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" Dispositif électrostatique pour la transformation de courant continu en courant alternatif. "
La présente invention concerne un dispositif électrostatique pour la transformation d'une tension continue en une tension alternative, et en particulier un montage pour l'utilisation de la tension alternative.
On sait que l'on peut engendrer une tension al- ternative au moyen d'un condensateur à capacité variole pé- riodiquement, alimenté par une tension continue, construit à la manière d'une machine électrique et possédant un rotor et une stator qui sont munis de dents à leur surface tournée vers l'entrefer, La fréquence de cette tension alternative
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est égale à celle des variations de capacité.
Pour l'utilisation de la tension alternative qui est produite au moyen d'un condensateur à capacité va- riable périodiquement, construit à la manière d'une machine électrique et branché à une source de courant continu, on monte, conformément à l'invention, en série avec la capa- cité variable périodiquement, une impédance contentant une inductance, l'impédance étant de préférence accordée en ré- sonance avec la capacité variable périodiquement pour la fréquence de la tension alternative produite.
Il est avantageux, dans le dispositif conforme à la présente invention, de prévoir entre l'entrefer du stator et du rotor des matières dont la résistance au cla- quage et la constante diélectrique sont supérieures à celles de l'air à la pression atmosphérique, et d'établir dans certains cas des conditions de pression particulières dans l'espace formant la capacité.
De plus, pour augmenter la puissance, le stator et le rotor sont munis, conformément à l'invention, de cou- ronnes dentées, lesquelles engrènent entre elles à la ma- nière des couronnes d'aubes mobiles et d'aubes directrices d'une turbine à vapeur.
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La machine conforme à l'invention peut être em- 9u 9 y.. rrfr,.- P4,4,e OA-4. Y-WC l '-':1" ployée dans de nombreux buts, car la fréquenceYest déter- minée par la résistance mécanique du rotor. A ce point de vue, dans l'était actuel de la technique, on peut compter sur de très grandes vitesses périphériques, en particulier avec les alliages d'aluminium ( Lautal) de qualité supérieure, qui possèdent des résistances très élevées comparativement à leur poids. Naturellement, les aciers de qualité supé-
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rieure conviennent également. Cependant, il faut compter avec ceux-ci sur un prix de revient plus élevé. En raison du poids plus considérable de la masse en rotation, des mo- teurs de commande plus puissants sont également nécessaires.
En prenant pour base une vitesse périphérique de 500 mètres c'est-à-dire 500.000 mm=sec. et un pas de denture ( dent + intervalle) d'un millimètre, on a une fré- quence de 500.000pps. égale à une longeur d'onde de 600 m.
On peut vraisemblablement employer des vitesses périphéri- ques plus élevées et aussi un pas de denture plus petit, car le rotor est principalement soumis à l'influence de la force centrifuge; la fréquence indiquée ne constitue donc en aucune manière la valeur maximum que l'on peut réaliser.
La variation de capacité efficace de la machine devient très faible lorsqu'on diminue le pas de la denture.
Cependant, étant donné que la puissance de la machine croit proportionnellement à la fréquence, malgré la réduction du pas de la denture, la puissance de la machine peut demeurer la même, ou être même augmentée.
La machine peut donc être employée avantageu- sement dans tous les buts d'application de l'énergie à haute fréquence, par exemple aussi pour les radio-émetteurs.
Un champ d'application très important est cons- titué par la production de chaleur pour les buts téchniques, par exemple pour les fours à haute fréquence à courants de Foucault, qui servent aussi bien à la fusion des métaux que pour le recuit, pat exemple dans les buts de forgeage et autres analogues* La préparation des aliments dans un champ de courants de Foucault à haute fréquence est aussi parfai- tement possible.
