Brevet FR2643521A1 — publié le 19900824

CONVERTISSEUR D'ENERGIE INDUClIF ET UtILISATION EN CANON ELECTROMAGNETIQUE, AINSI QUE POUR L'ALIMENTATION EN ENERGiE D'APPAREILS. La présente invention concerne un convertisseur d'énergie inductif, comportant une bobine et un corps conducteur pouvant être déplacé à travers la bobine, en outre, l'invention se rapporte à une utilisation du convertisseur d'énergie inductif en canon électromagnétique ainsi que pour l'alimentation en énergie d'appareils à faire fonctionner avec une forte puissance pendant un intervalle de temps prédéterminé. Les canons à induction ou à rails de contact sont des convertisseurs d'énergie connus pour la transformation directe d'énergie électromagnétique en énergie cinétique (voir par exemple R.M. Ogokiewicz "Canons électromagnétiques pour chars de combat", Internationale Wehrrevue 3/1.986, pages 361 et suivantes). L'inconvénient des canons à induction est leur complexité de montage importante. L'inconvénient des canons à rails de contact est leur forte consommation de courant dans la gamme MA. La présente invention a pour objet de développer un convertisseur d'énergie du type indiqué qui nécessite, avec une faible complexité de montage, une consommation de courant plus faible que les dispositifs connus. Pour atteindre cet objectif, selon l'invention, - il y a dans le bobine un rail de contact disposé de façon à être isolé de la bobine; - les spires de la bobine présentent des zones de contact à intervalles prédéterminés, - le corps conducteur mobile relie électriquement pendant son déplacement à travers la bobine les zones de contact au rail de contact. Selon les utilisations avantageuses de l'invention, - on utilise le convertisseur d'énergie inductif en canon électromagnétique, le corps mobile étant un projectile; - dans le cadre de cette utilisation, les projectiles sont des projectiles annulaires ou des projectiles à sabot; on peut utiliser le convertisseur d'énergie inductif pour l'alimentation en énergie d'appareils à faire fonctionner avec une forte puissance pendant un intervalle de temps prédéterminé. D'autres avantages et détails de l'invention vont être décrits à présent sur des exemples de réalisation, à l'aide du dessin annexé dont: les figures 1 à 3 représentent schématiquement un dispositif selon l'invention dans lequel le convertisseur u d'énergie sert d'accélérateur; la figure 4 est une coupe transversale du dispositif selon l'invention conforme à la revendication 1, suivant la ligne I-I; La figure 5 représente un exemple de réalisation pratique de canon électromagnétique; la figure b est une représentation en coupe transversale de ce canon suivant la ligne II-II; la figure 7 est une représentation d'un exemple de réalisation de projectile, et la figure 8 représente l'exemple de réalisation d'un convertisseur d'énergie en appareil d'alimentation en énergie à haute performance. Le transducteur d'énergie inductif représenté sur la figure 1 comprend une bobine 1 dans laquelle se trouve 2 un piston 2 électriquement conducteur, se présentant sous la forme d'un cylindre creux ou plein. Sur les spires de la bobine 1 se trouvent des pièces de contact 3, 3', 3" etc. Dans la bobine 1 est disposé un rail de contact 4. L'alimentation en énergie 7 J0 du convertisseur d'énergie inductif comprend une batterie de condensateurs 8 de capacité Co. une bobine 9 de coefficient d'autoinduction Lo et les interrupteurs 10 et 11. On va décrire à présent avec davantage de détails le fonctionnement du dispositif selon l'invention. La figure 1 représente la situation initiale. Le piston 2 se trouve à l'intérieur de la première spire de la bobine 1. I1 relie la pièce de contact 3 de la première spire au rail de contact 4. La spire et le piston 2 sont blen couplés magnétiquement. La batterie de condensateurs 8 de capacité Co est chargée à la tension Uo. Une énergie électrique 1/2. CO. U2o y est emmagasinée. Après la fermeture de l'interruptteur 10 à l'instant t = O, la batterie de condensateurs 8 se décharge dans la bobine 9. Lorsque la batterie de condensateurs 8 est à l'instant t = ti = /2.VLo, Co entièrement déchargée, l'énergie Wo se trouve dans lu la