Brevet FR2737819A1 — publié le 19970214

Groupe électrogène linéaire La présente invention est une construction de groupe électrogène constitué d'un moteur à pistons libres et d'un générateur-moteur électrique linéaire. Le domaine technique de l'invention concerne la production d'énergie électrique à partir d'énergie thermique, la compression des gaz et liquides, I'amortissement de chocs dus à des déplacements linéaires. Le problème technique résolu par ce produit est la maîtrise totale de la vitesse et position des pistons, il s'agit d'une difficulté caractéristique des moteurs à pistons libres. Le problème est résolu en utilisant l'effet de réaction mécanique du générateur sur le déplacement d'un noyau central, (liens magnétiques entre partie mobile et partie fixe = loi de Lenz). Dans le cas décrit ciaprès l'effet de réaction est piloté par une régulation qui agit sur la commutation électronique du générateur. L'extraction d'énergie cinétique du piston peut être faite à tout moment pendant la course des pistons, par une commande électrique. La compression des gaz avant explosion est contrôlable quel que soit le régime de fonctionnement par la maîtrise de la position des pistons. Ces possibilités d'intervention n'existent pas sur les moteurs thermiques classiques. intérêt Un gain de fiabilité et de longévité apparaît grâce à deux points: toutes les forces mises en jeu dans ce moteur sont progressives, I'absence de liaison mécanique avec l'extérieur interdit les phénomènes de chocs (dus aux accouplements mécaniques). la quantité réduite de pièces en mouvement limite les frottements et l'usure de l'appareil. La réduction des pièces mécaniques en mouvement et l'absence de pièces en rotation, donne à l'ensemble une inertie particulièrement faible (effet d'inertie inférieur à 0,2 seconde). Les avantages sont: Démarrage rapide par compression sur une chambre puis explosion. Arrêt immédiat par extinction de l'allumage, puis extraction maximum coté générateur. Accélération et décélération quasi instantanées, par dosage carburant-comburant. Encombrement, lubrification et entretien réduit, puisque peu de pièces en mouvement. Principe de base Deux chambres de combustion opposées (1), comportant chacune un piston(2). Le mouvement des pistons est de type deux temps. Les deux pistons sont liés en translation (5). Le mouvement provoqué par l'explosion dans une chambre, comprime les gaz dans la deuxième chambre et réciproquement. Entre ces deux pistons, un générateur électrique (alternateur linéaireX3), convertit de manière contrôlée, L'énergie cinétique des deux pistons en énergie électrique. Le sousensemble de régulation adapte les paramètres du système en fonction de la demande d'énergie électrique en aval. Ce générateur est utilisé en moteur, pour la phase de démarrage. fonctionnement L'énergie thermique qui apparaît dans les pistons (2) est transformée en énergie cinétique dans l'équipage mobile (2}(4) (5). Le générateur est de type linéaire, le noyau central (4) cylindrique est magnétisé, le stator (3) est composé de plusieurs bobinages indépendants (6), le couplage au circuit électrique est assuré par une électronique de puissance (7) (à thyristors par exemple). A chaque bobine est associé un composant de commutation (7). La commande des thyristors par le système de régulation permet de contrôler l'effet de réaction du générateur sur l'ensemble mobile : noyau et pistons. 1. Le déplacement du noyau magnétique (4) crée une source de tension sous forme de train d'impulsions aux bornes des bobines du générateur (6). 2. quand l'électronique de puissance (7) établi la connexion entre source et charge, l'intensité absorbée par la charge électrique crée une force qui s'oppose au déplacement du noyau, (loi de Lenz). 3. l'énergie cinétique de l'ensemble mobile (24-5) est convertie en énergie électrique par petites quantités à chaque variation de champ inducteur devant une bobine et simultanément circulation de courant dans cette bobine. 4. La conversion d'énergie thermique en énergie électrique se fait par une succession de conversions partielles. Le nombre et la durée des mini conversions permet d'adapter l'action du générateur à celle des gaz de combustion en expansion. C'est le sous-système de régulation qui permet le contrôle des paramètres de combustion et de conversion d'énergie. Plusieurs modules de régulation gèrent les événements à chaque cycle de combustion (Figure 2). Un module superviseur pilote l'ensemble en fonction d'informations globales (estimation de la charge électrique, calcul de la puissance thermique, mesure du régime de fonctionnement, contrôle des températures, ordre de démarrage et d'arrêt... ). Les régulateurs associés gèrent leurs paramètres en valeur instantanée pendant un cycle moteur. Démarrage Le démarrage de l'ensemble s'obtient grâce à la réversibilité du générateur qui peut fonctionner à la manière d'un moteur pas à pas linéaire. Chaque alimentation de bobine (6) provoque un mini-déplacement du noyau (4), la séquence d'alimentation des bobines permet de donner le sens et la vitesse voulue. Une source d'énergie (batterie) permet