<Desc/Clms Page number 1>
" Procédé pour augmenter la te.nsion fournie par les machines électrostatiques à organes mobiles conducteurs.!! Demandes de brevets Français en sa faveur du 20 Septembre 1945 et du 21 Septembre 1945 (Addition).
La présente invention concerne les machines électros- tatiques à organes conducteurs mobiles, notamment les machines du genre TOEPLER.
Dans la description qui va suivre, on désigne par "pro- ducteurs" les organes, fixes ou mobiles, d'une telle machine, qui, lors du fonctionnement de celle-ci, sont portés à un potentiel donnéà l'aide d'une ou plusieurs sources extérieures d'électricité, ces éléments coopérant avec les transporteurs mobiles qui sont ici constitués par des organes conducteurs.
Dans les machines électrostatiques à organes mobiles conducteurs, utilisant au*maximum la rigidité diélectrique du milieu fluide dans lequel travaillent ces machines, l'épaisseur minimum de diélectrique fluide séparant les transporteurs des pro- ducteurs doit être d'autant plus grande que la différence de po- tentiel fournie par la machine est plus élevée. L'augmentation de cette épaisseur a pour effet de,diminuer dans une certaine mesure le champ électrique maximum admissible dans le diélectrique flui- de, ce qui diminue corrélativement la puissance spécifique propor-
<Desc/Clms Page number 2>
tionnelle au carré de ce champ.
En même temps que l'épaisseur minima de diélectrique fluide, il faut augmenter l'épaisseur des organes conducteurs mobiles, ce qui conduit à une augmentation des certes par frot- tements dans le diélectrique fluide et à une diminution de puis- sance, due l'accroissement des capacités parasites.
La présente invention donne le moyen de remédier à ces inconvénients et permet d'établir des machines électrostatiques à organes mobiles conducteurs, rationnellement construites, fournis- sant des tensions très elevées avec une puissance spécifique et un rendement aussi bons que ceux des machines à tension relativement réduite.
Conformément à l'invention, on obtient des différences de potentiel élevées entre les pôles d'une machine avec une épais- seur de diélectrique réduite séparant les transporteurs des pro- ducteurs, en disposant, à la suite du producteur normal, dans le sens de rotation de la machine considérée lorsqu'elle fonctionne en génératrice, une série de producteurs auxiliaires qui sont por- tés à des potentiels croissants d'un producteur au suivant et tels que la différence de potentiel entre un transporteur et les produc- teurs les plus voisins reste inférieure au maximum compatible avec la sécurité du fonctionnement et que le potentiel d'un transporteur à la sortie du dernier producteur soit supérieur à ce maximum.
La tension fournie par une machine électrostatique ainsi perfectionnée peut ainsi dépasser largement la tension que pourrait fournir une machine construite suivant les principes connus et dans laquelle l'épaisseur de diélectrique fluide serait la même entre producteurs et transporteurs.
Parallèlement à l'augmentation de tension ainsi obtenue, on peut obtenir une augmentation de 1 intensité du courant fourni par la machine et, par conséquent, une nouvelle augmentation de la puissance, en combinant, avec la disposition ci-dessus décrite, celle prévue dans la demande de brevet N 364.457 du 21 Novembre 1946. qui consiste à disposer, on plus du ou des producteurs normaux, un ou plusieurs producteurs auxiliaires dont l'influence électri- que sur les transporteurs s'exerce lorsque ceux-ci sont mis en re- lation avec le collecteur de la machine et qui sont portés à un potentiel dont le signe et la valeur sont tels que lesdits produc- teurs, par influence sur les transporteurs, attirent de l'électri- cité de signe contraire à celle recueillie par le collecteur.
<Desc/Clms Page number 3>
A cet effet, on dispose, à la suite desproducteurs portés à des potentiels croissants, dans le sens de rotation de la machine fonctionnant en génératrice, des producteurs auxiliaires de potentiels décroissants d'un producteur auxiliaire au suivant, dans le même'sens, le premier producteur de cette série exerçant son influence sur les transporteurs lorsque ceux-ci sont mis en relation avec le collecteur et le signe, ainsi que la valeur, du potentiel auquel il est porté étant tels que ledit producteur at- tire, par influence sur les transporteurs, de l'électricité de si- gne contraire à celle recueillie par le collecteur.