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Pour tous ces buts, la machine est connectée à une inductance comme résistance d'utilisation. La ca- pacité de la machine peut être amenée en résonance aveo cette inductance. Le cas de la résonance sur une seule onde n'est pas possible puisque la capacité de la machine est variable sa puissance étant précisément basée sur ce point, raccord en résonance pour l'énergie maximum dé- bitée donne cependant automatiquement l'onde de résonance la plus favorable.
Pour augmenter la puissance du groupe composé de différentes machines, on peut accoupler deux ou plusieurs machines du même type, en se servant d'un ou plusieurs mo- teurs de commande, dans ce dernier cas ces moteurs sont montés entre les différents groupes de machines, pour com- mander les machines accouplées. Le montage doit être choisi de telle sorte que les groupes des machines travaillent en phase de manière à ce qu'elles puissent être branchées sur le même appareil d'utilisation.
Lorsqu'on dispose des matières dont la résis- tance au claquage et la constante diélectrique sont supé- rieures à celles de l'air ( à la pression atmosphérique), il s'agit tout d'abord d'insérer une couche solide dans l'en- trefer compris entre les couronnes dentées du rotor et du stator.
Il est ainsi possible d'appliquer à la machine une tension de charge plus élevée, sans craindre un cla- quage dans l'entrefer.
Dans un examen superficiel, cela semble surprenant, car la résistance au claquage de la machine est déterminée par la distance comprise entre les dents du rotor
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et du stator, c'est-à-dire par la largeur de l'entrefer.
Cette résistance au claquage ne peut être réalisée en pra- tique sans la couche solide intercalaire, car les phéno- mènes d'innisation et les fines particules de poussières provoquent déjà un claquage dans l'entrefer pour des ten- sions qui sont bien au-dessous des tensions de claquage théoriques.
Par l'introduction d'une couche solide à forte résistance au claquage, la tension à employer peut être élevée très considérablement, et même de plusieurs fois sa valeur, car il ne se produit pas de claquage de la cou- che solide. Par conséquent, étant donné que la couche so- lide n'est pas conductrice du côté de l'entrefer, il ne se produit pas non plus de claquage dans la couche d'air.
La couche solide peut être solidaire de l'un des cotés de la capacité, par exemple par application sous forme fluide et séchage ultérieur. Au lieu de cela, on peut aussi recouvrir les deux côtés avec une couche de ce genre. Cela présente l'avantage de ce que l'entrefer, avec sa tendance à l'ionisation, est séparé des deux côtés des surfaces métalliques de la capacité par une matière non conductrice, résistant au claquage. Les phénomènes d'io- nisation éventuellement possibles sont ainsi rendus inef- ficases.
En conservant la largeur de l'entefer, la ca- pacité de la machine subit une légère diminution du fait de l'introduction d'une couche solide. On branche dans ce cas une deuxième capacité, en série avec la capacité formée par l'entrefer, cette capacité étant formée par la couche intermédiaure solide. L'épaisseur de cette couche n'est
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cependant dans chaque cas qu'un faible pourcentage de la largeur de l'entrefer. De plus, ces couches doivent être établies en une matière qui possède une constante diélec- trique élevée. Cette constante peut atteindre 6 à 7 fois la valeur de celle de l'air employant de la cellulose ou des dérivées cellulosiques. La capacité en série, formée par la couche solide, est donc au moins vingt fois aussi élevée que la capacité de l'entrefer.
La réduction de capacité de la machine est donc extrêmement réduite.
L' avantage assuré de ce fait consiste en une augmentation de la valeur de la tension du courant continu que l'on peut appliquer, ce qui entraîne aussi l'augmen- tation de la tension alternative produite, qui atteint au moins trois fois la valeur que l'on aurait pu appliquer sans cette couche intercalaire solide. L'augmentation de la puissance que l'on obtient par l'accroissement de la ten- sion est proportionnelle au carré de l'accroissement de la tension, et dans le cas précité, est au moins égale à 9 fois cette valeur.
