FR2995743A1 - Generateur torique a induction laterale - Google Patents

Abstract

La présente invention est dénommée Générateur Torique à Induction Latérale. La présente invention, concerne une machine génératrice de courant continu ou générateur du même genre que la dynamo mais dont la conception et la configuration mécanique spécifique qui neutralise le couple résistant, permet de générer un courant électrique avec un très haut rendement. La présente invention est constituée principalement d'un rotor (1), d'un moteur, non représenté, en bout d'axe du rotor (1) et d'un stator qui sont maintenu en place par une structure, non représenté, composée de plans horizontaux reliés entre eux par des entretoises. Ainsi lorsque le rotor (1) muni de ses aimants (5) tourne devant les bobines (6) un courant induit circule dans les spires produisant un flux magnétique dans les bobines (6). Chaque bobine (6) devient génératrice de courant continu. Les bobines (6) deviennent alors des dipôles magnétiques et interagissent entre elles comme des bobines de Helmholtz. La machine selon l'invention est susceptible d'être utilisée comme générateur autonome de courant continu pour un usage industriel, spatial, militaire ou particulier.

Description

Le domaine technique de la présente invention, ci-dessous dénommée « Générateur Torique à Induction Latérale », concerne une machine génératrice de courant continu ou générateur du même genre que la dynamo mais dont la conception et la configuration mécanique spécifique qui neutralise le couple résistant, permet de générer un courant électrique avec un très haut rendement. L'état de la technique antérieure concernant la dynamo classique est que dans son principe elle est l'inverse d'un moteur, ce qui implique que le couple résistant qu'il faut vaincre pour produire du courant est sensiblement identique à celui du couple qui donne sa force à un moteur.

Cette transformation par la dynamo classique d'un travail mécanique en courant électrique est obtenu avec un rendement bas. La machine ici dénommée « Générateur Torique à Induction Latérale », objet de la présente invention, permet d'apporter une solution technique au problème technique posé par la transformation par la dynamo classique d'un travail 15 mécanique en courant électrique avec un rendement bas. La machine est constituée principalement d'un rotor inducteur entraîné par un moteur et d'un stator ou induit présentant les caractéristiques suivantes. Le rotor inducteur est constitué d'un anneau en acier doux comportant 8 inducteurs formés d'aimants permanents à sa périphérie. 20 Le rotor inducteur comporte deux disques d'aluminium disposés de part et d'autre de celui-ci de façon à former un cylindre aplati muni d'un axe de rotation en son centre. Le stator ou induit est constitué de bobines positionnées de façon concentrique autour du rotor inducteur selon un axe passant par le centre du rotor et les centres 25 géométriques des faces avant et arrière des bobines. Les bobines ainsi juxtaposées forment un tore. Au centre du stator de forme torique les aimants inducteurs dont les pôles Nord sont orientés vers l'extérieur du rotor, génèrent une induction dans les bobines lorsque le rotor est mis en rotation par le moteur d'entraînement. 30 Dans le stator de forme torique, les lignes d'inductions sont concentrées à l'intérieur des bobines et non plus en partie à l'extérieur comme dans le cas ou le stator ne serait constitué que d'une bobine unique ou de plusieurs bobines suffisamment éloignées les unes des autres pour ne pas pouvoir interagir entre elles comme des bobines de Helmholtz.