L'alternance des séries de producteurs ainsi constituées peut se répéter plusieurs fois pour un seul tour de la machine, les organes de mise en contact des transporteurs avec l'un et l'autre pôle de la machine étant multipliés de façon correspondante.
Les dessins annexés représentent schématiquement deux exemples de réalisation de machines électrostatiques du genre TOEPLER conformes à l'invention. Dans ces dessins : fig. 1 est.une vue schématique, en perspective, d'une machine comportant des producteurs portés à des potentiels crois- sants; fig. 2 est une vue analogue d'une machine comportant des producteurs portés à des potentiels croissants, puis décroissants.
Le machine représentée à la figo 1 comporte quatre pro- ducteurs 1, 2, 3, 4, formés chacun de deux lames conductrices paral- lèles fixées de façon isolante sur le bâti 5 da la machine, et six transporteurs constitués chacun par un secteur conducteur 6 monté de.. façon isolante sur l'arbre 7 de la machine qui tourillonne dans des paliers portée par le bâti 5' Chaque transporteur 6 est relié électriquement un secteur conducteur 8 encastrésur la face ter- minale d'un cylindre isolent 9 cilé sur l'arbre 7, l'angle d'ouver-
EMI3.1
trrc c1': ahscr.; sct ur 8 6t'ant 19 'l6'n,-' ql' -; ::C"111-î c]1:i. soctcur CO'18- 1.'i'. "r t; ''- 1"1-'nc--''Jr)")!Jl1rl (f'01"'-:..p:Y1"'-"' ,;..C" se"' irj 8 \,.. r-'T;''; #(" ," 1:'-,"""",'.8 '; ,t 11 ', , . " 1":- i- :ç:
.., j':..; prr ti ,n, 0 J::' ...'3. 1 (J, 1 1;] [,::t} ." (tL3:"'GS' J..J("-:) - 'i..:"1=P ... ":. Ci, 'tV¯C 1? ct "('[lt1.:. ::"v Gr"n'jrn'''::'.1.¯4 6 r-'''r --'(J'lC Ij,: ^t:L!i:Y1C: '*' p-ntr r ) uY' 1:' 3'ni.' '-1 '"'-'or'1)0t;,--;1¯.,: ". ''' 1" 1 J,.. 11, '',1;' w7 0')11-' 1:;J 't r.. 1 :..;in: ,:t !.tJ "-'fS8: -Tj zur r ..r 'ntct: =¯".iP;:G' il!', ûCû, ur- i .l :7.TiJ'.'t;:3 1:; C'T.; C1 -La ;4;'u'. d'4 1.'-':'DS... i'i.C".i2' Cn'1'" n'j()""r1.."" el- .:r4....,. loj diu P";"r'j" r '- "1' J. r,1 f'J .^ 120'J.L.. , hrjr". nt 11 :"':"-;8 l.i '"âc: d':.:- :1"¯;111.:.:: G',:.,.a : .10n':]":.
.¯ 1"F'
<Desc/Clms Page number 4>
2U étant la différence maximum de potentiel pouvant ré- gner, lors d'un fonctionnement normal de la machins, entre un producteur et les transporteurs qui on sont les plus proches, on porte les producteurs 1, 2, 3 et 4 respectivement aux potentiels : -U, 0, + U et 2U.
Lorsqu'un transporteur 6 pénétra -entre les lames du pro- ducteur 1, il se trouve mis an relation avec le sol par l'intermé- diaire du secteur 8 correspondant et du balai 10 et il prend une charge approximativement égale à C.U, C étant la capacité maximum que peuvent réaliser un transporteur et un producteur. Quand le transporteur considéré commence à sortir du producteur, sa rela- tion avec le sol est coupée et son potentiel s'élève, cette élé- vation sa poursuivant du fait du passage de cc transporteur entre les lames dos producteurs 2, 3 et 4.