Pour mettre à profit cet avantage, il faut en outre tenir compte de ce que la résistance au claquage de l'air, en l'absence d'une couche solide, est soumise au hasard, ce qui peut toujours provoquer un claquage de la machine. Ce danger est complètement éliminé après l'intro- duction d'une couche solide.
Pour prouver ce fait, on mentionnera que les couches solides de cellulose ou de dérivés cellulosiques, lorsqu'elles sont homogènes, constituent déjà pour des épaisseurs de 0,05 mm une sécurité contre le claquage pour des tensions d'environ 1000 volts.
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Au lieu d'une augmentation de tension, on peut aussi travailler avec des tensions plus faibles, pour des épaisseurs d'entrefer et de couche réduites en conséquence, si la construction mécanique de la machine permet une diminu- tion de la largeur de 25'entrefer.
Conformément à l' invention, on emploie en liaison avec la couche intermédiaire solide, des gaz et des rapports de pression de gaz spéciaux.
Pour le choix de la nature des gaz, on se base principalement sur trois points de vue, qui consistent en une augmentation de la constante diélectrique, une augmen- tation de la résistance au claquage de l'intervalle dans lequel se trouve le gaz, et une diminution des pertes par frottement qui sont fonction de sa viscosité.
Suivant ces points de vue, il existe toute une série de gaz ou de vapeurs qui permettent des augmentations de puissance considérables comparativement à l'air atmos- phérique. Parmis les gaz que l'on emploi de préférence, on citera par exemple l'anhydride sulfureux et le gaz ammoniac à la pression de saturation. On a alors avantage à mainte- nir la température du gaz à une valeur suffisamment élevée au-dessus de la température de saturation, de manière à ce qu'il ne se produise pas de condensation. Les vonstantes diélectriques de ces deux gaz sont environ de 14 à 15 à la température de 20 C. La résistance au claquage est elevée et la viscosité à 20 est environ la moitié de celle de l'air.
L'augmentation de la constante diélectrique et celle de la résistance au claquage donnent un facteur de puissance environ 16 fois supérieur. Les pertes par frottement sont donc diminuées en fonction de la réduction de viscosité. En
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employant des gaz comme l'anhydride sulfureux et le gaz ammoniac, on a avantage a établir une surpression poux em- pêcher la pénétration de l'air atmosphérique dans la ma- chine. De plus, il est avantageux de garnir toutes les surfaces métallique) de la machine qui doivent venir en contact avec les gaz, d'une couche protectrice.
On peut encore augmenter la tension par un ac- croissement de la pression de l'air ou du gaz employé entre les surfaces du condensateur. On se base à cet effet sur la relation d'après laquelle la résistance au claquage clos gaz qui, pour des pressions très réduites, atteint son point le plus bas, est doublée avec la pression à partir d'une atmosphère. Pour une pression de 5 atmosphères la tension que l'on peut employer est donc quintuplée, la puissance obtenue étant alors 25 fois supérieure.
Avec un coefficient 16 fois supérieur, que l'on a obtenu au moyen de l'augmentation de la constante diélectrique et de la résistance au claquage plus élevée des gaz précités on aurait donc augmenté dans l'exemple précé- dent, la puissance de la machine de 400 fois. Ce résultat ne pourrait être obtenu sans couche intermédiaire solide.
Cette couche est également indispensable lorsque la machine doit fonctionner sous la vide.
Théoriquement, la résistance au claquage clés entrefers sous le vide est extrêmement considérable. En pratique, ce cas n'est cependant pas réalisable, car même lorsqu'une machine de ce genre est toujours en liaison aveo un dispositif à faire le vide, on ne peut pas atteindre le vide élevé nécessaire. Même pour de s pressions bien infé-
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rieures à 1 mm, l' ionisation s'établit aux tensions de service nécessaires pour la machine.