bobine 9. A cet instant, l'interrupteur 10 s'ouvre et l'interrupteur 11 se ferment dans le même temps. La bobine 9 transmet le courant i par la borne 6, la première spire de la bobine 1, le contact 3 de cette spire, le piston 2, le rail de contact 4 et la borne 5. Il se superpose au courant i passant par le piston 2 (comme on l'a représenté sur la figure 4) un courant de Foucault iw qui est désigné par la référence 12. Le couplage magnétique étroit entre le piston 2 et la bobine induit un courant de Foucault presqu'égal, mals O circulant en sens inverse,-dans le piston (règle de Lenz), qui se superpose au courant i à travers le piston 2. Du fait que le courant i des spires et le courant de Foucault iw ont des sens opposés, une force F agit (comme dans le cas d'un canon a induction) sur le piston 2, laquelle l'accélère en direction de la bouche. Lorsque le piston 2 atteint la pièce de contact 3' - de la seconde spire (figure 2), un courant commence également par y passer. Lors de la progression ultérieure du piston 2, la liaison entre la pièce de contact 3 et le rail de contact 4 est (comme on l'a représenté sur la figure 3) interrompue. Le courant passe en outre par la première spire. I1 est cependant commuté, sans interrupteurs supplémentaires, comme il en faudrait dans le cas des canons à induction connu, dans l'inductance totale de cette seconde spire, très faible en raison de la forte inductance mutuelle entre le piston de court-circuit 2 et les spires 3' (figure 3). Au cours de ce processus, le courant de Foucault i. et la force agissant sur le piston sont maintenus. Les processus précités se répètent à chaque autre spire jusqu'à ce que le piston 2 quitte la bobine 1 à son extrémité côté bouche. La suite montre qu'en outre la consommation du courant de cet accélérateur est beaucoup plus faible que la consommation de courant des canons à rails de contact. En négligeant les énergies dissipatives (pertes thermiques ohmiques, pertes de frottement, pertes de commutation par champs de fuite magnétiques, etc), on lu obtient le bilan énergétique du système par la relation suivante: WO = 1/2 1 (x). i2 - M i. 1 + 1/2. L2. i-2 + Wl(1} L(x) = Lo + Lo. (x) y représente l'inductance totale du système parcouru par le courant i lorsque le piston 2 se trouve au point x dans la bobine 1, M l'inductance mutuelle sensiblement constante entre le piston 2 et la bobine 1, L2 l'inductance et Wei.. l'énergie cinétique du piston. Pour l'inductance L, pour ce calcul approximatif de la partie de la bobine 1 parcourue par le courant, supposée longue, on a approximativement: L, vo. w2 (x). A/x (2) Dans cette relation o = 4 w. 10-7 H/m représente la constante de perméabilité magnétique, x l'emplacement du piston 2 dans la bobine 1, w(x) le nombre des spires parcourues par le courant de la bobine 1 et A la surface de section droite de la bobine. Pour le nombre de spires w(x), on a approximativement W(x) = N. x/1 (3) N représentant le nombre de toutes les spires et 1 la longueur totale de la bobine 1. L'inductance totale de l'ensemble parcouru par le courant i est donc donnée approximativement, en utilisant les équations (2) et (3), par L(x) = Lo + L. = Lo + o. N2. A/1. x/1 (4) L'introduction de l'équation (4) dans le bilan énergétique (11 et la différentiation partielle par rapport au trajet x donne, pour un couplage magnétique entre le piston 2 et les spires correspondantes de la bobine 1, supposé très bon, en raison de Weir =| F. dx (S> pour la valeur de la force F agissant sur le piston 2, l'expression: F = 1/2.DL/ x. ix avec DL/)x = o. N2. A/12 = L' {7) L'équation (6) est également indlquee pour les lu canons à rails de contact. Dans le cas des canons à rails de contact, L' vaut en général environ 0,5 p H/m. Dans le cas de l'accélérateur décrit ici, pour une section droite correspondant à un calibre de 120 mm, A = 1,12.10-2 m2, une longeur 1 = 7m et un nombre de spires N = 350, on obtient une valeur L' = 35,5 pH/m. Pour exercer sur la masse à accélérer la même force que pour un canon à rail de contact, il faut donc environ un huitième de sa consommation de courant (voir équation (b);. La figure 5 représente un exemple de réalisation