De ce fait, les couples de torsion associés aux gradients magnétiques des flux induits à l'extérieur des bobines sont neutralisés. Le stator de forme torique, parce qu'il canalise les lignes d'inductions, peut être par analogie comparé au rotor d'un moteur ou d'une dynamo. Cependant l'absence de polarisation interdit toute possibilité d'apparition d'un couple magnétique d'interaction entre le flux d'induction produit par la couronne d'aimants périphérique du rotor et le flux induit à l'intérieur des bobines du stator de forme torique. Ainsi pour une vitesse de rotation constante maintenue par le moteur entraînant le rotor, il est possible de produire avec un très haut rendement du courant continu en ne consommant que l'énergie correspondant à l'entretient de l'énergie cinétique de rotation du rotor ainsi que celle liée aux frottements mécaniques. Les dessins schématiques annexés qui illustrent l'invention sont les suivants : Les schémas (Fig. 1), représentent en plan et de face, le principe vérifié expérimentalement par moi-même, de la production d'un courant induit dans un 20 cadre conducteur en déplacement et soumis au champ magnétique d'induction de 8 aimants (5) juxtaposés, formants une rampe magnétique. Le schéma (Fig.2), représentent en plan et en coupe, le principe vérifié expérimentalement par moi-même, de la production d'un courant induit dans un cadre conducteur soumis au champ d'induction de 16 aimants (5) juxtaposés 25 formants 2 rampes magnétiques en mouvement. Le schéma (Fig.3) représente en coupe, le principe du moteur ou de la dynamo. Le schéma (Fig.4) représente en plan et coupe, une partie du rotor du générateur. Le schéma (Fig.5A, 5B et 5C) représente en plan 3 variantes de couronne magnétique inductrice.

Le schéma (Fig.6A et 6B), représente de profil et de face, le type de bobine utilisable par le générateur. Le schéma (Fig.7) représente en plan, une partie du dispositif qui est à l'origine de la production du courant du générateur.