Même si cela se tra- duit en général seulement par des phénomènes lumineux, il est possible que par un hazard inévitable, par exemple des particules de poussière on de fuites de gaz à travers les parties métalliques de la machine, et aussi finalement par le fait que pour n'importe quelle autre circonstance impré- vue, la pression de la machine est augmentée, il peut se faire que des décharges d'arcs s'établissent.
Apres introduction de la couche solide que n'est pas conductrice du coté de l'entrefer, ce danger est élimi- né et l'emploi de tensions élevées en conséquence est donc possible.
Pour maintenir constante la pression de la ma- chine, on prévoit, conformément à l'invention, des disposi- tifs correspondants, qui sont directement en liaison avec
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1160= formant la capacité àe la machine.
Pour maintenir constante une pression déterm.in- née, il suffit d'avoir une bouteille d'acier contenant la quantité de gaz correspondante, qui est renouvelée suivant la consommation. On peut également prévoir un système com- presse=.
Une machine fonctionnant sous le vide doit, dans tous les cas, pour maintenir le vide nécessaire, être re- liée à une installation de pompage appropriée. Lorsque l' on emploi d'autres gaz qui ne sont pas sons la pression de saturation, il suffit également de prévoir des bouteilles d'acier ou des pompes en liaison avec un réservoir de gaz correspondant.
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En employant des gaz qui sont sous la pression de saturation, la machine doit être maintenue au moins àla température correspondant a la pression de saturation. De plus il faut mettre en communication avec l'espace de la machine un volume de gaz liquéfie à maintenir à la même température.
L'invention est décrite ci-après plus en détail en se reportant aux dessins annexées, sans toutefois qu'elle soit limitée aux formesd'exécution représentées sur les de ssins.
La fig. 1 montre de manièreschématique une coupe à travers le stator etle rotor du dispositif employé conformément à l'invention.
La fig. 2 montre une partie de la surface den- tée du stator et du rotor.
Les fig. 3 à 8 montrent des exemples de montage pour l'utilisation de la tension alternative produite.
Les fige 9 à 11 contiennent d'autres exemples de possibilités de réalisation mécanique de la machine.
La fig. 12 montre un assemblage de plusieurs groupes de machines.
Sur la fig. 1, le, stator est désigné par la ré- férence 1; les dents ou les intervalles entre les dents du stator portant la référence 2 ou 3. Le rotor est désigné par 4. Lesdents et les intervalles compris entre lesdents du rotor, sont désignés par 5 et6. Le stator est monté fixe sur le bâti 7. Le rotor 4 est monté tournant sur l'axe 8 à l'intérieur du stator, par exemple par des flasques fi- xés des deux côtés sur le stator.
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Le rotor et le stator forment avec leurs sur- faces en regard Les deux assises' on pôles de la capacité de la machine qui varie périodiquement de fait de l'avan- cement des dents 5 du rotor devant les dents 2 du stator.
La fréquence que l'on obtient ainsi est égale au nombre de dents multiplié par le nombre de tour s par seconde.
La forme de l'oscillation est donnée par la forme des dents; elle peut être modifiée a volonté par ces dernières de telle sorte qu'il est possible d'obtenir seulement une oscillation sinusoïdale ou encore de laisser passer des harmonique s supérieurs déterminés, qui par fil- tragepeuvent être rendus particulièrement utilisables. Ce dernier point a une importance particulière pour la radio- émission, car la fréquence des harmoniques est un multiple de l'onde fondamentale. Le rotor et le stator doivent être isolés l'un par rapport a l'autre, par exempta comme représenté,, par un manchon isolant ° 9 entre l'axe et le rotor. L'isolement peut aussi être appliqué en d 'autres points, par exemple entre le stator et lesconuercles du palier, ou entre les paliers et leurs couvercles.
La puissance de la machine varie proportionnel- lement à sa capacité ou à sa variation périodique.
La couche solide introduite dans l'intervalle de la capacité conformément à l'invention, n'est appli- quée dans l'exemple représenté, que du côté du stator, et est représentée par la ligne en traits renforcés de la denture, indiquée sur la fig. 2.
