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"Machines 61ectro.-,catiques à barres ."
Il est connu que, dars les machines électrostatiques à organes mobiles conducteurs, les forces électriques utiles agissant sur ces organes mobile:: sont proportionnées au maitre-cou- ple.des parties actives des dits organes mobiles conducteurs et qu'il y a avantage à donner @ ce maître-couple une aire suffisante, compte-tenu des autres caractéristiques de la machine.
Dans les machines électrostatiques à organes mobiles conducteurs réalisées jusqu'à présent, ces organes mobiles sont le plus souvent constitués par des pièces plates formant avec les organes fixes des condensateurs analogues à des condensateurs plans. Il en résulte quo, quand bien même on donne à ces organes mobiles conducteurs une surface de maître-couple suffisante pour tirer le meilleur part du dispositif envisagé, cette surface reste en général petite par rapport à la surface totale d'un organe mobile. Sur les faces planes d'un organe mobile conducteur plat ne s'exercent que des forces électriques inutiles
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puisqu'elles sont perpendiculaires au mouvement de cet organe, tandis que les forces utiles s'exercent seulement sur sa tranche.
Il est donc manifeste que la surface d'un tel organe mobile conducteur est, dans son ensemble, mal utilisée, puisque les forces électriques qui s'exercent sur la plus grande par- tie de cette surface ne fournissent aucun travail lors du mouvement des organes mobiles et ne participent donc point au procès de conversion de l'énergie.
On a recherché le moyen de réaliser des organes mobiles conducteurs dans lesquels la plus grande partie possible de la surface fût@ affectée de forces électriques utiles, de telle sorte que la surface de maître-couple soit comparable à la surface totale de l'organe, au lieu de lui être très inférieure..
La présente invention a pour objet une machine élec- trostatique à organes conducteurs mobiles, fonctionnant comme moteur ou comme génératrice, et qui répond à ces conditions.
Cette machine est caractérisée par le fait que les organes mobiles conducteurs ont la forme de barres allongées dont la grande dimension est perpendiculaire à la direction de déplacement des dits organes et dont l'épaisseur, mesurée entre deux plans tangents à une barre et parallèles à la direction de déplacement de cette dernière, est de préférence sensiblement ép-ale à deux fois la distance entre un oraane mobile et un organe fixe influençant ce dernier, lorsque les organes mobiles sont influencés des deux côtés, et à une fois cette distance lorsque les organes mobiles sont influencés d'un seul côté.
Cette épaisseur est en effet celle qui permet que les dites barres soient soumises aux forces électriques utiles les plus grandes possibles.
La section droite des barres, constante ou variable,
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peut être par exemple circulaire, elliptique, ovoïde ou sensiblcment telle.
Le stator peut, lui aussi, être utilement constitué par des organes fixes similaires.
Diverses autres caractéristiques apparaîtront au cours de La description cui va suivre et qui sera faite en se réfé- ra@@ au dessin annexé dans lequel :
La fig. 1 représente une vue en perspective d'un rotor de machine du type "en cage d'écureuil".
La fig. 2 montre schématiquement la machine précédente vue en bout du côté des balais.
Les fig. 3, 4 et 4bis se rapportent à un autre mode de réalisation; la fig. 3 montre une vue en perspective d'un rotor supposé retiré de la machine et dans lequel les barres sont disposées radialement.
La fig. 4 représente une vue en bout de la machine, du côté des balais.
La fig. 4bis représente une vue en coupe de la machine par un plan passant par l'axe de rotation.
Les fig. 5,6 et 7 montrent différentes formes possibles des sections des organes conducteurs mobiles ou fixes.
Le type de rotor représenté sur la fig. 1 comporte un ensemble de barres a de section circulaire, disposées sur la périphérie d'un cylindre circulaire et maintenues par deux joues isc'antes b fixées sur l'axe de rotation c, l'ensemble constituait une sorte de cage d'écureuil.
La fleure 3 représente un rotor de machine électrostatique constitué par des barres m de section variable disposées rad@alement en trois rangées sur un moyeu isolant k traversé par l'axe de rotation 1.
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Il est manifeste que dans ces dispositifs les surfaces de maître-couple sont multipliées au maximum, compte tenu de l'espace occupé par les organes mobiles conducteurs, et que les forces électriques utiles pouvant être augmentées en proportion, la puissance spécifique de la machine pourra être considérablement plus grande que celle d'une même machine de même encombrement, travaillant dans un milieu fluide de même densité d'éner@ie maxima, et à laquelle on n'aurait pas appliqué l'invention.
