Brevet FR3088151A1 — publié le 20200508

Description [1] L'invention ci-après concerne un système mécanique générateur de courant continu à rotor ferromagnétique. [2] Le principe de base exploité dans ce dispositif est de générer un courant continu par le système classique du générateur unipolaire, amélioré au niveau du rotor. [3] La première machine connue, de ce type, a été réalisée par Michael Faraday en 1831. [4] Le montage de base n'a guère évolué et reste peu utilisé à ce jour. [5] II est constitué, classiquement, de la mise en rotation d'un conducteur électrique circulaire dans un champ magnétique stationnaire au flux perpendiculaire à l'axe de rotation, généré par des aimants permanents ou électro-aimants. [6] Une tension électrique est induite dans le disque conducteur en rotation sous la forme d'une différence de potentiel électrique établi entre le centre et la périphérie. [7] L'inconvénient majeur de ce système est la faible tension produite aux bornes des collecteurs, en comparaison aux générateurs alternatifs, à taille égale. Cependant ce système à boucle unique de courant permet de débiter un fort ampérage, utilisé par exemple dans l'industrie pour les soudures métalliques par pression. [8] Mais l'amélioration décrite dans ce document concerne le rendement de ces systèmes unipolaire. [9] En effet, ces machines industrielles ne possèdent généralement pas un rendement supérieur à 80 %. [10] Le principe proposé ici est basé sur la diminution des interactions parasites entre le rotor et le stator par la présence d'un élément de grande perméabilité magnétique au niveau du rotor. [11] Le matériau le plus courant possédant cette propriété est simplement le fer pur, ou bien les aciers couramment utilisés dans l'industrie magnéto-électrique. [12] La pièce est plus efficace dans cette application si elle est scindée en deux parties de part et d'autre du disque conducteur central. Ces deux pièces ferromagnétiques constituent un corps de circuit magnétique qui permet aux lignes de champ du flux stationnaire de traverser l'ensemble du rotor avec une faible résistivité qui ne dépend que de la qualité de l'acier utilisé, de son épaisseur ainsi que de la somme des épaisseurs d'entrefer et du conducteur central. [13] Par ce dispositif, lors du fonctionnement, la réaction magnétique du rotor sur l'armature du corps magnétique du stator est atténuée. Cet affaiblissement de réaction parasite entraîne une amélioration des performances de la machine. [14] Par ailleurs, l'ajout de collecteurs de courant à l'état liquide permet de diminuer les frottements tout en améliorant la conductivité aux points de contact, et de surcroît, la longévité du système. [15] A l'heure actuelle, l'un des meilleurs conducteurs liquide accessible est le mélange eutectique de Potassium-Sodium, abrégé NaK, très léger, bon marché et relativement bon conducteur. Ce composé possède en outre des inconvénients sur d'autres plans, de par sa réactivité chimique avec l'air, l'eau, et pratiquement tous les polymères. Il reste cependant l'une des substances des plus écologiques qui existe. [16] Les dessins annexés illustrent l'invention : [17] [Fig.1] représente en vue de face, un exemple du dispositif de l'invention. [18] [Fig.2] représente en vue tridimensionnelle inclinée, la partie essentielle du dispositif. [19] Voici un exemple de montage du système proposé : [20] Un moteur (7), non représenté, ou bien une quelconque source d'énergie mécanique en rotation, entraîne le rotor. Ce dernier est constitué d'un axe conducteur en cuivre (1), traversant les trois pièces du rotor : les deux anneaux de fer pur (2a), (2b), de part et d'autre d'un disque de cuivre (3) électriquement connecté à l'axe (1). [21] Au stator, un circuit magnétique en fer pur (4), est traversé par un flux magnétique (5 sur Fig.2), généré par une bobine électrique (6). [22] Des collecteurs statoriques, non représentés, utilisant un flux de liquide conducteur à base de NaK permettent de collecter le courant électrique au niveau du pourtour du disque de cuivre. L'autre borne électrique est constituée d'un collecteur à balais liquide similaire, sur l'axe en rotation (1). [23] Il convient de préciser que l'utilisation du cuivre à la fois pour l'axe et le disque central du rotor ne sont pas une nécessité absolue. N'importe quel solide conducteur peut satisfaire aux besoins. Ainsi le fer pur ou bien l'acier doux, comme l'acier au silicium peuvent convenir, mais ils représentent une résistivité électrique approximativement de 5 à 10 fois supérieur au cuivre. [24] Le conducteur central (1), doit permettre au courant de circuler entre l'axe et la périphérie du disque (3) de façon à être le plus éloigné des montants du stator. Pour cette raison, il est préférable que ce disque (3) soit électriquement isolé des anneaux de fer latéraux (2a) (2b). [25] Si toutefois ce disque conducteur était lui-même en fer, la perméabilité globale du rotor, couramment notée « pr », serait plus grande et donc la puissance nécessaire à l'excitation magnétique pourrait être plus faible. Ce montage ne produirait en revanche qu'une plus faible puissance électrique, car son débit de courant serait moindre, à chauffe interne équivalente. [26] Enfin, il est important de souligner qu'au regard de l'induction magnétique, de simples aimants circulaires de part et d'autre du rotor, statiques, pôles opposés en vis-à-vis, produisent les mêmes effets qu'un circuit magnétique à base de fer. A ceci près que dans la pratique, à l'échelle décimétrique, dans les tests effectués, l'intensité magnétique effective dans le rotor dépasse difficilement les 0,3Teslas pour des aimants ferrite et 0,5Teslas pour des aimants en terre rare, type néodyme-fer-bore, fort onéreux. Pour un électro-aimant, un simple noyau de fer pur permet d'atteindre les 2 teslas sans difficultés et avec peu d'énergie, ce qui le rend plus intéressant pour la plupart des utilisations de puissance. [27] Les applications d'une telle machine sont vastes. Le faible voltage et la grande intensité de courant de cet appareil sont exploitables pour le chauffage par résistance électrique, pour la soudure de pièces métalliques, pour l'électrolyse, pour des moteurs magnétohydrodynamiques, pour alimenter de simple moteurs unipolaires type « Roue de Barlow », pour l'électronique, ou bien n'importe quelle application électrique. [28] Voici un exemple de description dudit générateur. [29] Ce dispositif électromécanique générateur de tension continue comprend sur son rotor une ou plusieurs pièces circulaires ferromagnétique (2a), (2b) encadrant le disque conducteur principal (3). [30] Ces pièces (2a), (2b) ont comme propriété principale une grande perméabilité magnétique dans le but de conduire le flux magnétique issu du stator à travers le conducteur central (3). [31] Un axe conducteur (1) est présent, qui est électriquement relié au disque central (3), dont l'ensemble, avec la présence des pièces ferromagnétiques (2a), (2b), constitue le rotor. [32] Le disque conducteur central (3) est éloigné des inducteurs du stator (4) grâce à l'épaisseur des pièces ferromagnétiques (2a), (2b). [33] Le dispositif électromécanique est muni d'une source génératrice de champ magnétique au stator (6). [34] L'axe central en rotation (1) est motorisé mécaniquement par une source externe (7), types moteurs électriques ou autres. [35] Le dispositif électromécanique comprend des systèmes de collecteurs de courant, sur l'axe (1), ainsi que sur la périphérie du disque conducteur (3) afin d'acheminer l'énergie électrique générée hors du système.