Le calcul de la variation de la capacité de la machine est compliqué en raison de la dissémination
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de la capacité qui est engendrée dans les intervalles com- pris entre les dents. Pour donner une idée du fonctionne- ment de la machine, on se reportera aux données pratiques ci-après :
Pour une largeur de dent d'un millimètre, de intervalles de 1,4 mm, une profondeur de ces intervalles de 2 mm, etun écartement total entre lesdents de 0,3mm, desquels 0,2 mm sont constitués par l'entrefer et 0,1 par la couche diélectrique, on 'obtient par chaque dent et par centimètre de longeueur de dent une capacité maximum de 2 cm avec une capacité alternative de 0, 6 cm.
Pour ces conditions, la valeur de la tension alternative utilisable est d'enveiron 30% de la tension continue appliquée.
Un type de machine possédant les rapporta de dentsprécités, un diamètre du rotor de 137 mm et une lon- gueur de rotor de 95 mm, a donné à 30.000 périodes (ce qui égale une longueur d'onde de 10.000 m) et pour une tension continue de 600 volts, une puissance utilisable de 8 watts.
En décuplant lesdimensations de la machine, on a, en conservant la même vitesse de rotation, une capacité ou une variation de capacité centuple et 10 fois la fré- quence, c'est-à-dire 1000 m de longe ur d' onde . La puis- sance est alors déjà 1000 fois plus grande, c'est-à-dire égale à 8 Kw.
Les explications relatives aux fig. 9 à 11 décrites plus loin, donnent au moins une fois la capacité décuplée, avec une puissance de 80 Kw.
En employant de l'anhydride sulfureux ou du
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gaz ammoniac la puissance augmente d'environ 16 fois, pour une pression quintuplée elle augmente de 400 fois.
Les fig. 3 à 8 montrent des exemples de montage poux l'emploi d'une inductance comme résistance d'utilisa- tion, qui est avantageusement montée en série avec la ma- chine- condensateur, dans le circuit à courant continu de cette machine et dont la capacité est accordée à la fré- quence de la machine.
La machine-condensateur est désignée par la référence 10 dans tous les exemples de montage, la résis- tance d'utilisation inductive par 11 et la source à cou- rant continu. par 12.
Pour l'efficacité de la résonance, la résis- tance à courant alternatif de la source de tension 12, doit être suffisamment faible de lorsque cela est néces- saireêtre shuntée par un condensateur 13, p.ar exemple lorsque au lieu. d'une batterie d'accumulateurs on emploie une machine dynamoo
Sur les fig. 3 et 4, la self d'accord est iden- tique à l'appareil d'utilisation.
La self d'accord et cetappareil peuvent aussi être couplés sous une autre forme, par exemple au moyen d'une couplage capacitif ou inductif*
D'après la fig.3, la résistance d'utilisation est par exemple un. four à haute fréquence pour le chauffage ou. la fusion de corps métallique. Dans ce but,, par exem- ple, un creuset dans lequel se trouve la substance métal- lique est monté dans le champ de la bobine à haute fréquence
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11. Le chauffage a'effectue de manière connue par les
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cpurants de Foucault qui sont engendrés dans la substance métallique à travers le champ à haute fréquence.
Suivant Les fig. 4 à 8, l'appareil d'utilisa- tion est un poste radio-émetteur, avec l'antenne A et la connexion de terre 14. Les possibilités d'accord sur le circuit d'antenne sont par exemple déterminées par le con- densateur 15, qui peut aussi être monté en un autre point.
Dans le couplage capacitif, conforme à fig. 5, le courant continu est complètement arrêté avant d'arriver à l'antenne A par le condensateur 16. Dans le couplage inductif, suivant lesfige 6 à 8, c'e st la bobine seon- daire 17 qui sertà ceteffet.