Un certain nombre de profils avantageux, pour les barres constituant les organes mobiles conducteurs des machines conformes à l'invention sont, par exemple, le profil circulaire, le profil elliptique à petit axe parallèle au mouvement, le rapport des axes étant compris entre deux et un, le profil elliptique à grand axe parallèle au mouvement, le rapport des axes étant comprit entre un et deux, le profil ovale dont l'axe de symétrie est parallèle au mouvement, le sommet à forte courbure situé sur cet axe étant à l'arrière du profil dans le fonctionnement en générateur (fig. 5).
Quand le profil est aplati dans le sens du mouvement, c'est-à-dire quand c'est l'axe parallèle au mouvement qui est le plus petit, il y a avantage, en général, à employer un profil très voisin d'une ellipse, dont le petit axe est parallèle au mouvement. Quand le profil est allongé dans le sens du mou-' veinent', c'est-à-dire quand c'est l'axe perpendiculaire au mouvement qui est le plus petit, il y a avantage) en général, à employer un profil analogue à une ellipse dont le petit axe serait perpendiculaire au mouvement mais différent de l'ellipse par les points suivants t le rayon de courbure, au lieu d'être égal comme dans l'ellipse à b2/a au sommet du grand axe (a et b
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désignant respectivement le grand aXe et le petit axe),
a une valeur plus grande, supérieure à 0,75.b quand a/b est cdmpris entre un et deux, et supérieure à 0,o5.b quand a/b est compris entre 2 et 3-. Quand on parcourt le profil en partant du sommet du grand'axe, le rayon de courbure commence par croître très lentement, puis plus rapidement, pour' atteindre au sommet du petit axe une valeur plus grande que l'expression a2/b cor- respondant à l'ellipse de mêmes axes (figure 6).
Quand l'ensemble du dispositif électrique ni est pas symétrique comme il arrive, par exemple, dans le cas du rotor en forme de cage d'écureuil représenté par la fig. 1, où les pièces fixes qui devront influencer les barres ne pourront être placées que d'un seul côté de celles-ci, il pourra y avoir avantage à employer des barres de profil non symétrique par rapport à un plan parallèle au mouvement (figé 7).
D'une façon générale, il a été trouvé que, pour tirer le meilleur parti de l'invention, il convenait d'employer des profils dont le rapport des axes ne fût pas supérieur à trois, en appelant axes la moitié de la distance de deux droites parallèles tracées dans le plan du profil et tangentes extérieurement à celui-ci, la direction de ces droites étant pour l'un des axes, parallèle au mouvement, et pour l'autre, perpendiculaire.
Pour que des barres de profil donné soient soumises aux forces électriques utiles les plus grandes possibles, il convient de donner à ces barres une charge électrique d'une certaine valeur, et de faire agir sur elles un champ électrique parallèle au mouvement, d'intensité convenable. La valeur de la charge et l'intensité du dhamp peuvent varier entre certaines limites, autour de valeurs optima dépendant en'particulier
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du profil choisi.
Ces valeurs pourront être obtenues dans chaque cas par étude du champ électrique au voisinage des barres, étude que l'on sait faire par des moyens connus, mathématiques, graphiques, ou autres, à la portée de tout homme de l'Art, en tenant compte naturellement du fait que le champ électrique ne doit pas excéder la limite correspondant à la rigidité du milieu fluide où travaille la machine. En général, la valeur optima du champ électrique moyen parallèle à la di- rection de déplacement des barres est voisine de 0,5 m. a (a+b) En désignant le champ électrique maximum admissible dans le milieu diélectrique fluide qui entoure les barres, b l'axe du profil perpendiculaire au mouvement, a l'axe para@lèle au mou- ve ment .
La charge optima à donner à une barre, par centimètre de longueur, est, en général, voisine de A. . Em. b. # étant le pouvoir diélectrique du milieu fluide entouran'. les barres et A un coefficient numérique, toutes les grandeurs étant, dans cette formule, exprimées en unités mécaniques et électrostatiques G.G.S. Le coefficient A est vois: n de 0,25 pour les profils voisins du cercle, ou aplatis dans le sens du mouvement (petit axe parallèle au mouvement). Pour les profils allongés dans le sens du mouvement(grand axe parallèle au mouvement), il est plus grand, d'autant plus que le profil estplus allongé. Il est voisin de 0,30 pour a/b = 2 ot de 0,50 pour a/b = 3.
