FR2602378A1

FR2602378A1 - Homopolar electromechanical machine for DC and AC

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Publication number: FR2602378A1
Application number: FR8611073A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-07-30
Filing date: 1986-07-30
Publication date: 1988-02-05

Abstract

The invention relates to industrial electrical current generators which can be inverted into generators of mechanical energy, using the phenomena of induction. The machine comprises in association at least two armatures 1 comprising two parts, one coiled 2, the other uncoiled 5. These two parts are separated by air gaps 13 and 14 obtained by overlapping the uncoiled sectors 5 over the coiled sector 2. The coiled sector comprises relatively deep notches 3. The end notches 15 and 16 are terminated through the ends of the uncoiled sectors so that these latter notches are as active as the others. The inductor is of homopolar type including a fixed excitation coil solid with the framework of the machine and leaving the armature of the inductor free in rotation. Each pole wheel comprises at least two poles as such.

Description

,La présente invention concerne des machines génératrices de courants électriques industriels, réversibles en génératrices d'énergie mécanique,utilisant les phénomènes d'induction. The present invention relates to machines generating industrial electric currents, reversible into generators of mechanical energy, using induction phenomena.

Les machines actuelles de ce genre sont construites selon des méthodes très anciennes, antérieures à l'existence des industries électriques et mécaniques modernes, pour lesquelles d'ailleurs elles ne pouvaient pas etre prévues.Current machines of this kind are built according to very old methods, prior to the existence of modern electrical and mechanical industries, for which, moreover, they could not have been foreseen.

Elles ont été conçues notamment pour des usages étrangers aux problèmes actuels de captation en tous lieux, de transport à grandes distances, d'interconnexion et de distribution de l'énergie mécanique, dont l'aspect économique est devenu intimement lié à la civilisation moderne.They were designed in particular for uses unrelated to the current problems of capturing everywhere, long-distance transport, interconnection and distribution of mechanical energy, the economic aspect of which has become intimately linked to modern civilization.

I1 n'est donc pas surprenant que les machines dont on dispose actuellement ne soient pas fondamentalement conçues pour assurer facilement cette fonction en toute sécurité. It is therefore not surprising that the machines currently available are not basically designed to easily perform this function safely.

Parmi les inconvénients de ces machines,on peut citer les suivants:
- leur construction implique une conception particuliere selon qu'elles sont à courant continu ou à courant alternatif
- Elles introduisent des contraintes étroites de vitesse de rotation pour maintenir rigoureusement la fréquence désirée du courant alternatif produit ou reçu.Among the disadvantages of these machines, we can cite the following:
- their construction implies a particular design depending on whether they are direct current or alternating current
- They introduce narrow rotational speed constraints to strictly maintain the desired frequency of the alternating current produced or received.

-Elles n'excluent pas -es risques de refus de couplage dans
un temps suffisamment court.- They do not exclude - the risks of refusal of coupling in
a sufficiently short time.

- Leurs limites de résistance mécanique aux forces centrifuges sont étroites. - Their limits of mechanical resistance to centrifugal forces are narrow.

- Elles ne permettent de fournir de l'énergie mécanique directement que dans des conditions de vitesse invariable, lorsqu'elles fonctionnent en courant alternatif. - They only allow mechanical energy to be supplied directly under invariable speed conditions, when they operate on alternating current.

- Elles nécessitent,çn conséquence, ladjonction d'éléments coûteux et précaires, tels que: réducteurs de vitesse, redresseurs, variateurs de fréquence. - They therefore require the addition of costly and precarious elements, such as: speed reducers, rectifiers, frequency converters.

- Elles comportent elles-mêmes des organes auxiliaires coûteux et peu fiables tels que collecteurs, contacts glissants, balais, dynamos excitatrices. - They themselves include expensive and unreliable auxiliary organs such as collectors, sliding contacts, brushes, excitation dynamos.

- Elles imposent l'usage de courants polyphasés pour le transport à distance de l'énergie mécanique (distribution à trois et quatre fils). - They require the use of polyphase currents for the remote transport of mechanical energy (three- and four-wire distribution).

- Leur puissance massique est faible. - Their specific power is low.

- Leur construction est compliquée et conteuse. - Their construction is complicated and storytelling.

L'invention a pour objet un nouveau moyen utilisant les phénomènes d'induction pour convertir l'énergie mécanique de toute provenance, en énergie potentielle électrique aisément et économiquement reconvertible en énergie mécanique industriellement utilisable.The subject of the invention is a new means using induction phenomena to convert mechanical energy from any source, into electrical potential energy easily and economically convertible into industrially usable mechanical energy.

