Brevet FR3025950A1 — publié le 20160318

GÉNÉRATEUR ÉLECTRIQUE TORIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne de manière générale le domaine des générateurs électriques et plus particulièrement celui des générateurs électriques actionnés par un fluide sous pression. 10 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les générateurs électriques actionnés par un fluide sous pression (eau, air, vapeur) se composent classiquement d'une turbine entrainant un alternateur. Ils comprennent par conséquent un grand nombre de 15 pièces tournantes et sont complexes à fabriquer et à entretenir. Le but de la présente invention est par conséquent de proposer un générateur électrique, actionné par un fluide sous pression, qui soit 20 particulièrement simple et robuste. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention est définie par un générateur électrique comprenant un stator et un rotor, dans 25 lequel : - le stator comprend une chambre torique .en matériau amagnétique autour de laquelle sont disposées, 3025950 à intervalles angulaires réguliers, une pluralité de bobines d'induction enroulées autour de ladite chambre, le stator étant en outre muni d'un tube d'injection adapté à injecter un fluide sous pression dans ladite 5 chambre et d'un tube d'évacuation destiné à l'évacuer; - le rotor est composé d'une même pluralité d'aimants permanents disposés selon les mêmes intervalles angulaires que les bobines d'induction, chaque aimant permanent ayant une forme de tronçon de 10 tore adapté à glisser dans la chambre torique, deux aimants successifs quelconques de ladite pluralité étant reliés entre amagnétique. Avantageusement, 15 bobines d'induction eux par un élément de liaison le stator comprend, entre deux successives quelconques de ladite pluralité, un radiateur constitué d'une pluralité d'ailettes de refroidissement en matériau amagnétique, les ailettes étant montées orthogonalement à la surface de la chambre torique. 20 De préférence, le tube d'injection est monté de manière tangentielle ou à faible angle d'incidence par rapport à la surface de la chambre torique. Dans un mode de réalisation, la section du tube d'évacuation est sensiblement supérieure à la section 25 du tube d'injection. La distance entre l'orifice d'entrée du tube d'injection et l'orifice de sortie du tube d'évacuation est avantageusement choisie supérieure à la longueur d'un aimant permanent et inférieure à l'espacement 30 entre deux aimants permanents consécutifs. 3025950 Avantageusement, chaque aimant permanent comporte une surface crénelée, au moins pour la partie de l'aimant qui fait face à l'orifice d'injection lorsque la position du rotor est telle que l'aimant est situé devant ce dernier, les faces amont desdits créneaux étant alors sensiblement orthogonales à l'axe du tube d'injection. Les aimants permanents sont avantageusement équipés à leurs extrémités de segments d'étanchéité adaptés à 10 réaliser l'étanchéité avec la paroi intérieure de la chambre torique. Les aimants permanents présentent avantageusement chacun une réservation dans laquelle sont logées des billes de roulement en matériau amagnétique, les billes 15 de roulement venant en appui sur la paroi intérieure de la chambre torique. Les aimants permanents peuvent être réalisés par frittage. Ils peuvent être réalisés au moyen de composés choisis parmi Néodyme/Fer/Bore, AlNiCo, 20 Samarium/Cobalt. L'élément de liaison est avantageusement un jonc d'assemblage, le cas échéant équipé de pales sensiblement orthogonales à l'axe du tube d'injection, lorsque la position du rotor est telle que l'élément de 25 liaison est situé au niveau de ce tube. 3025950 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La Fig. 1 représente schématiquement une coupe du générateur électrique torique selon n mode de 5 réalisation de l'invention La Fig. 2 représente schématiquement une coupe du générateur de la Fig. 1 le long d'un arc de cercle A du cercle gyrateur du tore. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est de réduire le nombre de pièces en mouvement d'un générateur électrique en utilisant un stator ayant une forme de tore, directement alimenté par le fluide sous pression, et un rotor pouvant se déplacer au sein de ce tore, mis en mouvement par la circulation du fluide sous pression. Plus précisément, la Fig. 1 représente en coupe un générateur électrique torique, 100, selon un mode de réalisation de l'invention. On désignera de manière générale par tore la forme engendrée par la rotation d'une courbe fermée dans un plan (courbe génératrice), notamment un cercle, autour d'un axe ne coupant pas cette courbe. Pour faciliter l'illustration de l'invention, on supposera dans la suite que la courbe génératrice est un cercle. Ce cercle est appelé cercle générateur. Le cercle engendré par la