Quand les données précédentes concernant le profil des barres, le champ électrique moyen parallèle au mouvement et la charge des barres sont respectées. l'indice de forme dcs barres prend des valeurs élevées, supérieures à 0,50 et pouvant dépasser 0,90. Cet indice est, par exemple, 0,70 à 0,80 pour des profils voisins du cercle, et 0,95 pour un profil elliptique
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aplati dans le sens du mouvement. le rapport des axes étant d'environ 1,6:
On peut s'écarter, dans une mesure limitée, des valeurs optima précédemment indiquées, augmenter, par exemple, la charge des barres, à condition de diminuer en même temps le champ électrique moyen parallèle au mouvement, et inversement.
Il résulte de ce qui précède que l'intensité du champ moyen parallèle au mouvement est, dans les machines à barres, une fraction appréciable du champ maximum Em, par exemple le quart pour les profils voisins du cercle. Il en résulte; que, dans ces machines, la différence le potentiel entre les p8les pourra être extrêmement élevée, particulièrement si la machine travaille dans un milieu diélectrique fluide de rigidité importante: Si Em = 200 kilovolts par centimètre, valeur très facile à obtenir le champ moyen parallèle au mouvement pourra être voisin de 50 kilovolts par centimètre.
Le potentiel d'une barre variera donc sensiblement de 50 klovolts quand elle se déplacera de un centimètre, c'est-à-dire que si elle doit franchir 20 centimètres pour aller d'un pôle de la machine à l'autre, la différence de potentiel entre ces pôles pourra être de 1000 ki- lovolts, L'invention fournit don;
le moyen de construire. des machines électrostatiques fournissant des tensions exceptionnellement élevées, par exemple, 10.000 kilovolts, avec un enom- brement beaucoup plus réduit que elui des dispositifs électrostatiques actuellement connus, fonrtionnant dans un milieu de même rigidité diélectrique,
Pour effectuer la charge ces barres et produire le champ électrique parallèle à leur mouvement, on pourra se servir d'un des dispositifs actuellement conn@s. Par exemple, on pourra soumettre les barres, en un point de leur course, à l'influence
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d'une électrode fixe conductrice portée à un potentiel -v. alors que les barres sont en relation, par exemple à l'aide de balais ou de peignes, avec le sol.
Chaque brrre prendra une charge pratiquement égale à C.V. C étant sa capacité avec l'électrode influente, si les capacités avec les organes de la machine dont le potentiel est très différent de V, sont assez petites. On peut aussi mettre les barres en relation avec un générateur auxiliaire fournissant le potentiel V, tandis que l'électrode fixe influente est reliée au soi,
Afin que toutes les barres soient, autant que possible, soumises à des forces électriques utiles, il conviendra, comme il est connu, qu'elles ne se meuvent jamais à vide entre les pôles de la machine mais transportent sans cesse une charge de l'un ou de l'autre signe. On pourra employer dans ce but un des dispositifs connus.
Si, par exemple, un pôle de la machine est au potentiel U positif, on pourra soumettre les barres, pendant qu'elles sont en relation avec ce pôle par un troyen convenable tel que balais ou peignes, à l'influence d'une électrode fixe portée, par un moyen convenable, à un potenti.el U+V supérieure à U, qui produira par influence dans les barres une charge négative qu'elles emporteront dans leur mouvement ultérieur et apporteront à un autre pôle. On pourra aussi, comme il est connu, disposer un premier balai relié à une électrode fixe entourant le plus possible les barres, balai auquel les barres transmettent la charge positive; qu'elles apportent, sous le 'potentiel U.
Le courant I ainsi fourni traverse, avant que d'arriver au récepteur, une résistance, qui produit une chute de tension V, et la sortie 'de la résistance, qui est au potentiel V-V, est reliée à un second balai. Quand les barres viennent en contact avec ce balai, elles sont encore sous l'influence de l'électrode fixe
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au potentiel U, et reçoivent une charme négative. Cette disposition permet d'éviter le dispositif auxiliaire, tel que générateur d'excitation, qui est indispensable pour porter l'électrode fixe à un potentiel U+V plus élevé que celui U du pôle, mais il nécessite la dissipation en pure perte de la puissance V.I, alors que la puissance nécessaire pour porter l'électrode fixe au potentiel U+V peut être rendue négligeable par un bon isolement.