pratique d'un accélérateur selon l'invention. Dans ce cas, la référence 20 désigne la bobine qui comprend essentiellement un tube en matière isolante 21 renforcé aux fibres pour la fixation mécanique des spires 22. Entre les 2b spires 22, il y a un enroulement de matière isolante 23. La référence 24 désigne la borne de la bobine qui correspond à la borne 6 sur la figure 1. Dans la bobine 1 se trouve le piston 25 qui peut être, par exemple, un projectile annulaire. Le rail de contact est désigné par la référence 26 et la borne du rail de contact par la référence 27. Le rail de contact 27 est isolé de la spire 22 par une couche intermédiaire 28. Dans l'exemple d'exécution pratique, il manque les pièces de contact désignées par la référence 3 sur la 3$ figure 1. Au contraire, la mise en contact est effectuée directement par les spires 22, de sorte que le courant passe par la spire 22, le projectile annulaire 25 et le rail de contact 26. Comme dimensions typiques des dispositifs, on peut indiquer calibre du tube du canon: 120 mm, épaisseur de paroi du tube en matière isolante renforcé aux fibres 21: 2u mm, longeur du tube: 7 m, nombre des spires 22: 350, b intervalle entre spires: environ 0,5 cm. Au lieu de réaliser le piston 25 sous la forme d'un projectile annulaire, on peut aussi accélérer, par exemple, un ensemble projectile-sabot, comme on l'a esquissé à titre d'exemple sur la figure 7. On y a désigné le projectile lu vecteur par la référence 30, le projectile par la référence 31 et le sabot par la référence 32. Le sabot 32 se compose du piston 33 et d'une section plastique 34 se composant de segments. Le projectile vecteur 30 est introduit dans l'accélarateur. Il n'y a pas besoin de culasse, comme dans des canons classiques. On va décrire à présent avec davantage de détails l'utilisation du dispositif selon l'invention en dispositif d'alimentation en énergie à haute puissance (par exemple, pour des canons). Des appareils connus de conversion directe d'énergie cinétique en énergie électromagnétique, qui fonctionnent à des densités d'énergie et de puissance élevées, sont représentés par ce qu'on appelle des générateurs de compression du flux magnétique (voir, par exemple, R. Hawke, A. Brooks et autres, "Results of Railgun Experiments powered by Flux Compression Generators", IEEE, Trans. on Magnetics MAG-18 (1) 1982, pages 82 à 93). Dans le cas de ces générateurs, selon leur principe, on déplace l'un vers l'autre deux conducteurs parcourus par le courant en sens inverse à l'aide d'explosifs, le flux magnétique entre les deux conducteurs étant comprimé. Ainsi, l'énergie accumulée dans le champ magnétique entre les conducteurs augmente: l'énergie cinétique est transformée en énergie électromagnétique. Un inconvénient de ces générateurs consiste en ce qu'ils sont détruits pendant la conversion d'énergie. Cet inconvénient est évité dans le cas du convertisseur d'énergie selon l'invention. La structure et le fonctionnement du convertisseur d'énergie selon l'invention sont représentes schématiquement sur la figure 8. Le convertisseur d'énergie comprend essentiellement b la bobine 40 dans laquelle se trouve le piston 41 se présentant sous la forme d'un cylindre plein bon conducteur. Dans la bobine 40 est placé le rail de contact 42. Sur les spires de la bobine 40 se trouvent les pièces de contact 43. Tout l'ensemble se trouve dans un boîtier 44 représenté en tirets, à l'épreuve de la pression, dans lequel se trouve un compartiment 45 pour recevoir une charge propulsive 46 appropriée. Le compartiment 45 est fermé par le piston 41 et le couvercle de fermeture 47. Aux bornes 48 et 49 de la bobine et du rail de contact 42 se raccordent un acuumulateur d'énergie et un circuit de charge. L'ensemble de l'accumulateur d'énergie et du circuit de charge comprend, dans l'exemple de réalisation représenté, une batterie de condensateurs 50, les 2U interrupteurs 51, 52 et 53, ainsi que l'appareil 54 qui doit fonctionner à grande puissance. Au début du processus de conversion d'énergie, le piston 41 se trouve à l'endroit indiqué sur la figure 8 et relie la pièce de contact 43 de la dernière spire de la bobine 40 du rail de contact 