rotation du centre du cercle générateur autour de l'axe de révolution sera désigné par cercle de gyration ou cercle gyrateur. Le rayon du cercle 3025950 gyrateur sera pris supérieur au rayon du cercle générateur. La coupe représentée en Fig. 1 est une coupe dans 5 le plan contenant le cercle gyrateur du tore. Le plan de coupe est donc un plan de symétrie orthogonal à l'axe de révolution du tore. Ce tore ou chambre torique, 110, forme le stator du générateur, 100. Il pourra être réalisé sous forme 10 de deux coques supérieure et inférieure, symétriques par rapport au plan de coupe de la figure, et assemblées à l'aide d'un joint torique. La chambre torique, 110, est réalisée dans un matériau amagnétique ou à très faible perméabilité 15 magnétique pour éviter les pertes de flux magnétique. Le choix du matériau pourra se porter sur des bronzes alliés, un acier inox amagnétique, ou bien encore sur des matériaux composites, en particulier à base de fibres de carbone. 20 Des bobines d'induction, 120, sont disposées à intervalles angulaires réguliers le long de la circonférence du tore. Ces bobines d'induction sont avantageusement montées sur un support isolant de forme torique dont le diamètre intérieur est légèrement 25 supérieur à celui du cercle générateur, de manière à éviter des pertes d'induction. Alternativement, lorsque le tore est en matériau isolant, le support en question pourra être réalisé de manière intégrée avec le tore, le bobinage étant alors directement réalisé sur ce 30 dernier. Les bobines d'induction seront classiquement réalisées en fil de cuivre. L'homme du métier sera à 3025950 6 même de déterminer le diamètre du fil de cuivre, le nombre de spires et les modes d'assemblage des différentes bobines en fonction du type d'application. Les bobines d'induction pourront être connectées 5 à un convertisseur AC/DC ou à un système redresseur de tension. Lorsque le fluide sous pression alimentant le générateur est à température élevée, un système de refroidissement pourra être prévu à la surface 10 extérieure du tore. Par exemple, des radiateurs 130 comprenant des ailettes de refroidissement, 135, pourront être répartis symétriquement autour du stator, entre les bobines d'induction. Les ailettes de refroidissement sont réalisées dans un matériau bon 15 conducteur de la chaleur et amagnétique. Sur la figure seules certaines ailettes de refroidissement, 135, d'un seul radiateur, 130, ont été représentées pour éviter de la surcharger. Le fluide sous pression est amené dans la chambre 20 torique au moyen d'un tube d'injection, 140, arrangé tangentiellement ou avec un angle d'incidence faible par rapport au plan tangent au tore, de manière à pouvoir créer une force de réaction maximale sur le rotor. Le tube d'injection débouche dans la chambre 25 torique par un orifice oblique dans le prolongement du tube d'injection. Le cas échéant, une pluralité de tubes d'injection pourront être prévus pour permettre un débit de fluide plus élevé. Dans ce cas les centres des orifices respectifs de ces tubes seront distribués 30 de manière symétrique le long d'un même cercle générateur. 3025950 Le tube d'injection définit un sens d'injection du fluide dans la chambre et par conséquent un sens de circulation de ce fluide, ici un sens horaire. Un tube d'évacuation, 150, est prévu, à une 5 distance prédéterminée du tube d'injection. Là encore, plusieurs tubes d'évacuation pourront être prévus, de préférence distribués le long d'un même cercle générateur. Les tubes d'évacuation peuvent présenter un faible angle d'incidence par rapport au plan tangent au 10 tore de manière à faciliter l'extraction du fluide. Le(s) tube(s) d'injection et le(s) tube(s) d'évacuation peuvent être montés de manière solidaire sur une pièce commune, fixée ou soudée sur la chambre torique. Dans une application préférentielle du 15 générateur, le fluide sous pression est un fluide compressible injecté à relativement haute température et se détend dans la chambre torique. Il est alors nécessaire de prévoir un (des) tube(s) d'évacuation de section sensiblement plus importante que celle du (des) 20 tube(s) d'injection. Le cas échéant, afin d'augmenter le couple de rotation, on pourra prévoir plusieurs tubes d'injection débouchant en des points symétriques sur le cercle gyrateur, par exemple en des points diamétralement 25 opposés de ce cercle. Le rotor du générateur est constitué par une pluralité d'aimants permanents, 160, rendus solidaires par des éléments de liaison, 170, l'ensemble formant un couronne rigide. Les éléments de liaison sont 30 amagnétiques et peuvent être par exemple des joncs d'assemblage. Les espacements entre les aimants 3025950 8 permanents du rotor correspondent aux espacements entre les bobines d'induction du stator. Ainsi lorsque le rotor tourne dans le stator, les