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Générateur électrostatique d'impulsions brèves de courant à haute tension La production d'impulsions brèves de courant sous une tension élevée est nécessaire dans un certain nombre d'applications de l'électrotechnique, dans lesquelles des énergies considérables doivent être mises en jeu pendant des temps très courts.
En ce qui concerne plus particulièrement l'allumage des moteurs à explosion, il est connu que l'utilisation d'une décharge capacitive ne présente pratiquement que des avantages sur celle d'une décharge d'origine inductive. Ces avantages résident notamment dans l'indépendance des qualités de l'étincelle d'allumage vis-à-vis de la vitesse de rotation du moteur, l'excellente précision du point d'allumage, la possibilité de blinder le circuit d'allumage et d'obtenir un bon allumage même si les bougies sont encrassées ou présentent des défauts d'isolement, la diminution de l'usure des bougies, en particulier par la suppression de l'échauffement des électrodes qui se produit dans le cas d'étincelles provoquées par induction, la possibilité d'augmenter les taux de compression des moteurs.
Malgré tous ses avantages, la décharge capacitive n'a pu être employée jusqu'ici commodément, en raison des difficultés rencontrées pour disposer d'un moyen commode pour charger un condensateur haute tension.
La présente invention concerne un générateur électrostatique capable de produire des impulsions très brèves de courant sous une tension élevée, et d'être utilisé de façon particulièrement avantageuse, pour l'allumage des moteurs à explosion, sans bien entendu que cette application soit limitative. En conséquence, ce générateur peut être également utilisé dans toutes les applications où l'on désire disposer de telles impulsions.
Un générateur conforme à l'invention est caractérisé par la combinaison des moyens suivants - une génératrice électrostatique à transporteur isolant, fournissant le courant haute tension au circuit de débit et pourvue d'organes électrostatiques assurant son excitation, - un dispositif d'amorçage, capable de créer rapidement une haute tension continue et ,pouvant éventuellement être mis hors service après un temps de fonctionnement court, - un dispositif d'accumulation, capable d'être déchargé dans le circuit de débit par l'intermédiaire d'un organe de commutation et d'être rechargé après chaque décharge, - l'ensemble des organes étant enfermé dans un réservoir sous pression, traversé par des sorties pour haute tension, les organes mobiles étant entraînés par tout moyen approprié,
par exemple moteur électrique incorporé, accouplement magnétique, arbre traversant un joint étanche. Les moyens énumérés ci-dessus peuvent être réalisés de différentes façons et diversement combinés.
La génératrice principale peut être réalisée en utilisant un mode de construction caractérisé par une grande facilité de fabrication et une forte augmentation des performances de la machine. Selon ce
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mode de construction, la génératrice comporte un rotor cylindrique en forme de cloche tournant entre deux stators cylindriques, ces trois pièces étant montées en porte à faux au bout d'un arbre.
Le rotor et les deux stators sont en une matière isolante rigide. L'organe inducteur est constitué par au moins une paire de pièces polaires conductrices, et par le stator isolant portant ces électrodes. L'intervalle entre d'une part le rotor, et d'autre part-les pièces polaires métalliques et le stator qui les porte doit être continu et d'une petitesse compatible avec le bon fonctionnement mécanique de la machine. Il en est de même de l'intervalle entre le rotor et le stator isolant portant les ioniseurs.
L'excitation de la génératrice peut être assurée - soit par une génératrice électrostatique auxiliaire simple, excitant la génératrice principale et excitée par elle, - soit par une génératrice électrostatique plus complexe, auto-excitée, - soit en la rendant elle-même auto-excitée. Plusieurs types de machines électrostatiques à transporteurs isolants, auto-excités, ont été réalisés.
De telles machines sont constituées - soit par un ensemble comprenant deux génératrices séparées s'excitant mutuellement, - soit par une génératrice utilisant un rotor en forme de H, chaque moitié du rotor travaillant indépendamment et excitant l'autre moitié, - soit par une génératrice utilisant un rotor transportant sur une même face, alternativement, des charges de polarités opposées, - soit par une génératrice utilisant un rotor transportant sur ses deux faces des charges de polarités opposées.
Les génératrices à transporteurs isolants exigent un dispositif d'amorçage. En effet, le circuit interne de ces génératrices comprend des intervalles gazeux qui ne deviennent conducteurs que s'ils sont ionisés. On a réalisé des génératrices électrostatiques où ces intervalles gazeux sont ionisés par l'emploi de sources radioactives, en particulier de corps émetteurs de rayons alpha.
