerne les génératrices électriques tournantes destinées à fonctionner en régime impulsionnel, du type dit à effet d'écran, comprenant au moins un disque rotorique massif ayant des dents en matériau conducteur destinées à faire varier l'inductance d'un bobinage fixe créant un champ magnétique unipolaire lorsqu'il est alimenté en courant continu. On connait déjà de telles génératrices permettant de fournir des énergies élevées en régime impulsionnel. Comparées aux machines unipolaires, ces génératrices ont l'avantage de ne pas avoir de contacts électriques frottants. Comparées aux machines asynchrones sans fer, elles ont l'avantage de ne pas exiger une batterie de condensateurs importante. En contrepartie, les génératrices impulsionnelles à effet d'écran connues à l'heure actuelle ont l'inconvénient d'avoir des pertes importantes et d'être la source d'échauffements locaux, ce qui conduit à leur donner une masse plus élevée qu'aux deux autres types de machine. Le principe de base sur lequel fonctionnent les machines à effet d'écran apparait sur la Figure 1. La machine comporte un disque rotorique 16 porté par un arbre d'entraînement non représenté, tournant autour d'un axe 18. Ce disque comporte des dents 20 en forme de coin s'élargissant vers l'extérieur, régulièrement réparties. Lorsque le disque 16 tourne, les dents passent successivement devant un jeu d'au moins deux bobines 22 et 24. La bobine 22 est associée à une source permettant de l'alimenter en courant continu. La bobine 24 est reliée à une charge (non représentée). Le passage d'une dent face à la bobine 22 diminue le flux qui la traverse, par effet d'écran. Il y a donc, lors du passage de dents successives, modulation du flux dans la bobine et création d'une différence de potentiel aux bornes de la bobine 24 qui se comporte comme une source de tension alternative. Pour augmenter la puissance d'une telle machine, on peut augmenter le nombre de jeux de bobines 22 et 24 en répartissant plusieurs jeux de bobines circonférentiellement autour de l'axe 18, de manière à accroître la puissance totale extractible pour un disque. On peut également monter sur le même arbre plusieurs disques et les jeux de bobines associés. Les machines dont le principe vient d'être décrit ont donné lieu à de nombreuses réalisations. On trouvera une description d'une telle réalisation par exemple dans l'article "A rotating flux compressor for energy conversion" par P. Chowdhuri et Coll., Los Alamos National Laboratory, Albuquerque 1983. La réalisation décrite dans cet article utilise, comme source de courant continu, une batterie de condensateurs. La même bobine est utilisée pour recevoir l'énergie fournie par la batterie de condensateurs lorsque les dents sont entre deux bobines successives, et pour restituer l'énergie stockée et celle empruntée à l'énergie cinétique du rotor lorsque les dents viennent dans une position adjacente aux bobines et compriment le flux. On identifie sur une telle machine les inconvénients mentionnés plus haut : la fréquence des champs magnétiques engendrés est élevée, ce qui fait que les courants circulent dans une peau de faible épaisseur, où l'intensité est très élevée. Cette intensité élevée provoque des échauffements locaux importants qui interdisent la mise en oeuvre de champs magnétiques forts et limitent la puissance de la machine. Pour que cette puissance soit suffisamment élevée, il est nécessaire que la vitesse périphérique soit grande, ce qui exige un grand nombre de dents et un grand diamètre. L'invention vise à fournir une génératrice électrique tournante du type ci-dessus défini, répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle atténue les effets de la faible épaisseur de peau. Dans ce but, l'invention propose notamment une génératrice qui comprend également au moins un enroulement polyphasé adjacent aux dents et connectable en série avec ledit bobinage, monté autour du disque denté, par l'intermédiaire d'un redresseur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1, déjà mentionnée, est un schéma montrant le principe de fonctionnement d'une génératrice connue à effet d'écran, - la Figure 2 est une vue en coupe très schématique d'une génératrice suivant un premier mode de réalisation de l'invention, - la Figure 3 est une vue en perspective éclatée montrant le disque rotorique, un des enroulements polyphasés et le bobinage fixe de la génératrice de la Figure 2, - la Figure 4 est un diagramme montrant la variation dans le temps des courants dans la génératrice de la Figure 2, - la Figure 4A montre à grande échelle le fragment A de la Figure 4, - la Figure 5 est un schéma en élévation destiné à faire apparaître l'épaisseur de peau dans le disque rotorique de la génératrice de la Figure 2, - la Figure 6 est une vue en perspective, avec des parties en coupe, montrant l'empilement de plusieurs modules pour constituer