aimants permanents passent en même temps et selon la même configuration 5 dans les bobines d'induction. Les courants générés dans les différentes bobines sont sensiblement en phase, de sorte que les bobines peuvent être avantageusement montées en parallèle. Les aimants permanents ont la forme générale d'un 10 tronçon de tore ayant le même diamètre de gyration que la chambre torique mais un rayon de cercle générateur légèrement inférieur, de manière à pouvoir glisser sans frottement dans cette dernière. Un traitement de surface des aimants permanents est avantageusement 15 prévu de manière à obtenir un excellent coefficient de glissement à l'intérieur du stator. Les tronçons de tore présentent avantageusement, au moins dans la partie faisant face à l'orifice d'entrée du tube d'injection (ou aux orifices d'entrée 20 des tubes d'injection dans le cas où il y en a plusieurs) une surface crénelée. Plus précisément, cette surface crénelée comporte des fentes, 161, sensiblement orthogonales à l'axe du tube d'injection disposées radialement le long du cercle gyrateur. Les 25 fentes 161 laissent apparaître entre elles des créneaux, 165, permettant au fluide sous pression d'exercer une force d'entrainement sur l'aimant permanent lorsque celui-ci passe devant l'orifice d'injection. Lorsque le générateur torique n'est équipé 30 que d'un seul orifice d'injection seule la partie des aimants faisant face à l'orifice, lors de leur passage 3025950 devant lui, est crénelés. L'homme du métier comprendra que ces créneaux jouent en quelque sorte le rôle de pales d'une turbine, à la différence près qu'ils sont ici déployés le long du cercle gyrateur. Les faces 5 amont des créneaux (dans le sens de circulation du fluide) sont sensiblement orthogonales à l'axe du tube d'injection. De la même façon, les éléments de liaison sont avantageusement équipés de pales d'entrainement, 175, 10 sensiblement orthogonales à l'axe du tube d'injection. Ainsi, il n'y a pas de discontinuité dans le couple appliqué au rotor lors des transitions aimant permanent - élément de liaison devant l'orifice d'injection. La distance entre l'orifice d'entrée du tube 15 d'injection et l'orifice de sortie du tube d'évacuation est avantageusement choisie supérieure à la longueur d'un aimant permanent et inférieure à l'espacement entre deux aimants consécutifs, autrement dit à la longueur des joncs. Ainsi, les orifices d'entrée et de 20 sortie ne sont jamais simultanément en communication directe via un espace entre deux aimants consécutifs, ce qui élimine tout effet retour. Les aimants permanents jouent dans le générateur le rôle d'inducteurs et doivent donc présenter une 25 induction rémanente la plus élevée possible. Avec des alliages modernes comme les composés Néodyme/Fer/Bore ou AlNiCo, ou Samarium/Cobalt, on atteint couramment des inductions supérieures à 1 Tesla avec des pertes inférieures à 1% en 100 ans. Ils doivent aussi avoir un 30 point de Curie nettement supérieur à la température maximum pouvant être atteinte à l'intérieur du stator. 3025950 10 Selon un exemple typique de réalisation, le fluide sous pression est de la vapeur d'eau à 175 °C et la plupart des composés des aimants permanents actuellement disponibles, ont une température de Curie supérieure à 5 500 °C. Les aimants permanents sont avantageusement fabriqués par frittage pour obtenir une forme en tronçon de tore. La Fig. 2 illustre schématiquement une coupe du 10 générateur de la Fig. 1 le long d'un l'arc de cercle A du cercle gyrateur du tore. On distingue sur cette figure, la chambre torique 110, des ailettes de refroidissement 135, les aimants permanents 160 et les éléments de liaison amagnétiques 15 170 reliant deux aimants permanents consécutifs. Des segments d'étanchéité 181, 182 sont montés aux extrémités amont et aval des aimants permanents de manière à garantir une étanchéité entre le rotor et le stator. 20 En outre, des réservations, 191, par exemple sous forme de gorges circulaires, pourront être prévues autour des aimants de manière à pouvoir y loger des billes de roulement, 192. Ces billes permettent de réduire le frottement contre la paroi intérieure du 25 stator. Elles sont réalisées dans un alliage dur et amagnétique. Avantageusement, l'extrémité aval de chaque aimant permanent pourra être équipée d'un élément déflecteur, 190 (cf. également Fig. 1), de manière à 30 faciliter l'évacuation du fluide. Lorsque l'extraction se fait par un seul tube d'évacuation, l'élément 3025950 11 déflecteur présente une face de déflection faisant face à l'orifice d'évacuation, lorsque l'extrémité aval de l'aimant permanent est située au niveau de cet orifice. On notera que les aimants permanents 160 5 présentent des fentes 161 laissant apparaître en relief les pales 165, orthogonales ici à la surface du tore (on suppose