Pour produire le champ électrique moyen parallèle au mouvement des barres, on pourra, comme il est connu, disposer des conducteurs fixes portés à des potentiels convenablement échelonnés. à l'influence desquels les barres seront soumises au cours de leur mouvement. L'échelonnement des potentiels pourra, comme il est connu, être obtenu par l'emploi de poten- tiomètres, de génératrices auxiliaires, ou de balais auxiliaires. Il sera en zénéral avantageux de se servir, comme conducteurs fixes, de barres analogues ou même identiques aux barres mobiles.
On pourra également se servir, comme électrodes fixes, de couches plus ou moins épaisses en matières de très faible conductibilité, dont la surface prend un potentiel régulièrement variable quand elles sont parcourues par un courant, à la manière d'un potentiomètre.
Il a été reconnu qu'il était avantageux, particulièrement quand la machine doit fonctionner dans un milieu de rigidité diélectrique élevée, de ne pas donner à ces couches une surface lisse, plane ou cylindrique, comme il a été pratiqué jusqu'à présent, mais de les munir de rainures ou de gorges régulièrement creusées, dont la direction est sensiblement perpendiculaire à celle du mouvement des barres mobiles. Ces
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rainures ou gorges devront avoir un prbfil convenablement ar- rondi, et une profondeur comparable à l'axe du profil des barres qui est perpendiculaire au mouvement.
Ce dispositif permet d'éviter le glissement des charges portées par la couche faiblement conductrice sous l'action des forces qu'elles su- bissent, forces importantes puisqu'elles sont égales à celles que subissent les barres mobiles, par égalité de l'action et de la réaction. Si l'on ne prend pas la précaution mentionnée, il peut se produire facilement des décharges rampantes sur la couche par glissement des charges statiques qu'elle porte.
Pour obtenir le meilleur fonctionnement d'un disposi- tif donné, il convient de donner à l'espacement entre les barres conductrices mobiles et le dispositif fixe produisant le champ électrique dans lequel se meuvent les barres une va- leur convenable, en rapport avec les dimensions du profil des barres mobiles. Quand cet espacement est trop grand, le volu- me occupé par l'appareil est mal utilisé ; quand il est trop petit, le champ électrique varie exagérément d'un point à un autre du profil d'une barre et comme sa valeur maxima est li- mitée par la rigidité du milieu fluide, les forces électriques sont diminuées, ainsi que la puissance de la machine.
Ainsi qu'il a été précisé, il est avantageux de donner à 1+espacement entre barres mobiles et organes fixes créant le champ une valeur voisine de l'axe b du profil des barres, quand les barres sont soumises à linfluence des organes fixes des deux c8tés à la fois (fig. 3, 4 et 4bis); et une valeur voisine de 2b quand les barres ne sont soumises à lirifluence des organes fixes que d'un seul côté comme il arrive; par exemple, dans le cas des rotors, cylindriques en forme de cage d'écureuil (figures 1 et 2).
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Quant à l'espacement entre deux bcrrps mobiles consécutives, il est avanta@eux, en général, de le prendrc compris entre b et 2b. A titre d'exemples de réalisation de l'invention on va maintenant décrire plus en détail, les deux types de machines représentées schématiquement sur le dessin annexé.
Exemple I - Machine dite en cage d'écureuil - Dans cette machine représentée aux figurer 1 et 2, les barres sont circulaires et disposées sur la périphérie d'un cylindre de façon à former une cage d'écureuil.
Le rotor représenté à part à la figure 1 est formé de deux joues isolantes b fixées sur l'axe c, qui portent les barres de profil circulaire Le stator est fait d'un anneau isolant d portant sur sa face interne des rainures dans lesquelles sont logées des barres conductrices circulaires fixes e. four effectuer la charge et la décharge des barres mobiles, le stator comporte en outre deux pièces conductrices plus larges f g . Des résistances h sont intercalées entre les barres fixes successives, de façon à former avec elles deux chaîner conductrices continues allant de f @ ± , de telle sorte que le potentiel varie de façon progressive quand on se déplace sur la surface intérieure du stator.
La pièce f est portée, par un dispositif convenable, . par exemple par une génératrice auxiliaire, à un potentiel -V, négatif par exemple. Quand les barres mobiles passent en face de f, elles sont, par le moyer- d'un balai 1 qui vient frotter sur elles, mises en relation avec le sol, et prennent une charge positive Q. Elles emportent cette charge dans leur mouvement ultérieur, tandis que, grâce à J'influence des barres fixes, leur potentiel s'élève progressivement. Quand elles arrivent en face de ± elles sont mises en relation par un balai avec
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l'appareil d'utilisation.