En effet, lorsque ledit trans- porteur est à l'intérieur du producteur 2 au potentiel 0, son po- tontiel est +U, lorsqu'il est d'uns le producteur 3 au potentiel +U, son potentiel est 2U et enfin, lorsqu'il sort du producteur 4, qui est Dorté au potentiel +2U, son potentiel s'élève encore au delà do 3U en tendant vers 4U. On remarque que, grêce à la disposition adoptée, le potentiel d'un transporteur est porté à cette dernière valeur sans que, cependant, la différence de potentiel entre un producteur et le ou les transporteurs qui se trouvent entre les lames de ce dernier dépasse la valeur maximum admissible 2U.
Lorsque le transporteur ci-dessus considéré a atteint, dans son mouvement de sortie d'entre les lames du producteur 4, un potentiel voisin de 4U, il est mis en relation avec le collec- teur de la machine, par l'intermédiaire du secteur 8 correspondant et du balai 11 dont la position a été déterminée à cet effet, et cette relation dure jusqu'à ce que ledit tronsporteur soit entière- ment sorti du producteur 4. Le collecteur reçoit ainsi la charge apportée par le transporteur sous un potentiel pouvant atteindre 4U, au lieu de U dans le cas d'une machine ordinaire, avec le même intervalle de diélectrique entre producteur et transporteur. nuand la relation entre le transporteur et le collecteur a été rompue, le potentiel du transporteur s'abaisse rapidement dès que celui-ci s'approche du producteur 1 au potentiel -U.
Le transporteur est alors remis en relation avec le sol et le cycle recommence.
La valeur des potentiels auxquels sont portés les dif- férents producteurs n'a été indiquée ci-dessus qu'à simple titre d'exemple et l'on peut 'choisir, pour ces producteurs, des poten- tiels qui ne soient pas des multiples entiers de U. C'est ainsi que l'application de l'invention peut être variée de bien des fa-
<Desc/Clms Page number 5>
gons,, On peut, par exemple, choisir pour les producteurs des po- tentiels qui ne soient pas des multiples entiers de U. Si.l'on porte le premier producteur 1 à un potentiel -v différent, de -U et si l'on définit un paramètre k par l'égalité 2U = kV+V,. les potentiels des autres producteurs peuvent être, en première approxi- mation :
kV-V.pour 2, 2kV-V pour 3, 3kV-V pour 4. Un transporteur prend alors, dans le producteur 1, une charge approximativement égale à C.V., et a, comme potentiel kV quand il est à l'intérieur du producteur 2, 2kV quand il est à l'intérieur du producteur 3, et ainsi de suite. La différence du potentiel entre un producteur et. le ou les transporteurs qui se trouvent entre les lames qui le constituent ne dépasse donc jamais 2U = kV+V, à condition que la. tension choisie pour le fonctionnement de 1 appareil d'utilisation ne soit pas supérieure à 4kV. La puissance de la machine dépend'de la valeur choisie pour le facteur k.
On voit facilement que l'in- tensité est proportionnelle à 2/k+l et la tension maxima à 2k/k+l, de telle sorte que la puissance est proportionnelle à 4k/(k+1)ê, quantité maxima pour k = 1. L'existence de capacités parasites entre le sol et les transporteurs ainsi qu'entre les transporteurs eux-mêmes fait que le maximum de puissance a lieu en général pour une valeur de k inférieure à un.
On peut également ajouter à tous les potentiels indiqués une même constante. Si cette constante est -2kV, la machine a deux pôles à des potentiels voisins de +2kV et -2kV. Si cette constante est -4kV, la machine a un pôle au potentiel -4kV et l'autre au po- tentiel 0. Si la constante est quelconque, on a un fonctionnement bipolaire dissymétrique.