une injection parfaitement tangentielle). De même, les éléments de liaison 170 sont équipés de pales d'entrainement, 175, sensiblement 10 orthogonales à la surface du tore. Lorsque le générateur torique est alimenté par de la vapeur sous pression, son fonctionnement peut être considéré comme un fonctionnement hybride entre celui 15 du moteur Stirling et celui d'une turbine à vapeur. En effet, comme dans le moteur Stirling, les deux premières phases du cycle sont réalisées à l'extérieur, dans la chaudière : chauffage et compression en mode isochore. Les deux autres phases du cycle, détente et 20 refroidissement, sont réalisées, à volume variable, dans le stator, dans lequel les aimants permanents jouent à la fois le rôle de pistons moteurs et de pistons déplaceurS. De même, comme dans une turbine classique, la 25 vapeur pessurisée est injectée dans le générateur torique. Toutefois, dans le cas du générateur torique, le refroidissement et la condensation s'effectuent progressivement en cours de rotation, alors que dans une turbine classique la condensation de la vapeur 30 nécessite un condenseur externe distinct. REVENDICATIONS1. Générateur électrique comprenant un stator et un 5 rotor, caractérisé en ce que : - le stator comprend une chambre torique (110) en matériau amagnétique autour de laquelle sont disposées, à intervalles angulaires réguliers, une pluralité de bobines d'induction (120) enroulées autour de ladite 10 chambre, le stator étant en outre muni d'un tube d'injection (140) adapté à injecter un fluide sous pression dans ladite chambre et d'un tube d'évacuation (150) destiné à l'évacuer ; le rotor est composé d'une même pluralité 15 d'aimants permanents (160) disposés selon les mêmes intervalles angulaires que les bobines d'induction, chaque aimant permanent ayant une forme de tronçon de tore adapté à glisser dans la chambre torique (110), deux aimants successifs quelconques de ladite pluralité 20 étant reliés entre eux par un élément de liaison amagnétique (170). 2. Générateur électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le stator comprend entre deux 25 bobines d'induction successives quelconques de ladite pluralité, un radiateur (130) constitué d'une pluralité d'ailettes de refroidissement (135) en matériau amagnétique, les ailettes étant montées orthogonalement à la surface de la chambre torique. 30 3025950 13 3. Générateur électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube d'injection est monté de manière tangentielle ou à faible angle d'incidence par rapport à la surface de la chambre torique. 4. Générateur électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la section du tube d'évacuation est sensiblement supérieure à la section du tube d'injection. 5. Générateur électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que La distance entre l'orifice d'entrée du tube d'injection et l'orifice de sortie du tube d'évacuation est avantageusement choisie supérieure à la longueur d'un aimant permanent et inférieure à l'espacement entre deux aimants permanents consécutifs. 6. Générateur électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque aimant permanent comporte une surface crénelée, au moins pour la partie de l'aimant qui fait face à l'orifice d'injection lorsque la position du rotor est telle que l'aimant est situé devant ce dernier, les faces amont desdits créneaux étant alors sensiblement orthogonales à l'axe du tube d'injection. 7. Générateur électrique selon l'une des 30 revendications précédentes, caractérisé en ce que les aimants permanents sont équipés à leurs extrémités de 3025950 14 segments d'étanchéité (181, 182) adaptés à réaliser 5 l'étanchéité avec la paroi intérieure de torique. 8. Générateur électrique selon revendications précédentes, caractérisé en aimants permanents présentent chacun une la chambre l'une des ce que les réservation (191) dans laquelle sont logées des billes de roulement (192) en matériau amagnétique, les billes de roulement 10 venant en appui sur la paroi intérieure de la chambre torique. 9. Générateur électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les 15 aimants permanents sont réalisés par frittage. l'une des ce que les de composés AlNiCo, 10. Générateur électrique selon revendications précédentes caractérisé en aimants permanents sont réalisés au moyen 20 choisis parmi Néodyme/Fer/Bore, Samarium/Cobalt. l'une des en ce que e. l'une des en ce que pales (175) d'injection, 11. Générateur électrique selon revendications précédentes, caractérisé 25 l'élément de liaison est un jonc d'assemblag 12. Générateur électrique selon revendications précédentes, caractérisé l'élément de liaison est équipé de sensiblement orthogonales à l'axe du tube 3025950 15 lorsque la position du rotor est telle que l'élément de liaison est situé au niveau de ce tube.