une génératrice suivant une variante de réalisation, - la Figure 7 est une vue en coupe suivant un plan passant par l'axe d'une génératrice constituant encore un autre mode de réalisation, - la Figure 8 est un schéma électrique montrant les liaisons entre les divers composants du mode de réalisation de la Figure 7, - les Figures 9 et 10, similaires aux Figures 7 et 8, montrent encore un autre mode de réalisation, - les Figures Il et 12, similaires à la Figure 7, montrent d'autres variantes encore de réalisation, - les Figures 13, 14 et 15 montrent une constitution possible de l'empilement de disques d'une machine à plusieurs modules, - la Figure 16 est une vue en perspective avec des parties éclatées, montrant les constituants principaux d'un autre mode encore de réalisation. La génératrice dont un schéma de principe est donné en Figure 2 est destinée à fournir des décharges "courtes", ce terme signifiant qu'à chaque fonctionnement elle fournit une impulsion de forte énergie pendant une durée telle que le courant dans l'enroulement et dans le bobinage croit rapidement et que les épaisseurs de "peau" seule parcourue par le courant soient faibles par rapport aux dimensions des dents dans le sens circonférentiel. La génératrice montrée en Figures 2 et 3 comporte un disque 16 présentant des dents 20 régulièrement réparties. Le disque comporte six dents dans le cas montré en Figure 3, mais ce chiffre n'est nullement limitatif. Le disque 16 est encadré par deux enroulements plats polyphasés 24 et 24g, disposés symétriquement par rapport au disque. Ces enroulements sont montés en série de façon à être parcourus par le même courant et ils fournissent un champ dont les lignes de force sont sensiblement axiales lorsqu'elles ne sont pas déformées par la présence des dents. Autour du disque 16 est placé un bobinage fixe 22 de révolution, destiné à être parcouru par un courant lentement variable et fournissant alors un champ unipolaire B. Les enroulements polyphasés 24 et 24a sont reliés au bobinage de révolution 22 par l'intermédiaire d'un redresseur 28 constitué par exemple par un pont de Graetz. L'ensemble ainsi constitué est à son tour mis en série avec une charge 30, représentée par une bobine, et un système commutateur 31. Ce système comporte par exemple un interrupteur principal en parallèle avec un montage comportant une source de tension d'amorçage (batterie ou condensateur préchargé), une impédance et un interrupteur d'amorçage. Cet interrupteur est fermé le premier ; dès que le courant s'établit, l'interrupteur principal est fermé. Puis on ouvre l'interrupteur d'amorçage. Le bobinage 22 et les enroulements 24 et 24a appartiennent au stator de la génératrice. Ils sont portés par une carcasse 32 dont seul le contour est montré sur la Figure 2 et qui peut être du type classiquement utilisé pour les génératrices impulsionnelles à effet d'écran. Le disque rotorique 16 est de son côté porté par un arbre 34 qui tourne dans la carcasse 32. Le rotor et le stator ne comporteront en général pas de matériau ferromagnétique, qui serait inutile du fait des inductions très élevées. Le disque peut être une simple plaque massive en métal bon conducteur, calée sur l'arbre 34 supporté, dans la carcasse 32, par des paliers non représentés. Il est entraîné par un moteur capable de fonctionner à vitesse variable, tel qu'un moteur asynchrone ou une turbine, associé éventuellement à un volant. Les enroulements peuvent avoir des constitutions variées. Il est toutefois avantageux d'adopter des enroulements plats 24 et 24a du type décrit dans l'article de F. Sultanem et C. Rioux "Iron-free solid disc rotor asynchronous machines", J. APPL. PHYS. 50 (12), Décembre 1979, p. 8232. La Figure 3 montre un tel enroulement triphasé, en limitant la représentation å quelques conducteurs pour plus de clarté. On voit que les spires présentent, sur chaque face de l'enroulement 24, une forme en spirale sans partie droite. Les tranches des dents 20 du rotor ont avantageusement une courbure proche de celle des spires, ce qui permet, d'une part, d'obtenir une variation importante du flux dans l'enroulement polyphasé, d'autre part, d'avoir une tenue mécanique des dents bien meilleure que dans le cas d'une forme en coin du genre montré en Figure 1. On voit que, lorsque le circuit montré en Figure 2 se ferme, le courant dans le bobinage 22 augmente rapidement. L'effet d'écran produit par les dents 20 du disque 16 crée une distribution du champ axial qui est non homogène dans le sens azimutal. Ce champ se comporte comme la composition d'un champ multipolaire et d'un champ continu. Le champ multipolaire axial engendre à son tour, au travers des enroulements polyphasés 24 et 24g, une tension polyphasée qui alimente le redresseur 28. Aux bornes de sortie de ce redresseur apparait une tension continue qui fait croitre le courant circulant