L'excitation des producteurs 1, 2, 3, 4 peut être obte- nue par tout moyen connu. On peut utiliser, par exemple, des géné- ratrices auxiliaires, qui peuvent être des machines genre TOEPLER rationnellement construites, de faible puissance. En se servant d'un ou plusieurs diviseurs de tension à résistance, on peut ré- duire par exemple à deux le nombre de génératrices auxiliaires uti- lisées, ces deux génératrices fournissant las potentiels extrêmes -V et 3kV-V, lespotentiels intermédiaires étant fournis par les diviseurs de tension.
L'excitation des producteurs dont le potentiel est compris entre 0 et 4kV peut être également empruntée à la machine princi- pale, soit on fractionnant la tension finale obtenue, égale à 4kV, à l'aide d'un diviseur de tension à résistance, soit en so s3rvant de balais auxiliaires prenant contact avec les transporteurs au mo- ment où leur potentiel est égal à celui du producteur auquel cha- @
<Desc/Clms Page number 6>
que balai est relié. Pour obtenir toute tension intermédiaire en- tre la tension do débit et 0, il suffit de disposer un balai isole venant prendre contact avec un plot relie, à l'un dos transportours.
En modifiant la position du balai, on pourra régler l'instant du contact et la tension obtenue.
Exemple.-
Une machine genre TOEPLER rationnelle,ment construi- te possède huit transporteurs comprenant chacun cinq secteurs d'en- viron 45 . Le diamètre extérieur de l'ensemble est 34 cm. Dnns l'air comprimé à 30 atmosphères, l'épaisseur minimum de diélectrique séparant un producteur d'un transporteur correspond à une différen- ce de potentiel maximum de 120 kilovolts environ, ce qui conduit à prendre un potentiel de débit de 50 à 55 kilovolts, pour obtenir la puissance maximum.
En disposante conformément à l'invention, six producteurs portés respectivement aux potentiels de -70, -20, +30, 80, 130, 180 kilovolts, la tension de débit q pu être portée à 300 kilovolts avec une intensité de 0,9 milliampère à la vitesse de rotation de 1400 tours par minute, soit une puissancee de 270 watts. La tension de débit a été multipliée par 6. Pour l'excita- tion des producteurs aux potentiels de -70 et -20 kilovolts on se sert d'une seule génératrice auxiliaire, fournissant directement la tension de -70 kilovolts, celle de -20 kilovolts étant obtenue par un diviseur de tension à résistance.
Les autres producteurs sont excités par la machine principale, à l'aide d'un autre divi- seur de tension à résistance branché entre le pôle au potentiel 300 kilovolts et le sol.
La machine représentée à la fig. 2 comporte huit produc.. teurs désignés par les références 1 à 4 et 12 à 15, constitués cha- cun par trois lames conductrices parallèles, montées de façon iso- lante sur le bâti 5 de la machine, et un nombreégal de transpor- teurs 6 formés chacun de deux secteurs conducteurs montés de façon isolante sur l'arbre 7. Comme dans la machine représentée à la fig.
1, chaque transporteur 6 est relié électriquement à une lame 16 qui occupe sur un cylindre isolant 17 calé sur l'arbre 7, un arc de cercle correspondant à l'angle d'ouverture des secteurs formant le transporteur en question. Ces lames 16 coopèrent avec des ba- lais 18 et 19 fixés de façon isolante sur le bâti 5 de la machine: Le balai 18 est relié au sol et est disposé pour entrer en contact avec une lame 16 lorsque le transporteur correspondant pénètre en- tre les lames du producteur 1. Le balai 19 est, de son côté, relié électriquement au collecteur de la machine et est disposé pour en- trer en contact avec une lame 16 peuaprês que le transporteur cor- respondant ait commencé à sortir du producteur 4, les pièces mobiles
<Desc/Clms Page number 7>
tournant en sens inverse des aiguilles d'une montre.
La machine ainsi constituée fonctionne, en génératrice, de la façon suivante.
- 2U désignant encore la différence maximum de poten- tiel pouvant exister entre un producteur et les transporteurs qui en sont les plus voisins, on porte, comme dans le cas de la fig.
1, les producteurs 1, 2, 3, 4 respectivement aux potentiels -C, 0, +U et. 2U, les producteurs 12, 13, 14, 15 étant portés respec- tivement aux potentiels 5U, 4U, 3U et 2U.