Contrairement aux procédés classiques, selon ce nouveau procédé, on produit au moins alternativement une seule phase de courant, pendant la rotation angulaire de 3600 d'un inducteur de type homopolaire, dans au moins deux armatures d'induit à circuit magnétique ouvert.Contrary to conventional methods, according to this new method, at least one single phase of current is produced at least alternately, during the angular rotation of 3600 of a homopolar type inductor, in at least two armature armatures with open magnetic circuit.

Cette machine présente les particularités suivantes :
- Un induit constitué d'un ensemble d'au moins deux armatures ferro-magnétiques en forme d'anneaux cylindriques, disposés autour d'un axe horizontal commun, fixés à la carcasse ferromagnétique de la machine.This machine has the following special features:
- An armature consisting of a set of at least two ferro-magnetic armatures in the form of cylindrical rings, arranged around a common horizontal axis, fixed to the ferromagnetic carcass of the machine.

- Chacun de ces anneaux est fractionné par des coupures qui les divisent en un nombre pair de sections bobinées et de sections non bobinées . - Each of these rings is divided by cuts which divide them into an even number of wound sections and unwound sections.

-Ces coupures constituent des entrefers obtenus par chevauchement des sections non bobinées sur les sections bobinées en interposant un vide entre elles1 de telle manière que les sections bobinées soient des circuits magnétiques ouverts. -These cuts constitute air gaps obtained by overlapping the unwound sections on the wound sections by interposing a vacuum between them1 in such a way that the wound sections are open magnetic circuits.

- Les sections bobinées sont encochées intérieurement, la première et la dernière encoche étant incomplètes et l'armature étant réduite au-delà
- Les sections bobinées sont fixées par leur milieu à la
carcasse de la machine.- The wound sections are notched internally, the first and the last notch being incomplete and the reinforcement being reduced beyond
- The wound sections are fixed by their middle to the
machine casing.

- Les sections non bobinées font corps avec ce bâti. - The unwound sections are integral with this frame.

- L'inducteur est mobile et de type homopolaire dont le nombre de roues polaires est eal au nombre d'anneaux. - The inductor is mobile and of the zero sequence type, the number of polar wheels of which is equal to the number of rings.

- L'enroulement inducteur est fixe et solidaire du bâti de la machine par ses joues. I1 consiste en une ou plusieurs bobines creuses, entourant librement l'arbre de la machine et intercalées entre les roues polaires en les laissant libres de rotation. - The inductor winding is fixed and integral with the frame of the machine by its cheeks. I1 consists of one or more hollow coils, freely surrounding the machine shaft and interposed between the pole wheels, leaving them free to rotate.

- Les pôles des roues polaires peuvent être éventuellement des aimants permanents. - The poles of the polar wheels can possibly be permanent magnets.

Pour décrire les éléments constitutifs de la machine,on se référera au dessin annexé qui représente à titre d'exemple non limitatif une forme de réalisation d'une machine conforme à l'invention.To describe the constituent elements of the machine, reference is made to the appended drawing which represents by way of nonlimiting example an embodiment of a machine according to the invention.

Le figure 1 est une vue schématique d'une des faces de la machine.Figure 1 is a schematic view of one of the faces of the machine.

La figure 2 en est une coupe lonhitudinale schématique de profil.Figure 2 is a schematic longitudinal section in profile.

On a représenté en l(Fig.l) une des armatures ferro-magnétiques d'induit en forme d'anneau cylindrique.One of the ferro-magnetic armatures in the form of a cylindrical ring is shown in l (FIG. 1).

En 2 (Figs 1 et 2) une section encochée intérieurement et bobinée.In 2 (Figs 1 and 2) an internally notched and wound section.

En 3 une encoche. En 4 le fil de l'enroulement d'induit. En 13 et 14 des entrefers. En 15 et 16 des encoches terminales.In 3 a notch. In 4 the wire of the armature winding. In 13 and 14 air gaps. In 15 and 16 of the terminal notches.

En 5 (Fig.l) on a représenté une section non encochée ni bobinée de I'arlpature 1 qui recouv-e intérieurement les extrémités de la section bobinée 2. In 5 (Fig.l) there is shown a not slotted or wound section of the scarf 1 which internally covers the ends of the wound section 2.