de lancer un ou plusieurs cycles en aller et retour avant de commuter en mode d'exploitation. Le processeur qui supporte la régulation (Figure 2), permet de réaliser un auto-test global, pendant cette phase de démarrage : état du générateur électrique (3) et vérification de l'étanchéité des chambres de combustion (1), du bon fonctionnement des vannes d'alimentation, de la lubrification ... Chambres de combustion Il s'agit d'un moteur deux temps, à injection et allumage commandé par circuits à composants électroniques. L'échappement des gaz brûlés est obtenu par la présence de lumières dans la chemise du cylindre., I'admission est de type à balayage par les lumières d'admission dans la chemise. Le volume arrière des pistons est utilisé pour précomprimer le comburant. Le carburant est mélangé au comburant pendant la phase de compression, par l'utilisation d'injecteurs. Cette injection se produit après la fermeture de la lumière d'échappement. Le volume de comburant est réglé en permanence par un dispositif à papillon ou type électrovanne. Générateur Le noyau mobile (4) est constitué d'un matériau magnétisé cylindrique assimilable à un empilement de pôles Sud et Nord. Le stator (3) est construit sur une longueur égale à celle du noyau ajoutée avec la longueur de course, de manière à présenter en permanence un stator sur toute la longueur du noyau. Le circuit magnétique stator (3) est composé d'anneaux en matériau à perméabilité magnétique (ferrite ou tôles ferro-magnétiques), ces anneaux sont empilés et referment le champ magnétique produit par le noyau. Les bobines (6) sont fixées au stator, de forme circulaire simple elles encerclent le noyau. Le pas magnétique est défini en étant la distance entre deux pôles magnétiques successifs. De manière à répartir dans le temps la production d'énergie électrique, le pas magnétique au stator est différent de celui du stator. Par exemple: 10 pôles du stator occupent la même longueur que 11 pôles du noyau, quand le noyau effectue un déplacement d'un pas magnétique stator il apparaît 11 impulsions successives de tension au stator (Figure 7). Pour faciliter la lecture des schémas, les pas magnétiques noyau et stator ont été dessinés égaux dans les autres figures. La mesure de position du noyau est obtenue à partir des tensions du stator, la vitesse est obtenue en mesurant l'écart de temps entre deux phénomènes électriques au stator. Ces données sont distribuées aux régulateurs qui utilisent ces informations. Variante avec noyau passif (Figures S et 6) Dans cette disposition le noyau ne produit pas de champ magnétique mais canalise un champ inducteur vers les induits. Ce dispositif permet de faire varier la valeur du champ inducteur, donc les tensions induites, sans utiliser de connexions glissantes sur le noyau. Le stator comporte alternativement un bobinage inducteur (11-13-...), puis un bobinage induit (10-12-14-...). A chaque inducteur peut donc être associé deux induits (le bobinage précédent et le bobinage suivant), le déplacement du noyau change l'accouplement de l'inducteur avec l'induit précédent, puis avec l'induit suivant. Par exemple sur la figure 5, I'inducteur (11) est associé à l'induit(10), dans la figure 6 l'inducteur(1 1) est associé cette fois à 1'induit(12). Pendant son trajet le circuit magnétique du noyau est construit de manière à ne pas faire varier l'inductance propre de l'inducteur. Pour faciliter la lecture des schémas, les pas magnétiques noyau et stator ont été dessinés égaux, mais cette variante utilise aussi le principe de la variation de pas magnétique pour répartir dans le temps la production d'énergie électrique (figure 7). Régulation (figure 2) Superviseur La régulation de l'ensemble (superviseur) a pour objet d'évaluer l'injection de mélange carburant comburant en fonction de la charge électrique estimée en aval du générateur. I1 détermine les paramètres du cycle à venir, par exemple: puissance thermique Vitesse estimée des pistons. Vitesse minimum pour recompression des gaz au cycle suivant. Répartition dans le temps de l'amortissement des pistons. Ces paramètres sont distribués aux 3 modules inférieurs qui régulent leur processus en fonctions de ces informations, pendant tout le trajet du noyau. Module A - régulateur de combustion A partir de la consigne puissance thermique et de données internes (températures, pressions...) il dose les quantités de comburant et de carburant, il détermine l'avance à l'allumage, et corrigera son action avec une mesure de vitesse initiale du noyau. Module B - sécurité Ce circuit de sécurité mesure en permanence la position et vitesse des pistons à partir des tensions de sortie du générateur. Cette information est distribuée aux autres modules. Elle est comparée aux seuils considérés dangereux (vitesse maxi en fonction de la position des pistons), un dépassement des limites provoque une action d'arrêt d'urgence, prioritaire sur les autres régulateurs : effet de freinage maximum du générateur, et arrêt de la fonction d'allumage du mélange. Des bobinages dédiés à l'arrêt d'urgence sont courtìrcuités en cas de défaillance grave de