Cette ionisation peut être aussi obtenue en établissant entre au moins un ioniseur de charge et. son inducteur de charge une différence de potentiel appropriée.
Tous l'es générateurs de haute tension continue peuvent être utilisés pour créer cette différence de potentiel au démarrage de l'appareil: génératrice électrostatique à frottement, dispositifs électromagnétiques. Lorsque l'appareil est utilisé pour l'allumage d'un moteur à explosion, le temps séparant le début de rotation de l'appareil du déclenchement de la première décharge doit être le plus court possible. Le dispositif d'amorçage doit donc avoir une action très rapide. Une des meilleures solutions est l'utilisation d'une génératrice électrostatique à transporteurs conducteurs auto-excitée, conçue de telle manière qu'elle ait, pour chaque tour de rotor, un coefficient de multiplication de tension très élevé.
Cette génératrice sera avantageusement du type décrit ci-après : les inducteurs métalliques fixes, en nombre pair, sont divisés par moitié en deux familles de polarités opposées, chaque inducteur d'une famille étant placé entre deux inducteurs de l'autre famille, les inducteurs d'une même famille étant de préférence tous reliés électriquement entre eux, les deux familles étant respectivement connectées à deux bornes de la machine, et étant à des potentiels sensiblement égaux en valeur absolue et de polarités opposées par rapport au potentiel de l'interconnexion d'équilibrage des contacts de charge, les transporteurs conducteurs, enrobés totalement ou partiellement dans une matière isolante, et dont le nombre est plus grand que celui des inducteurs,
sont munis d'un organe de contact momentanément et successivement mis en relation électrique avec des contacts de charge, et des contacts de débit, un contact de charge et un contact de débit correspondant à chaque inducteur, les contacts de charge étant tous reliés entre eux, chaque contact de débit étant connecté à l'inducteur correspondant,
la position des organes de contact étant réglée de telle sorte qu'un contact de charge de courte durée angulaire s'établisse et se rompe quand le transporteur considéré s'approche du bord de l'inducteur qui lui fait face et que sa capacité avec cet inducteur va commencer à décroître et qu'un contact de débit est établi lorsque le potentiel de ce transporteur est voisin de celui de l'inducteur qu'il doit charger et n'est pas rompu avant que ce transporteur ait atteint sensiblement son maximum de capacité avec l'inducteur, chaque transporteur changeant de polarité au moment de chaque contact de charge et se déchargeant alternativement dans les deux familles d'inducteurs au moment de chaque contact de débit,
la capacité de l'interconnexion d'équilibrage des contacts de charge étant grande par rapport à la capacité de chaque transporteur. Les inducteurs fixes sont disposés en regard des deux faces des transporteurs.
Les délais d'amorçage peuvent encore être réduits, en entraînant le rotor de l'amorçoir par l'intermédiaire d'un dispositif multiplicateur de vitesse (à engrenages, à friction, etc.) ou bien en lan- çant le rotor au moyen de l'impulsion d'un ressort bandé dès le début de la rotation de l'appareil, avec une énergie suffisante pour qu'il effectue très rapidement les quelques tours nécessaires à l'amorçage.
Pour réduire les causes d'usure, il y a intérêt à assurer la mise hors circuit de l'amorçoir dès que la génératrice à transporteur isolant est amorcée. Plusieurs moyens peuvent également être employés,
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pour assurer le débrayage de l'amorçoir ou le rele- vage de ses balais : - dispositifs mécaniques (à force centrifuge, à retard, à compteurs) ; - dispositifs électriques, utilisant des forces électrostatiques ou magnétiques ; - combinaison des -dispositifs mécaniques et électriques précédents.
En particulier, lorsque les vitesses de démarrage et de ralenti d'un moteur sont très voisines, il est indispensable d'avoir une remise en action de l'appareil pour une vitesse nettement inférieure à celle provoquant sa mise hors circuit. Il est facile d'imaginer un dispositif où les forces électrostatiques ou magnétiques, inversement proportionnelles aux carrés des distances, n'agiront de manière intense que si le relevage des balais est déjà fait et les masses attirantes proches.
La capacité accumulant l'énergie fournie par la génératrice et la libérant brusquement dans le circuit de débit peut être réalisée de diverses manières - soit sous la forme d'un condensateur constitué par deux électrodes fixes ou mobiles, séparées par un diélectrique gazeux (gaz comprimé remplissant l'appareil) ou solide, résistant aux ondes de choc, le réservoir sous pression pouvant avantageusement jouer le rôle d'électrode de masse, - soit en utilisant la capacité propre existant entre ce réservoir et les inducteurs de débit de la génératrice. Ceux-ci, reliés entre eux, sont alors directement connectés à l'organe de commutation, par exemple un doigt de distribution, pourvu d'un dispositif d'avance automatique, - soit en combinant ces deux moyens.