La pièce es;, par un dispositif convenable, tel que génératrice auxiliaire, portée à un potentiel surpassant de V celui du balai 1 , de telle sorte que les barres emportent, après leur contac; avec .1 une charge sensiblement égale à -Q charge dont le potentiel va en s'abaissant progressivement tandis que les barres s'éloigner.t de g pour s'appro- cher de f et qui est cédée enfin au bala@ i.
Avec un rotor de 10 @m de diamètre, portant 30 barres de 10cm de longueur et de 5 millimètres de diamètre, on a obtenu, dans l'air à la pression atmosphérique, une différence de potentiel de 100 kilovolts entre les balais 1 et j, le eourant fourni étant de 30 microampères pou' Une vitesse de rotation de 3000 tours par minute, soit une puissance de ;5 watts. Dans l'air comprimé sous une pression de 6 atmosphères, la tension atteint 500 kilovolts et l'intensité 0,15 milliampères à la même vitesse, soit une puissance de 75 watts.
Exemple 11. Machine dont lesorganes conducteurs sont disposés radialement. - Dans cette machine., représentée aux figures 3,4 et 4bis les barres conductrices mobiles sont disposées radialement en plusieurs rangées sur la périphérie d'un moyen cylindrique isolant.
Le rotor, représenté seul à lu figure 3, est formé d'un cylindre isolant k emmanché sur l'axe 1, portant trois rangs de barres conductrices m, dont la longueur eat sensiblement égale au rayon du moyeu k. Les barbes conductrices ont une section de profil variable à l'extrémité fixée dans le moyeu, ce profil est une ellipse aplatie dns le sens du mouvement, l'axe parallèle au mouvement étant le plus cour:, le rapport des axes étant de 1,2. Quand on sc déplace sur la barre vers l'extrémité libre, l'axe perpendiculaire au mouvement ne change pas, tandis
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que l'autre augmente progressivement, de telle sorte que le profil s'arrondit; devient circulaire, puis allongé dans le sens du mouvement.
A l'extrémité libre, le profil est elliptique, le grand axe étant parallèle au mouvement, le rappoic des axes étant égal à 2. Les barres sont réunies électriquement par rangs de trois par des tiges conductrices a traversant le moyeu isolant k . Ces tiges aboutissent à des touches de contact o .
A la fig. 4; seuls les axes des barres ont été représentés en traits mixtes, pour éviter de surcharger les dessins.
Le stator est formé de quatre plaques faiblement conduc- trices entretoisées, entre lesquelles viennent passer les barres conductrices mobiles. Ces plaques sont creusées de can- nelures radiales, non représentées au dessin, et portent, en outre, chacune deux pièces métalliques plates r et s , servant à provoquer par influence la charge et décharge des barres conductrices mobiles.
Les pièces r sont portées par un dispositif convenable à un potentiel-V, négatif, par exemple, tandis que les barres mobiles sont mises, par un balai t, en relation avec le sol, quand elles passent entre les pièces! de telle sorte qu'elles prennent une charge positive Q. Elles emportent caute charge dans leur mouvement, et leur potentiel s'élève progressif vement grâce à l'influence des pièces fixes faiblement conductrices. Quand elles passent entre les pièces! , elles sont mises, par un balai u , en relation avec l'appareil d'utilisation ; les pièces s sont portées à un potentiel surpassant de V celui de u de telle sorte que les barres reçoivent une charge sensiblement égale à-Q qu'elles emportent et cèdent au balai t.
Avec un rotor de 40 centimètres de diamètre, portant 90 barros de 10 centimètres de longueur, dont l'axe perpendicu-
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laire au mouvement a 6 millimètres, tandis que l'autre axe varie de 5 à 12 millimètres, on a obtenu, dans l'air à la pression atmosphérique, une différence de potentiel de 200 kilovolts entre les balais t et u , le courant fourni étant de 120 microampèrcs pour une vitesse do rotation de 2000 tours à la minute, soit une puissance de 24 watts environ. Dans l'air comprimé à la pression de 10 atmosphères, on a obtenu une différcncc de potentiel de 1200 kilovolts entre t et u avec un courant de 0,7 milliampère soit une puissance de 840 watts.
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