La machine étant entraînée en rotation dans le sens in- verse des aiguilles d'une montre, un transporteur, pénétrant dans le producteur 1, reçoit une charge +Q approximativement égale à C.U et suit le cycle décrit à propos de la fig. 1 en ce qui con- cerne son augmentation de potentiel, ce dernier tendant succe'ssi- vement, à la sortie des producteurs 1, 2, 3 et 4, vers les valeurs +U, 2U, 3U et 4U.
Lorsque ce potentiel atteint 4U, c'est-à-dire quand le transporteur considéré commence à sortir du producteur 4, et à pénétrer dans le producteur 12, ledit transporteur est mis en relation avec le collecteur par l'intermédiaire de' la lame 16 cor- respondante et du balai 19 et cette relation est maintenue tant que la capacité constitués par le producteur 12 et le transporteur cr@@, 13 balai 19 étant disposé en conséquence. La quantité d'électricité portée par le transporteur lors de son entrée dans le, producteur 12 était +Q et, lorsqu'elle commence à sortir dudit producteur et que sa relation avec le collecteur cesse, elle est sensiblement -Q. La quantité d'électricité débitée est donc 2Q au lieu de C; elle a donc été doublée.
Le passage subséquent du transporteur considéré dans les producteurs 13, 14 et 15 a pour effet de ramener son potentiel progressivement à zéro avant que ce transporteur recommence le cy- cle qui vient d'être décrit. n effet, quand le transporteur se trouve à l'intérieur du producteur 13 porté au potentiel 4U, son potentiel est 3U; quand il se trouve à l'intérieur de 14 au poten- tiel 3U, son potentiel est 2U, et ainsi de suite. Lorsque le trans- porteur a suffisamment pénétré dans le producteur 1 au potentiel -U, il est mis en relation avec le sol, et le cycle recommence..
D'une façon générale, pour obtenir la différence de po- tentiel nU avec le sol, on peut prendre une machine possédant 2n producteurs ou un multiple de 2n.
Ces producteurs sont alors .portés aux potentiels -U, 0, +U, 2U,... (n-3)U, (n-2)U, (n+l)U, nU, (n-l)U,... 3U, 2U, -U, 0, +U, etc..., les producteurs étant pris dans l'ordre où les ren-
<Desc/Clms Page number 8>
contre un même transporteur tournant dens le sens générateur.
On peut aussi choisir, pour les producteurs, des poten- tiels qui ne soient pas des multiples entiers de U. Si l'on porte le premier producteur au potentiel -V au lieu de -U, en définis-
EMI8.1
sant un paramètre k par l'équation 2U = kV + V,on pourra porter les producteurs, pris dans le même ordre que précédemment, aux potentiels : -V, kV-V, 2kV-V, 3kV-V,... (n-2)kV.-V, (n-l)kV.'.V, nkV+V, (n-1 )kV-V, (n-2 )kU'rJ, . > , 2kV+V, kV+V, -V, kU.V, 2kVV, .. etc..,.
Le potentiel d'un transporteur sera 0, kV, 2kV, ,.,, (l1-:l)kV, D10 (n-l)kV, ... 2kV, kV, 0, kV, ... de telle sorte que la tension de
EMI8.2
débit sera voisine de nkV au lieu dttro :zU, tandis que la charge d'un transporteur sera + C.V. au lieu de + C.U. La puissance de la machine dépendra du paramètre k, comme il a été indiqué plus haut, On peut également ajouter à tous les potentiels indiqués une même constante, de valeur quelconque
L'excitation des producteurs peut être obtenue de façon
EMI8.3
analogue à ce qui a été pré7a pour la machine représentée à la fi; 1.