l'ensemble. Ce module B est construit en logique câblée et contrôle l'activité du processeur (logique programmée). Module C - régulateur de la conversion Le sous-système de régulation du générateur a pour fonction de convertir de manière contrôlée l'énergie mécanique en énergie électrique. La connaissance permanente de la position, vitesse et énergie cinétique de l'ensemble mobile permet d'estimer l'excédent d'énergie cinétique et l'effet de réaction à chaque consommation d'énergie électrique. La régulation du générateur adapte la puissance électrique du générateur, pendant le déplacement de pistons, de manière à: obtenir une compression suffisante avant l'explosion suivante éviter une sur-course des pistons, le choc d'un piston dans la culasse. assurer la fourniture d'énergie en phase avec la demande Une fonction complémentaire d'autotest permet de vérifier le bon fonctionnement de chaque bobine sollicitée, le fonctionnement correct est déterminé à partir des variations de vitesse du noyau. Applications Transport par véhicule bi-énergie Le produit décrit dans ce document peut donc jouer le rôle de moteur embarqué en appoint pour traction des véhicules électriques, la production d'énergie électrique permet d'augmenter la puissance instantanée, I'autonomie, éventuellement recharger les batteries en différé (en dehors des zones urbaines). Les cycles d'utilisation peuvent être fréquents (peu de pertes pendant les cycles démarrage-arrêt). L'émission de polluant devient réduite puisque le moteur thermique fonctionne à un régime optimal en terme de rendement et carburation. Groupe électrogène portable L'encombrement de l'ensemble est plus faible que ses équivalents, le niveau de bruit et vibrations est aussi plus faible. Par exemple pour l'alimentation électrique en caravaning, nautisme, chantiers mobiles, éclairage et outillage portatif en 24V ou 220V, continu ou alternatif. De plus le faible niveau de complexité mécanique autorise une fabrication d'équipement de petite puissance en deçà de la limite actuelle : technique ou économique. Groupe électrogène à faible inertie La faible inertie du générateur permet d'obtenir des caractéristiques d'inertie entre les groupes électrogènes conventionnels et les onduleurs sur batterie, en alliant la rapidité de mise en service, la facilité d'adaptation à la charge électrique, le rendement global et l'autonomie limitée par le réservoir de carburant. Amortisseur contrôlé Le générateur et son régulateur peut être utilisé en tant qu'amortisseur de choc. L'avantage majeur de cet amortisseur est une absence de dérive des caractéristiques par usure, un échauffement déporté (dans des résistances extérieures) et une facilité de moduler et réguler la puissance en fonction de variables extérieures au système d'amortissement REVENDICATIONS 1. Dispositif pour produire de l'énergie électrique à partir d 'énergie thermique caractérisé par l'utilisation contrôlée de l'effet de réaction d'un générateur électrique linéaire (34-6), à l'aide d'un régulateur (figure 2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur linéaire comporte un stator (3) constitué d'un empilement d'anneaux de matériau magnétique et de bobines (6), le tout orienté dans le même axe. Un noyau cylindrique (4) générateur d'un champ magnétique circulant selon l'axe du stator. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque bobine (6) est indépendante des autres et raccordée au circuit électrique externe par l'intermédiaire de composants électroniques à commutation contrôlée (7), de manière à établir la connexion d'une bobine quelconque indépendamment des autres. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le noyau (4) engendre une alternance régulière de pôles magnétiques, assimilables à des cercles perpendiculaires à l'axe du noyau. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'intervalle de distance entre deux pôles magnétiques du noyau (4) diffère de l'intervalle de distance entre deux pôles du stator (3) (figure7). 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure de la vitesse et position des pistons et du noyau, est obtenue par traitement de l'information des tensions produites par le générateur (34-6). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régulateur détermine les paramètres thermiques en fonction de la demande en aval du système, et agit sur le fonctionnement du générateur (3) en tenant compte du déplacement de son noyau (4). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le régulateur est dissocié par tâches et par durée de l'action (figure2). il se décompose en quatre modules: calcul global en valeur moyennes (superviseur), calcul de la combustion sur un cycle (module A: combustion), calcul de la conversion sur un cycle (module C: conversion), valeurs instantannées de position, vitesse, gestion de la sécurité (module B: sécurité). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1, 3, ou 6 à 8, caractérisé en ce que le noyau (4) du générateur est magnétiquement passif (figure 5 et 6), et permet d'accoupler un même inducteur (11) alternativement avec un induit voisin (10) puis l'autre (12).