42. La batterie de condensateurs 50 est chargée à une tension Uo. A l'instant t = O, l'interrupteur 51 se ferme. La batterie de condensateurs 50 se décharge par l'intermédiaire de l'interrupteur 51, de la borne 48, de la bobine 40; de la pièce de contact 43 de la dernière spire de la bobine du piston 41, du rail de contact 42 et de la borne 49. Un faible courant de Foucault de sens opposé à celui du courant dans les spires est induit dans le piston 41, lequel déplace le flux magnétique engendré par la bobine 40 parcourue par le courant du piston 41. Il s'exerce sur le piston 41 une légère force qui tend à la déplacer dans la direction du couvercle de fermeture 47. Du fait que le piston 41 est bloque par un anneau 55 inséré dans le boîtier 44, il ne peut se déplacer dans ce sens. Une fois la batterie de condensateurs 5U complètement déchargée, l'energle totale Wo qui y a éte accumulée lnltlalement se trouve dans la bobine 40. Ensuite, la charge propulsive 46 est enflammée. A l'lnstant t = tl, l'interrupteur 51 s'ouvre et l'interrupteur 52 se ferme. La bobine 40 est alors court- circuitée. La charge propulsive 46 dégage des gaz de haute pression faisant pénétrer à l'instant t = t. le piston 41 dans la bobine 40 (ces processus correspondent, dans leur principe, aux processus représentés sur la figure 1, dans l'ordre inverse). Du fait que le courant passant par les spires de la bobine 40 excerce une force sur le piston 41 parcouru par le courant de Foucault, en sens opposé à son sens de déplacement désigné par une flèche, la bobine 40 reçoit de l'énergie. Le courant passant par la bobine 40, dont l'lnductance diminue de plus en plus, du fait que de moins en moins de spires sont parcourues par le courant, augmente alors. Cela a pour conséquence que le flux magnétique est zu comprimé. Avant que le piston 41 ait atteint la première spire de la bobine 40, à l'instant t = t2, l'interrupteur 52 s'ouvre et l'interrupteur 53 se ferme. Le courant passant par la branche de l'interrupteur 52 commute alors dans la branche de la charge 54. La bobine 40 chargée en énergie se décharge alors avec une forte puissance dans la charge 54. En accordant soigneusement la masse du piston 41, le contenu énergétique de la charge propulsive 46 et le contenu énergétique initial de la batterie de condensateurs , on parvient à freiner le piston 41, avant sa sortie du canal d'accélération, à l'aide des forces électromagnétiques qui agissent sur lui, à une vitesse réduite, de sorte qu'il peut être intercepté et réutilisé. La structure de réalisation du convertisseur d'énergie dans le type de fonctionnement "alimentation en énergie à haute puissance" correspond pour la partie essentielle à l'esquisse de réalisation représentée sur les figures 5 et 6. Le piston 25 est, cependant, réalisé sous la forme d'un cylindre plein de culvre bon conducteur, qul est recouvert sur sa surface supérieure par une matiere résistante à l'arc (par exemple du culvre, un alliage de tungstène) IU REVENDICATIONS 1. Convertisseur d'énergie inductif comportant une bobine (1; 20; 40) et un corps conducteur (2; 25; 30; 41} pouvant être déplacé à travers la bobine (1; 20; 40), caractérisé par les caractéristiques suivantes: - dans la bobine (1; 20; 40) se trouve un rail de contact (4; 26; 42) disposé de façon à être isolé de la bobine (1; 20; 40); - les spires de la bobine (1; 20; 40) comportent des zones de contact (3; 29; 43) à intervalles prédéterminés; - le corps conducteur mobile (2; 25; 30; 41) relie électriquement, pendant son déplacement à travers la bobine (1; 20; 40), les zones de contact (3; 29; 43) au rail de 1t contact (4; 26; 42). 2. Utilisation du convertisseur d'énergie lnductlit selon la revendication 1 en canon électromagnétique, le corps mobile (2; 25; 3U) étant un projectile. 3. Canon électromagnétique selon la revendication zu 2, caractérisé en ce que les projectiles (2; 25; 3u) sont des projectiles annulaires (25) ou des projectiles à sabot (30). 4. Utilisation du convertisseur d'énergie inductif selon la revendication 1 pour l'alimentation en énergie d'appareils (34) à faire fonctionner avec une haute puissance pendant un intervalle de temps prédéterminé