Exe mn le , - Une machine genre TOEPLER ratîonnellement construite pos- sède huit transporteurs comprenant chacun cinq senteurs d'environ
EMI8.4
.5 . Le diamètre de l'ensemble est 3). cm. Dans l'air comprimé à 30 atmosphères l'épaisseur minimum de diélectrique sépar2,:;;;; un t"¯'.2" porteur d'un producteur correspond à une différence do potentiel maximum de 120 kilovolts environ., ;En disposant, conformément à
EMI8.5
l'invention, huit producteurs aux potentiels de ..70, '"20., -!-50: 80, 270, 220, 170, 120 kilovolts, la tension de débit est J'environ
EMI8.6
220 kilovolts, avec une intensité de 2,3 miliiampèn-3s à la vitesse de rotation de 1400 tours par minute, ,soit une puissance de 460 watts.
En portant les producteurs aux potentiels de -7C, -20, 170, 120, -70, -20, 170, 120 kilovolts, on réalise un autre coupla- ge de la machine, dans lequel la tension est d'environ 100 kilo., volts, soit la moitié de ce que donnait le couplage précédent, mais
EMI8.7
l'intenàité est 5,1 milliampères à la même vitesse.. soit une puissance de 510 watts, La puissance a été légèremewt augmentée, parce que l'influence des capacités parasites est plus faible,
EMI8.8
La présente invention s lap1Jlique non seulement aux machi- nes électrostatiques génératrices à transporteurs conducteurs, mais encore à toute machine électrostatique motrice à transporteurs con- ducteurs.
On peut, par exemple, faire fonctionne...'' la machine repré- sentée à la fig. 1 en' motrice, en portant les producteurs 1, 2, 3, 4 aux potentiels -U, 0, +U, 2U comme précédemment, et en alimentant le balai isolé 11 à l'aide d'une source fournissant une différence
<Desc/Clms Page number 9>
de potentiel 4U avec le sol. La machine. fonctionnera en moteur, en,tournant en sens inverse du sens générateur.
La présence des producteurs 2, 3, 4 aux potentiels 0, U et 2U, en laquelle con- siste l'application.de l'invention, permet d'alimenter la machine sous* la tension 4u, alors que l'épaisseur minimum de diélectrique fluide séparant un producteur d'un transporteur nécessiterait, si l'on ne faisait pas usage de l'invention, une tension d'alimenta- tion de l'ordre de U seulement.
De même, en ce qui concerne la machi-ne représentée à la fig. 2, en alimentant le balai 19 avec une source fournissant une différence de potentiel 4U avec le sol, et en portant comme précé- demment les producteurs 1,2, 3, 4, 12, 13, 14, 15 aux potentiels -U, 0, +U, 2U, 5U, 4U, 3U, 2U, la machine fonctionnera en moteur, en tournant en sens inverse du sens générateur. Grâce à la présence du producteur 12 au potentiel 5U d'une part, et à celle des produc- teurs 13, 14, 15 aux potentiels 4U, 3U, 2U, d'autre part, les trans- porteurs sont soumis aux mêmes forces électrostatiques, quand leur potentiel s'abaisse de 4U à 0 et quand il s'élève de 0 à 4U. Il en résulte une augmentation du couple moteur et, par suite, de la puis- sance motrice, à vitesse égale.
Cette augmentation de puissance mo- trice est accompagnée d'une augmentation correspondante de l'inten- sité et par suite de la puissance électrique absorbée.
D'une façon générale, toutes les modalités d'application de l'invention indiquées pour les machines génératrices, comme par exemple les valeurs des potentiels, le nombre des transporteurs et des producteurs, sont valables pour les machines motrices.
Une même machine est susceptible de couplages différents, donnant des tensions et des intensités diverses, la puissancs four- nie restant sensiblement la même. Dans le cas de la machine repré- sentée à la fig. 2, on pourra par exemple porter les producteurs aux potentiels -U, 0, 3U, 2U, -U, 0, 3U, 2U. La tension fournie serait 2U au lieu de 4U, mais, en revanche, l'intensité disponible serait doublée par rapport au couplage précédent, car il y a main- tenant deux transporteurs capables de débiter simultanément. Il faudrait ajouter naturellement deux balais supplémentaires, ou bien réunir électriquement. par des connexions les transporteurs qui, dans le second mode de couplage., se trouvent sans cesse, au cours du fonctionnement, au même potentiel.