dans l'ensemble du système.On aboutit alors, si l'impulsion de courant est maintenue à une durée très courte, à un fonctionnement proche de celui des machines unipolaires sans fer ou des machines asynchrones sans fer, décrites dans l'article de Sultanem et Coll. cidessus mentionné. Le courant I1 dans l'une des phases des enroulements 24 et 24a et le courant continu Ic dans le bobinage 22 ont alors une loi de variation du genre montré en Figures 4 et 4a. Les zones s dans lesquelles Ic et I1 coincident correspondent aux temps de conduction des éléments redresseurs associés à la phase correspondante. Pour que la génératrice qui vient d'être décrite ait un rendement satisfaisant, il convient que l'épaisseur 9 de la peau dans laquelle circulent les courants soit faible vis-à-vis des dimensions des dents, afin que les variations de flux restent importantes. Mais il faut également que le courant Ic augmente suffisamment lentement pour que l'épaisseur de peau ne soit pas trop faible, ce qui se traduirait par des pertes élevées du fait de la densité de courant excessive. En général, il est facile de remplir la seconde condition. Par contre, la première contraint généralement à limiter la durée d'impulsion. On peut considérer qu'en général il est nécessaire que 9 soit inférieur au dixième du rayon du disque.Dans la pratique, cela conduira, pour un disque de quelques décimètres de rayon, à une épaisseur de peau de quelques centimètres, qui limite la durée de chaque impulsion à une valeur de quelques dizaines de millisecondes. Au-delà, les performances de la génératrice qui vient d'être décrite diminuent notablement. Cette génératrice convient donc bien pour la réalisation de génératrices impulsionnelles ayant un temps de décharge court et à décharge partielle, car une décharge quasi totale de l'énergie cinétique emmagasinée provoquerait des efforts élevés. Pour améliorer le couplage électromécanique entre le rotor et les enroulements polyphasés, on peut utiliser, non plus un seul disque 16, mais un empilement de disques rotoriques alternés avec des enroulements polyphasés statoriques. Une telle disposition est montrée schématiquement sur la Figure 6, où les organes correspondant à ceux de la Figure 2 portent le même numéro de référence. On voit que les disques successifs 16 et les enroulements polyphasés 24 sont étroitement imbriqués et placés dans un même bobinage de révolution 22, qui n' est plus cette fois de forme plate, mais est constitué par un solénoïde. Utilisé isolément, le montage qui vient d'être décrit n'est adapté qu'à la production de décharges courtes, car la modulation du flux par les dents devient trop faible en cas de décharge longue. Mais on peut synthétiser des décharges longues, ou même un régime permanent, par accumulation d'impulsions courtes successives. On décrira maintenant des génératrices comportant plusieurs modules ayant chacun au moins un disque denté, tous les disques étant entrainés par le même arbre et les disques coopérant avec des enroulements ayant un couplage électromagnétique. La Figure 7 montre une constitution possible d'une telle génératrice. Le rotor 36 comporte un arbre rotatif 34 sur lequel sont fixés deux disques 16 et 38 munis de dents 20. Chaque disque est encadré par deux enroulements polyphasés 24 et 24a pour le disque 16, 40 et 40a pour le disque 38. Enfin, chaque disque 16 ou 38 est entouré par deux bobinages de révolution 22 et 22a pour le disque 16, 42 et 42a pour le disque 38. Chaque paire d'enroulements polyphasés 24-24a et 40-40a est reliée à un redresseur respectif 28 ou 44 (Figure 8). Un système commutateur d'amorçage 31 est placé en série avec un au moins des redresseurs 28 et 44. Chaque sortie continue de l'un des redresseurs alimente en cascade deux bobinages d'excitation associés chacun à l'un des disques. Enfin, deux ponts redresseurs supplémentaires 46 et 48 permettent d'alimenter la charge 30 en courant Ic de polarité constante. Dans un des montages en cascade, l'un des bobinages est inversé par rapport à l'autre pour assurer le fonctionnement. On voit que, lors de la fermeture du circuit par des moyens commutateurs non représentés, les enroulements polyphasés fournissent des courants à haute fréquence. Les redresseurs 28 et 44 transforment ces courants à haute fréquence en de nouveaux courants (à la sortie des redresseurs) dont la vitesse de variation est beaucoup plues lente (courant à moyenne fréquence). Du fait du montage en cascade des enroulements 24-24p, 42-42a, on crée entre les deux modules des courants à moyenne fréquence un -couplage réciproque qui fait que les phases correspondantes des deux modules fournissent, l'une un courant I1, l'autre un courant I2 ayant un déphasage de 90* par rapport au premier.Les ensembles de courants diphasés ainsi créés sont à leur tour redressés par les ponts 46 et 48 et alimentent la charge 30 par