L'ensemble des différents organes de l'appareil décrits ci-dessus est contenu dans un réservoir étanche, rempli d'un gaz sous pression, ayant peu d'affinité pour l'électron, par exemple de l'hydrogène ou de l'azote très pur. L'augmentation de la rigidité diélectrique du fluide gazeux ainsi obtenue favorise le fonctionnement de toutes les parties de l'appareil : les différences de potentiel entre ces diverses parties peuvent être plus grandes, ainsi que la précision de fonctionnement du distributeur. Les organes mobiles sont entraînés par tout moyen approprié, par exemple par un moteur électrique incorporé, ou par un accouplement magnétique, ou par un arbre traversant un joint étanche. Le réservoir comporte également des sorties pour Haute Tension, également étanches.
Enfin, la ou les génératrices électrostatiques à transporteurs isolants utilisés pourront être munies d'un organe inducteur constitué, d'une part par des pièces polaires métalliques enrobées totalement ou partiellement dans une matière légèrement conductrice, d'autre part par le stator isolant portant ces pièces polaires, l'intervalle entre le rotor d'une part, les pièces polaires et ledit stator d'autre part, étant continu et d'une petitesse compatible avec le bon fonctionnement mécanique de la machine. Une couche de matière légèrement conductrice pourra être déposée sur la face dudit stator en regard du rotor, cette couche .reliant électriquement les inducteurs voisins et pouvant éventuellement les recouvrir.
Pour mieux faire saisir les caractéristiques techniques de l'invention et ses avantages, on va en décrire plusieurs exemples de réalisation, étant entendu que ceux-ci n'ont aucun caractère limitatif quant aux modes de mise en oeuvre de l'invention et aux applications que l'on peut en faire.
La fig. 1 représente, de façon schématique, les liaisons électriques dans un appareil où la génératrice principale à transporteur isolant, à six pôles, est excitée par une autre génératrice à transporteur isolant auto-excitée, à quatre pôles, à rotor travaillant sur ses deux faces, et où le dispositif d'accumulation est constitué par la capacité propre existant entre les inducteurs de débit de la génératrice principale et les masses métalliques voisines, constituées en particulier par le réservoir métallique étanche ou par des armatures métalliques appropriées.
Les fig. 2 et 3 représentent respectivement les coupes transversale et longitudinale d'un appareil d'allumage pour moteur à explosion à quatre cylindres.
Le schéma que représente la fig. 1 comprend - un dispositif d'amorçage Am, - une génératrice à transporteur isolant Ge, auto- excitée, à rotor travaillant sur les deux faces, - une génératrice à transporteur isolant Gp, à six pôles, excitée par Ge, - un dispositif d'accumulation des charges, constituée par les capacités C, existant entre les inducteurs de débit de Gp et les masses métalliques qui les entourent, - un distributeur D, supposé fonctionner pour l'allumage d'un moteur à huit cylindres.
Le fonctionnement est le suivant: l'amorçoir Am démarre dans une polarité quelconque. En supposant que cette polarité de départ soit positive (et en ne considérant, tout d'abord, que le schéma tracé sur la fig. 1 en traits pleins), l'amorçoir élève rapidement la tension de l'inducteur de charge 7 de la génératrice Ge avec lequel il est relié. Cet inducteur de charge 7, situé sur le stator externe 21, provoque le fonctionnement de l'ioniseur de charge 8 situé sur le stator interne 22.
Cet ioniseur dépose sur la face interne du rotor 17 des charges négatives, qui sont collectées par l'ioniseur de débit 9, relié à l'inducteur de débit 10 qui lui fait face et à l'inducteur de charge 11 situé sur le stator interne. Cet inducteur 11 provoque, à son tour, le fonctionnement de l'ioniseur 12 situé sur le stator externe et en regard. Cet ioniseur de charge 12 dépose sur la face externe du rotor 17 des charges positives qui sont collectées par l'ioniseur de débit 13 relié à son inducteur de débit 14. L'ioniseur 13 charge à son tour positi-
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vement l'inducteur de charge 7 et le cycle recommence.