Le schéma (Fig.8) représente en coupe, de façon très simplifiée la machine dans une enceinte refroidie à très basse température avec de l'azote ou de l'hélium liquide. Le schéma (Fig.9) représente de façon simplifiée, une vue en plan de la machine. Le schéma (Fig.10) représente les circuits électriques de redressement par diodes 10 du courant généré et de commutation des bobines en parallèle ou en série. Pour la bonne compréhension de la solution technique apportée par l'invention, il sera fait ici, en préalable à l'exposé détaillé, un rappel concernant le principe de l'induction électromagnétique. Les schémas (Fig. 1), représentent l'expérience de la production d'un courant 15 induit dans un cadre conducteur soumis au flux d'induction tze^ de 8 aimants (5) formant une rampe magnétique. Le cadre se déplace depuis l'extrémité A jusqu'à l'extrémité B de la rampe magnétique inductrice. On remarque que les flux (I)' et cl)" divergent par rapport à l'axe de symétrie magnétique du flux d'induction principal O. 20 Les flux 1' et (I)" génèrent dans les portions du conducteur concernées des courants de sens contraires dont la somme algébrique est nulle. Dans une dynamo, les conducteurs actifs coupent le flux (1) produit par l'inducteur. C'est la longueur « L » de la partie de chaque conducteur actif directement soumise au flux (1) qui est prise en compte pour le calcul de la f.é.m. d'une dynamo. 25 Ici, cette longueur « L » correspond à la longueur L des aimants (5) inducteurs dont les dimensions sont : Longueur L = 40mm, largeur I = lOmm et l'épaisseur e = 5mm Pour le calcul de la f.é.m. on utilise la formule : E=B.L.V Avec : E : (f.é.m.) force électromotrice (Volt) B : intensité du vecteur induction (Tesla) 5 L : longueur du conducteur actif (Mètre) V : vitesse (Mètre par seconde) Pour la bonne compréhension de la solution technique apportée par l'invention, il sera fait ici, en préalable à l'exposé détaillé, un rappel théorique basé sur une observation expérimentale et en rapport avec l'invention, concernant le sens du 10 courant et le sens du flux d'induction (I)' dans une bobine fixe par rapport au sens de déplacement du champ magnétique inducteur. Le schéma (Fig.2) représente en plan 3 étapes d'induction. Dans ce cas, le cadre conducteur évoqué dans le commentaire et représenté en Fig.1, symbolise une bobine fixe. 15 Deux rampes inductrices solidaires, constituées chacune de 8 aimants (5) et séparées par un espace, se déplacent sous la bobine. Ce mouvement produit un effet, constaté expérimentalement, équivalent à celui qui consiste à déplacer, en sens inverse, la bobine d'une extrémité à l'autre des rampes magnétiques. 20 Le flux d'induction (1) des deux rampes inductrices, génère une force électromotrice de type courant continue dans les spires de la bobine, maximum à l'approche des extrémités A, B, et C, D, et minimum au passage au centre de chacune des rampes magnétiques, soit aux points à égale distance des points A, B, et C, D. Ainsi, entre les points A et B puis B et C puis C et D, le courant circule dans les 25 sens indiqués par les flèches. Pour la bonne compréhension de la solution technique apportée par l'invention, il sera fait ici, en préalable à l'exposé détaillé, un rappel concernant le principe de fonctionnement du moteur électrique et réciproquement de la dynamo, du fait de la réversibilité du phénomène. 30 La (Fig.3) représente de façon schématique un rotor de moteur ou de dynamo qui permet de comprendre le principe qui permet de produire un travail mécanique moteur généré par le couple moteur dans le cas du moteur ou un travail mécanique résistant généré par le couple résistant dans le cas de la dynamo. Une façon purement abstraite de calculer le couple est de considérer que la force électromagnétique ou « force de Laplace » pourrait être créée par le flux d'induction (1) du stator et agirait sur les conducteurs logés dans des encoches sur le rotor et traversés par le courant d'intensité. En réalité, le flux d'induction (1) du stator est pratiquement nul sur les conducteurs logés dans des encoches et par conséquent n'agit pas sur eux. L'origine du couple moteur ou résistant est bien en réalité la magnétisation 10 transversale du rotor. Ainsi, la masse ferromagnétique du rotor qui concentre le flux électromagnétique induit D' se comporte comme un dipôle magnétique en interaction avec le flux d'induction D du stator. La force électromagnétique ou « force de Laplace », résultante macroscopique des 15 vecteurs force de Lorentz microscopiques, qui se manifeste en périphérie des conducteurs actifs et qui, par effet de cumulation, est à l'origine de la formation du flux induit 0', est par conséquent supplantée par la force du couple magnétique d'interaction entre le flux d'induction es et le flux induit (1)'. Ainsi la force électromagnétique se manifeste en un lieu de l'espace qui n'est pas 20 celui où elle a pris naissance. Les caractéristiques techniques propres à l'invention sont les suivantes : Suivant schéma (Fig.4), Le rotor (1) est constitué d'un anneau en acier doux de diamètre extérieur 310mm, de diamètre intérieur 262mm et d'épaisseur 40mm. Le rotor (1) comporte à sa périphérie 80 encoches (2) identiques de largueur 25 10.3mm et de profondeur 2.5mm. Le rotor (1) comporte deux disques d'aluminium (3) d'épaisseur 3mm et de diamètre 315mm disposés et fixé par vissage de part et d'autre du rotor (1) de façon à former un cylindre aplati muni d'un axe de rotation (4) en son centre. Les 64 aimants (5) identiques de forme parallélépipédiques sont de type Néodyme 30 et de dimensions : Longueur = 40mm, largueur = 10mm, épaisseur = 5mm. 2 9 9 5 74 3 6 Les 64 aimants (5) sont disposés dans 64 encoches (2) du rotor (1) Les 64 aimants (5) possèdent une rémanence ou densité de flux magnétique permanent d'une valeur d'environ 1 Tesla soit 10 000 Gauss. Les 64 aimants (5) sont polarisés dans le sens de l'épaisseur. 5 Les 64 aimants (5) sont orientés de façon identique avec le pôle Nord vers l'extérieur du rotor (1) de façon à produire un flux d'induction uniforme et invariable. Les lignes d'induction de polarité Sud sont concentrées dans la masse en acier doux du rotor (1). L'assemblage des aimants (5) avec le rotor (1) consiste à introduire les 64 aimants (5) dans 64 encoches (2) par groupe de huit aimants (5) consécutifs séparés par un intervalle de 2 encoches (2). Cet assemblage constitue la couronne magnétique inductrice du rotor (1). Suivant schéma (Fig. 5A, 5B et 5C), trois autres variantes de couronne magnétique inductrice du rotor (1) sont possibles.

La première variante (Fig. 5A), consiste à utiliser 64 aimants (14) de section transversale de forme trapézoïdale, magnétisés Nord vers la base et Sud vers le sommet en contact avec le rotor (1) et en procédant pour leur mise en place sur le rotor (1) de la même façon, déjà décrite, que pour la première variante comportant 64 aimants de forme parallélépipédique.