une impulsion de courant de sens défini. La génératrice qui vient d'être décrite peut meme fonctionner en régime permanent si des moyens de stabilisation du courant sont prévus (soit au niveau del'entraînement du rotor, soit au niveau de la charge). Cependant, son mode de fonctionnement le plus courant est celui d'une mono-impulsion longue dont la forme temporelle est tout à fait analogue à celle de la Figure 4. Pour assurer un fonctionnement plus régulier que le couplage diphasé qui vient d'être décrit, (Fig.8), on peut utiliser un nombre de modules supérieur à 2. Dans le cas par exemple montré en Figures 9 et 10 (ou les organes correspondant à ceux montrés en Figure 7 portent le même numéro de référence), trois modules sont prévus et chaque disque est associé à trois bobinages. Par exemple, le troisième disque denté 50 est encadré par deux enroulements polyphasés 52 et 52a et il est entouré par trois bobinages 54, 549 et 54b. Le montage électrique peut alors être celui montré en Figure 10. L'invention est susceptible de nombreuses autres modifications de nature technologique. Par exemple, il est possible de prévoir plusieurs modules constitués chacun par une alternance de disques rotoriques et d'enroulements polyphasés, comme le montre les Figures 11 et 12. Dans ce cas, les bobinages associés à un même module peuvent prendre la forme de solénoïdes concentriques 56 et 58 (Figure 11) ou rester distincts (Figure 12). Les dispositions qui viennent d'être décrites sont susceptibles de nombreuses réalisations technologiques. A titre d'exemples, les Figures 13 à 15 montrent une constitution possible du rotor sous forme d'un empilage de disques dentés 16. Les disques sont reliés entre eux et éventuellement à un volant d'inertie par des tiges longitudinales 60 munies d'écrous de serrage non représentés. Les disques présentent une partie centrale épaisse. Les dents 20 ont une épaisseur réduite de façon à laisser la place nécessaire aux enroulements 24. Les disques terminaux peuvent être fixés à des tourillons 62 également maintenus par les tiges 60. Des saillies 64 peuvent être prévues sur les disques, tels que celui montré en perspective en Figure 15, et s'engager dans des évidements prévus dans le disque adjacent afin d'éviter d'appliquer des efforts de cisaillement relatif aux tiges 60. On peut donner au dispositif une constitution du genre "cylindrique" plutôt que "plate" en adoptant par exemple la disposition schématisée en Figure 16. La machine montrée sur cette Figure a un fonctionnement, du point de vue électrique, similaire à celui de la machine de la Figure 2. Le rotor est constitué par une pièce qui n'est pas de révolution, mais a simplement une symétrie de révolution d'ordre 2 (ou davantage). Ce rotor tourne à l'intérieur d'un bobinage inducteur 22 et d'un enroulement 24 concentrique au premier. D'autres variantes sont évidemment possibles et il doit être entendu qu'elles restent dans le cadre du présent brevet. REVENDICATIONS 1. Génératrice électrique tournante destinée à fonctionner en régime impulsionnel et à effet d'écran, comprenant au moins un disque rotorique massif ayant des dents en matériau conducteur destinées à faire varier l'inductance d'un bobinage fixe créant un champ magnétique unipolaire lorsqu'il est alimenté en courant continu, caractérisée en ce qu'elle comprend également au moins un enroulement polyphasé (24) adjacent aux dents et connectable en série avec ledit bobinage (22), monté autour du disque denté (16), par l'intermédiaire d'un redresseur. 2. Génératrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que les enroulements sont plats et formés de spires en forme de spirale sans partie droite. 3. Génératrice selon la revendication 2, caractérisée en ce que les dents (20) du rotor ont une courbure proche de celle des spires. 4. Génératrice selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que le disque (16) est encadré par deux enroulements plats polyphasés (24, 24a) disposés symétriquement par rapport au disque et placés en série. 5. Génératrice selon l'une queconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est construite et utilisée de façon que l'épaisseur de la peau dans laquelle circulent les courants ne dépasse pas notablement le dixième du rayon du disque. 6. Génératrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'telle comporte un empilement de plusieurs disques (16) alternés avec des enroulements polyphasés statoriques. 7 . Génératrice selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor (36) de la génératrice comprend un nombre n de jeux de disques ayant chacun au moins un disque, n étant égal ou supérieur à 2, en ce que chaque disque est entouré par n bobinages de révolution élémentaires, et en ce que n branches de redressement sont prévues, comportant chacune n bobinages élémentaires associés chacun à l'un des jeux de disques.