Dans les Radio-émetteurs, comme le montrent les fig.? et 8, il est égalemeent possible de transmettre des fréquences plus basses sur l'onde à haute fréquence ( ce que l'on appelle la modulation) directement dans le cir- Tilt de la machine. Cela peut donc être appliqué à tous les genres de modulation, par exemple pour la télégraphie, la téléphonie ( diffusion radiophonique), transmission des images, télévision et analogues.
La transmission peut être opérée au moyen du dernier tube 18 du dispositif b,asse fréquence, en branchant, celui-ci par exemple directement au circuit à courant con- tinu 10, 11, 12. La résistance intérieure du tube qui est fonction de la modulation basse fréquence, module dans le même sens le courant continu alimentant la machine 10.
Pour obtenir l' état oscillant en haute fréquence du circuit l0, 11, 12, un condensateur 20 est monté en pa- rallèle -avec le tube 18, la, résistance de ce condensateur
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étant élevée pour les oscillations basse fréquence, mais faible pour les oscillations en haute fréquence.
La fig. 8 montre une variante de montage d'a- près laquelle une. résistance 19 remplace le tube 18 dont la tension continue, qui dépend de la modulation du tube, pro- duit le même effet de commande.
La fig. 9 montre un mode d'exécution de la ma- chine avec capacité considérablement augmentée. Sur cette figure la référence 21 désigne une partie du stator et 22 une partie du rotor, l'arbre du rotor étant désigné par 23.
Le stator et le rotor possèdent desdents 24 et25 dirigées radialement qui engrènent entre elles à la manière des couronnes d'aubes directrices et d'aubes mobiles des tor- bines à vapeur.
La fig. 10 montre une coupe horizontale suivant la ligne A-A. D'après la fig. 10, on voit comment sont construites les dents 24 du stator et celles 25 du rotor, afin de pouvoir faire varier périodiquement leut capacité mutuelle. Sur la fig.9 sont représentées les surfaces actives du stator et du rotor recouvertes toutes deux d'un diélectrique solide 26 ou 27.
Le rotor et le stator possèdent un grand nombre de couronnes dentées, accolées les unes dernières les aut- res dans le sens axial, qui forment avec leur s surfaces de délimitation disposées des deux côtés dans le plan de rota- tion, la capacité efficace et périodiquement variable de la machine. En augmentant le nombre des couronnes dentées on peut obtenir une augmentation extraordinaire de la sur- face active de la capcité.
La disposition de la fig. 9 est de préférence
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réalisé sous forme de disques, comme on le voit d'après la figure.
Ainsi que le montre la fig. 11, la forme des dents 28 du rotor peut aussi être triangulaire, les pointes des dents du rotor étant dirigées vers l'exté- rieur. On obtient ainsi, au point de vue des efforts mécaniques engendrés par la force centrifuge, des con- ditions très favorables, car la matière est réduite vers l'extérieur' de telle sorte que les plus grande vitesses périphériques peuvent être admises. La forme des dents 29 du stator s'adapte à la forme des dents du rotor.
L'emploi du vide ou de gaz sous forte pression, est naturellement aussi possible dans ce cas.
D'une manière générale, il faut encore dire qu'en ce qui concerne l'emploi de pressions de gaz plgs élevées, ces pressions pressent solidement la coucha de diélectrique solide sur son support.
La fig. 12 montre un autre moyen pour augmen- ter la puissance sur un apprareil d'utilisation, dans le-' quel plusieurs machines-condensateurssont couplées avec un ou plusieurs moteur s de commande de manière a travail-
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1er en phase. Les références 30, 31 et 32 représentent hà 4 Bae machinodo ce genre travaillant en phase, qui sont &oM* connectées de la manière décrite avec un e-4 33 par l'intermédiaire du dispositif 'd'accouplement 34,35 et 36.
D'autres machines peuvent etre accouplées sur les organes d'accouplement 37 et 38.