Dans ce cas le profil des crénelures de séparation des encoches est également de forme trapézoïdale de façon à s'adapter à la géométrie particulière des aimants. La deuxième variante (Fig. 5B), consiste à utiliser 64 aimants (15) de section transversale en forme de segment de cylindre magnétisés diamétralement avec leur polarité Nord orientée vers l'extérieur du rotor (1).

Leur mise en place sur le rotor (1) se fait de la même façon, déjà décrite, que pour des aimants de forme parallélépipédique. Dans ce cas les crénelures de séparation des aimants ont une hauteur de lmm pour une épaisseur de 0,5mm. La troisième variante (Fig. 5C), consiste à utiliser 128 aimants (5) identiques de 30 section transversale de forme trapézoïdale et de dimensions : Longueur = 40mm, largueur sommet = 5.8mm, largueur base = 4.6mm, épaisseur = lOmm. Ces configurations (Fig. 5A, 5B et 5C), permettent d'obtenir un champ magnétique particulièrement uniforme et invariable à la surface des rampes inductrices.

Pour autant, ces trois variantes sont beaucoup plus coûteuses à mettre en oeuvre, du fait du coût de fabrication sur mesure des types d'aimants nécessaires, beaucoup plus élevé que celui des aimants parallélépipédique. Selon la formule F = m . co2 . R Avec : F : Force centrifuge (Newton) M : Poids d'un aimant (Kg) co : Vitesse angulaire (Rad/s) R : rayon du rotor (Mètre) Il est possible de constater que pour pouvoir atteindre une vitesse de rotation 15 supérieure à 30 Tr/s, les aimants doivent être collés sur le rotor. Suivant schéma (Fig.6A), chaque bobine (6) du générateur comporte un support (7) de spires (8) constitué d'un matériau non magnétique de dimension : Longueur = 50mm, largeur = 50mm, épaisseur = 10mm. Chaque bobine (6) comporte une face avant, une face arrière, une base et un 20 sommet. Chaque bobine (6) est maintenue en place par un système de fixation sur sa partie arrière. Chaque bobine (6) est constituée de 500 spires (8) de fil de cuivre émaillé de section 0.2mm enroulées autour du support (7) sur 10 couches, soit une épaisseur 25 d'environ 2.5mm. Chaque bobine (6) est positionnée de façon concentrique autour du rotor (1), selon un axe passant par le centre du rotor (1), et les centres géométriques des faces avant et arrière. Chaque bobine (6) est décalée d'un angle de 4,5 degrés par rapport à la 30 précédente ou la suivante. 2 995 743 8 Suivant schéma électrique (Fig.10), chaque bobine (6) est équipée d'une diode qui permet de bloquer le courant de sens inverse généré au moment du passage sur la zone intermédiaires entre la série d'aimants inducteurs précédente et la série d'aimants inducteurs suivante. 5 Chaque bobine (6) est équipée également de 2 commutateurs qui permettent de connecter électriquement en série les bobines (6) par groupe de 2, 4, 5, 8, 10, 16, 20, ou 40, soit les diviseurs entiers de 80. De cette façon, il est possible d'obtenir du générateur, 8 tensions de fonctionnement continues. 10 Les 80 bobines (6) du générateur ainsi disposées constituent le stator de forme torique, de diamètre intérieur 317mm et de diamètre extérieur 425mm. Un entrefer de 1mm sépare les faces extérieures des aimants (5) de polarité Nord et fixés en périphérie du rotor (1), des sections de spires (8) situées sur la face avant des bobines (6) orientée vers le rotor (1).

Pour le calcul de l'intensité du vecteur induction, on utilise la formule : aretan Avec : B : intensité du vecteur induction (Tesla) L : longueur de l'inducteur (Mètre) W : largeur de l'inducteur (Mètre) D : épaisseur de l'inducteur (Mètre) Z : distance d'entrefer (Mètre) Selon cette formule et avec la distance d'entrefer Z = 1mm, la densité de flux magnétique à l'origine de l'induction dans les sections de spires situées sur la face 25 avant des bobines (6) est d'environ 0.261 Tesla soit 2610 Gauss. La densité de flux magnétique au niveau de la face arrière des bobines (6) est d'environ 0.0024 Tesla soit 24 Gauss.