L'inducteur de débit 10 de la génératrice Ge est relié aux trois inducteurs de charge 15 de la génératrice principale Gp. Ces trois inducteurs 15 provoquent le fonctionnement des trois ioniseurs de charge 18 qui leur font face, de l'autre côté du rotor isolant 16. Ces trois ioniseurs 18 déposent sur la face interne du rotor 16 des charges positives qui sont collectées par les trois ioniseurs de débit 19, reliés aux trois inducteurs de débit 20 qui leur font face de l'autre côté du rotor 16.
Ces trois inducteurs 20, tous reliés entre eux et grâce à la capacité propre C existant entre chacun d'eux et les masses métalliques environnantes, accumulent les charges reçues qui sont déchargées dans le circuit d'utilisation lorsque le doigt 39 du distributeur D passe à distance d'éclatement des plots 40 reliés aux bougies.
L'amorçoir peut assurer l'amorçage de la génératrice Ge de diverses manières. En particulier, un autre montage est indiqué en pointillé sur la fig. 1, montage possible quand l'amorçoir peut fournir deux tensions symétriques par rapport à la masse. Dans ce cas, les deux bornes de sortie de l'amorçoir sont reliées respectivement à un ioniseur de charge 41 et à son inducteur de charge 42, provoquant ainsi, au démarrage de l'appareil, le dépôt de charges positives sur la face externe du rotor, charges qui sont collectées par l'ioniseur de débit 13.
Le générateur que représentent les fig. 2 et 3 est un appareil d'allumage pour moteur à explosion à quatre cylindres. On y reconnaît l'arbre 1, traversant la chambre 2 contenant une garniture rotative étanche, le roulement à billes 4, le réservoir étanche sous pression 3, constituant la masse de l'appareil. Ce réservoir est, soit en métal, soit en matière isolante, armée ou non. Dans ce dernier cas, la mise à la masse électrique est réalisée par un ensemble de pièces conductrices appropriées. Le roulement à billes 5 sert de butée.
L'amorçoir est constitué par une génératrice électrostatique à transporteurs conducteurs du type décrit ci-dessus.
On reconnaît le stator 6 en matière isolante, un inducteur statorique 47, le rotor 48 en matière isolante, un transporteur 49 noyé dans ce rotor, son plot de contact 50, le balai 51 relié à l'inducteur 47, la masselotte 52 s'écartant de l'axe sous l'effet de la force centrifuge et soulevant alors le rotor 48 par l'intermédiaire de la pièce 53, et en comprimant le ressort de rappel 54 du rotor.
La génératrice excitatrice auto-excitée comprend le rotor 55 monté sur l'arbre 1, le stator externe 58 et le stator interne 59, ces trois pièces étant en matière isolante. On reconnaît l'inducteur de charge interne 56, relié à l'inducteur 47 de l'amorçoir, l'ioniseur de charge externe 57.
La génératrice principale comprend le rotor 60, le stator interne 23 portant les ioniseurs de débit 22 et les ioniseurs de charge 38, le stator externe 24 portant les inducteurs de débit 61 et les inducteurs de charge 37. Les inducteurs de débit 61 et les ioniseurs de débit 22 sont reliés entre eux et avec le plot 27 par la connexion 26.
Les inducteurs de débit 61 sont séparés du réservoir métallique 3 par le diélectrique 25.
Les inducteurs de charge 37 sont connectés à un inducteur de débit de l'excitatrice.
Les ioniseurs de charge 38 sont reliés entre eux et à la masse.
La génératrice excitatrice auto-excitée et la génératrice principale sont toutes deux munies d'organes inducteurs du type décrit plus haut, un organe dudit type comprenant, d'une part les inducteurs de charge et de débit, d'autre part le stator isolant portant ces inducteurs, l'intervalle entre d'une part le rotor, d'autre part les inducteurs et le stator qui les porte étant aussi continu et aussi petit que le permet le bon fonctionnement mécanique de la machine.
Le distributeur comprend le plot 27, relié aux inducteurs de débit 61, la barre métallique 28, portant le doigt de distribution 29, passant près des plots fixes 31 reliés aux bougies. Le mécanisme d'avance automatique 33 commande le déplacement relatif du doigt 29 par rapport à l'axe d'entraînement 1, par l'intermédiaire de la plaque d'isolement 30.
Le fond isolant 32 porte la valve de gonflage 35 ; il est maintenu contre le joint 36 par l'écrou 34. Comme il a été dit ci-dessus, le réservoir étanche est rempli d'un gaz sous pression. On a obtenu de bons résultats avec de l'hydrogène très pur, sous une pression comprise entre 10 et 20 kg/cm2 et avec de l'azote très pur, sous une pression d'au moins 5 kg/cm .