On a représenté en 6 (Fig.2) une deuxième armature ferro-magnétique d'induit. Cette armature est inversée angulairement par rapport à l'armature 1 et ne présente ainsi que la face intérieure de sa section non encochée 7.A second ferro-magnetic armature armature is shown in 6 (Fig. 2). This frame is angularly reversed with respect to the frame 1 and thus only has the inside face of its non-notched section 7.

On a représenté en 8 (Fig.2) l'enroulement d'excitation de llin- ducteur et en 9 les joues solidaires du bati 10 de la machine. There is shown in 8 (Fig.2) the excitation winding of the transducer and in 9 the cheeks integral with the frame 10 of the machine.

les références 11 (Fig.l) et 12 (Fig.2) désignent respectivement les piles Nord de l'inducteur et un pôle Sud
L'arbre de rotation de la machine est représenté en 17.the references 11 (Fig.l) and 12 (Fig.2) respectively designate the North batteries of the inductor and a South pole
The machine rotation shaft is shown in 17.

La figure 1 montre que chaque armature d'induit est divisée en au moins deux parties , l'une bobinée 2 est active, l'autre 1 ne produit aucun courant.Figure 1 shows that each armature armature is divided into at least two parts, one wound 2 is active, the other 1 produces no current.

Les pôles inducteurs étant suffisamment larges et leur nombre tel que le bobinage 4 est le siège d'une force électro-motrice constante.The inductor poles being sufficiently wide and their number such that the winding 4 is the seat of a constant electro-motive force.

Chacune des armatures d'induit peut donc être considérée comme un générateur de courant continu unipolaire.Each armature armature can therefore be considered as a unipolar direct current generator.

Le rôle des sections non bobinées,telles que 5, est de concentrer le champ des sections bobinées telles que 2, hors du trajet et de l'influence des pôles inducteurs, dans les régions où ceux-ci induiraient un courant inverse. D'autre part elles servent de retour à la masse des circuits magnétiques inducteurs.The role of the unwound sections, such as 5, is to concentrate the field of the wound sections such as 2, out of the path and of the influence of the inducing poles, in the regions where these would induce a reverse current. On the other hand, they serve to return to ground the inductive magnetic circuits.

Le rye des entrefers est de créer des armatures bobinées à circuit magnétique ouvert, sans manifestation de leur champ extérieur dans les régions de révolution des pôles inducteurs.The rye of the air gaps is to create wound armatures with an open magnetic circuit, without manifestation of their external field in the regions of revolution of the inducing poles.

Les encoches terminales incomplètes 15 et 16 des sections bobinées
se trouvent complétées par les extrémités des sections non bobinées, les spires logées dans ces encoches sont de ce fait actives de la même manière que les autres.Incomplete terminal notches 15 and 16 of the wound sections
are completed by the ends of the unwound sections, the turns housed in these notches are therefore active in the same way as the others.

Le fonctionnement de la machine est le suivant : On accouple l'arbre 17 à un moteur mécanique qui entratne de cette façon les pôles inducteurs 11 et 12 dans un mouvement de rotation. D'autre part, on s'assure que la bobine d'excitation 8 (Fig.2) est branchée , en série par exemple, avec les bobinages d'induit tel que 4.The operation of the machine is as follows: The shaft 17 is coupled to a mechanical motor which drives the inductor poles 11 and 12 in this way in a rotational movement. On the other hand, it is ensured that the excitation coil 8 (Fig. 2) is connected, in series for example, with the armature windings such as 4.

Par suite de l'aimantation rémanente qui subsiste naturellement dans les pôles inducteurs 11 et 12, la machine s'amorce comme dans les machines à courant continu actuelles.As a result of the remanent magnetization which naturally subsists in the inductor poles 11 and 12, the machine starts as in current DC machines.

Le mouvement de rotation des piles inducteurs 11 et 12 provoque suivant le processus connu une force électro.motricé induite dans le bobinage 4. On constate qu'aucun courant n'est produit lorsque les pôles balaient les sections non bobinées 5 et 6. De ce fait, chaque armature d'induit tel que 1 ne: produit du courant que pendant une demi- révolution de chaque paleron obtient cependant une force électromotrice permanente du fait de l'alternance des parties bobinées avec les parties non bobinées , du nombre et de la largeur des pôles inducteurs vis à vis de chaque armature, et du décalage angulaire des armatures i'une par rapport à l'autre sur leurs plans respectifs.The rotational movement of the inductor cells 11 and 12 causes, according to the known process, an electro-motor force induced in the winding 4. It can be seen that no current is produced when the poles sweep the unwound sections 5 and 6. From this done, each armature armature such as 1 only produces current during half a revolution of each block, however, obtains a permanent electromotive force due to the alternation of the wound parts with the non-wound parts, the number and the width of the inductor poles with respect to each armature, and the angular offset of the armatures relative to each other on their respective planes.