Le schéma (Fig.7) représente une application du principe illustré par les schémas (Fig.1 et 2), et qui est à l'origine de la production du courant du générateur objet de la présente invention. Le rotor (1), le moteur non représenté à l'extrémité de l'axe du rotor (1) ainsi que le 5 stator (7) sont maintenu en place par une structure, non représentée, composée de plans horizontaux pourvus de percements et reliés entre eux par des entretoises. Ainsi lorsque le rotor (1) muni de ses aimants (5) tourne devant les bobines (6) un courant induit circule dans les spires produisant un flux magnétique dans les 10 bobines (6). Chaque bobine (6) devient génératrice de courant continu. A chaque instant 64 bobines (6) génèrent un courant continu du sens correspondant à la polarité des aimants (5) inducteurs, tandis que 16 bobines (6) du fait du blocage par sa diode, ne génèrent aucun courant. 15 Les 64 bobines (6) en fonctionnement deviennent alors des dipôles magnétiques et interagissent entre elles comme des bobines de Helmholtz. De ce fait, les couples de torsion associés aux gradients magnétiques des flux induits à l'extérieur des bobines (6) sont neutralisés. Le stator de forme torique, parce qu'il concentre les lignes d'inductions, peut être 20 par analogie comparé au rotor d'un moteur ou d'une dynamo. Cependant l'absence de polarisation interdit toute possibilité d'apparition d'un couple magnétique résistant d'interaction entre le flux d'induction produit par la couronne d'aimants (5) périphérique du rotor (1) et le flux induit à l'intérieur des bobines (6) du stator de forme torique. 25 E symbolise la somme des courants unitaires produit en parallèle par chaque bobine (6) ou groupe de bobines génératrices de courant continu et qui peuvent être collectés. L'appareil tel qu'il est décri par l'invention est susceptible d'être fabriqué selon des échelles différentes en faisant varier le nombre et la taille des aimants ainsi que le 30 nombre et la taille des bobines qui le compose.

L'appareil tel qu'il est décri par l'invention est susceptible, du fait de sa grande simplicité mécanique, de pouvoir fonctionner dans une enceinte refroidie à très basse température avec de l'azote ou de l'hélium liquide. A la température de l'Azote liquide la résistivité du cuivre et réduite d'un facteur 4.

Avec de l'hélium liquide, il est possible d'obtenir la supraconductivité des bobines (6). Ainsi par diminution voir disparition de la dissipation le rendement peut être encore augmenté. Le dessin (Fig.8) représente très schématiquement l'assemblage mécanique, constitué par le rotor (1) et le stator, enfermés dans une enceinte cryogénique (11) refroidie par une échangeur thermique (13). Ainsi par construction, l'induit est traversé par le champ magnétique. Lorsque l'on refroidit les bobines (6) formants l'induit à la «température critique», des vortex se forment dans les conducteurs lors du passage à l'état supraconducteur. Cette procédure est appelée « refroidissement sous champ ».

Cette procédure nécessite l'utilisation de bobinages réalisés en matériau supraconducteur de Type 2 à la métallurgie particulière de façon à permettre d'ancrer les vortex, tels les alliages de niobium-titane ou niobium-étain par exemple, utilisés dans le domaine de l'électrotechnique supraconductrice. Dans ce cas l'entraînement du rotor par le moteur (9) fixé à l'extérieur de l'enceinte et fonctionnant à température ambiante, se fait par l'intermédiaire d'une transmission magnétique (12) constituée de plusieurs caissons (10) étanches de forme aplatis contenant les pièces rotatives et les aimants constituant le mécanisme de transmission, cela de façon à garantir la conservation des conditions de température.

L'appareil tel qu'il est décri par l'invention est susceptible d'être utilisé entant que générateur autonome de courant continu pour un usage industriel, spatial, militaire ou particulier.