Le fonctionnement est identique si la bobine d'excitation 8 est branchée à une source de courant continu extérieure.The operation is identical if the excitation coil 8 is connected to an external direct current source.

Si la source de courant extérieure est une source de courant alternatif, il est évident que le courant produit dans les bobinages 4 est du courant alternatif de même fréquence que le courant d'excitation et que cette fréquence est indépendante de la vitesse de rotation des p6les. If the external current source is an alternating current source, it is obvious that the current produced in the windings 4 is alternating current of the same frequency as the excitation current and that this frequency is independent of the rotation speed of the poles. .

Parmi les résultats avantageux procurés par cette machine, on citera les suivants
- Le branchement convenable des secteurs bobinés des armatures d'induit et le décalage angulaire de ces armatures, concourant à équilibrer le travail mécanique de l'arbre de la machine et à produire une force électromotrice maximum de courant continu dans le circuit électrique extérieur.Among the advantageous results obtained by this machine, the following will be cited:
- The proper connection of the wound sectors of the armature armatures and the angular offset of these armatures, helping to balance the mechanical work of the machine shaft and to produce a maximum electromotive force of direct current in the external electrical circuit.

- La force électromotrice de cette machine est proportionnelle au nombre total de spires d'induit, à la vitesse linéaire des pôles et au nombre de paires de pôles inducteurs. Elle est par conséquent considérablement plus élevée que celle d'une machine classique de même dimension. - The electromotive force of this machine is proportional to the total number of armature turns, the linear speed of the poles and the number of pairs of inducing poles. It is therefore considerably higher than that of a conventional machine of the same size.

- D'autre part, l'absence de commutation électrique permet d'alimenter les inducteurs en courant alternatif et d'obtenir ainsi la production de courant alternatif de même fréquence que le courant inducteur, avec cette particularité que la fréquence du courant produit est absolument indépendante de la vitesse de rotation de la machine et de la force électromotrice obtenue. - On the other hand, the absence of electrical switching makes it possible to supply the inductors with alternating current and thus to obtain the production of alternating current of the same frequency as the inductive current, with the particularity that the frequency of the current produced is absolutely independent of the machine rotation speed and the electromotive force obtained.

- Enfin, on remarque que la machine est évidemment réversible en génératrice d'énergie mécanique dans les mêmes conditions de fonctionnement et en conservant les avantages des moteurs à courant continu classiques, bien que dépourvue de balais et de collecteurs. - Finally, we note that the machine is obviously reversible in generating mechanical energy under the same operating conditions and retaining the advantages of conventional DC motors, although devoid of brushes and collectors.

Enfin l'invention a pour avantages : l'universalité d'emploi et l'unicité de construction.Finally, the invention has the advantages: universality of use and uniqueness of construction.

Les machines qui en découlent ne comportent aucun contact glissant ni collecteur,ni commutation électrique ou électronique.The machines which result therefrom do not have any sliding contact or collector, nor electrical or electronic switching.

Les enroulements d'induit et d'inducteur sont accessibles pendant la marche.The armature and inductor windings are accessible during operation.

Elles constituent d'excellents moteurs à courant alternatif sans champ tournant. Leurs limites de vitesse de rotation sont considérablement reculées. They are excellent AC motors with no rotating field. Their rotational speed limits are considerably extended.

Claims

1. Electro-dynamic machine designed to generate continuous and alternating electric currents, at variable speed and constant frequency (SVCF) and mechanical energy at variable speed, characterized in that it comprises a set of at least two armatures armature (1 Fig. 1) and (6 Fig. 2) located on concentric parallel planes and angularly offset with respect to each other and a movable inductor of homopolar type including polar wheels (ll) and (12) in a number equal to that of the reinforcement of the product.

2. Machine according to claim 1, characterized in that the armature armatures are sectioned by cuts (13) and 64) determining non-wound sectors (5) and wound sectors (2) comprising notches (3), and connected to the b3ti (lO) of the machine such as by their middle.

3. Machine according to claim 2, characterized in that the cuts (13) and (14) constitute air gaps by overlapping of the unwound sectors (5) on the wound sectors 2.

4. Machine according to claims 1 and 2, characterized in that on either side of the end notches (3) are provided half-notches, respectively (15) and (16) compîétées by the ends of sections not wound (),