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sug8 pour fluiyea ôlect-riqueent conducteurs nets.rMent. pour WôialÀll à l g 6t1';, liquide".-"' La présente invention se rapporte à des
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pompée pour fluides électricuen.eîst ccndueeura notamment pour métaux à l t état liquide et elle a trait plus particulièreffient à des pompes éleolro- dynamiques utilisables dans ce but,
On connaît différents typas de pompes électromagnétiques faisant intervenir des
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champs tnagndtiques mobiles et qui sont utilisa pour
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pomper des w±'i=iS.ux à;
letat liquide cep pompes êlr",tro...
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magnétiques de types connue compreeaeit des pompes à in- duction polyphda6a h6licoï4alep des pompes à induction polyphasée l1néB,J.os des pompes 3ine%ein-8ailard, des ) pompes à rotor à 1;;,:!,fl4',;nt,a radiaux, des pompes centrifugea leetrotaagntiqHQR eti pompes électrodynamiques.
Dlü1S loo pompes à induction polypliaodie hà33,fl*oeN.li;1 oç on produit un champ magnétique tournait en Po tj,.iiw'Jl mi enroular,1ent de ete,+4or tX1pha,aé aimilaira t5 geii>i <;%;,li>ùs dfi-ài&1 des n. oteurs induction et dans des noy#tnr i;tUi,J"?> <j:x.ix Circulaires l'our la trai:H;m:t'A:l'4;\ ,1' :t'lJ:<-'; de ohf1.mp.
Le champ magnétiqU,a tournant est oui en ainusoKdalo L'inductance élevée de ce.*- :sc'MUKS prQQ.u}i 1.11'1 déphasage entre le ons.mp IJHJ,g!1étJ.qn t los oourgnt de Foncault engendrée à.ans le métal liquide en c6m'a de Dompqgoe due ces coprnts exerçant alors dep eti'eta de) poinpa,1;é ;tlga.bif P11. :\Jtro'''''pol.!lpage qul, altèrent fortoMeM'';
1 y-?r'de'QeKt de la pompe, .Sa outre, puisque la vitesse de rotahcm est fonction du nomh:r.0 QS pôles Magnétiques et de ),a 1"réqizen:.. ) ce du courant d'alimentationg il n'est possible dtobtaulrW! pour Une diapos:1.. hem donnée des O.VleZOVIOtriOntf3 et pour la fréquence du réseau d!limentat1on existant} qu'une 88U"' ! l w Y'J. i;f.1Sse l:uléaire de rotation de champ pour un dimexi- sionneaien'c domm de ceci limite oérieuacmenb la CU:lsse d'application. dz la pompo 4 induction h41100t- à.aJ,ee d-al, La pompe à induction polyphasée' linéaire est tout à fut similaire 3. la pompe à induction .hélicoïdale. î> ' enroulewent àe statox de la pompe L lnduo- tion hàiicotàalvg ainsi que le conduit de fluide et les
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noyaux magnétiques feuilletés associés ont été déroulé;
! de façon à obtenir une disposition rectiligne, La pompe
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à induction linéaire présente les mémes inconvénients que la pompe à induction hé7..ao'dale, La pompe Einstein-Saiard est essentiellement une pompe à induction polyphasée llnéaire qui est disposée suivant un profil tubulaire le long de son axe longitudinal. Elle présente les marnes in-
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cenvéniente que les pompes à induction polyphasées, en plus de certaines déficiences mécaniques,
La pompe centrifuge électromagnétique est une pompe à induction polyphasée comportant
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un oarter à vola"'ten de centrifugation dans lequel le indtal liquide est accéléré ciroonférentiellement et radla- lament par un champ magnétique tournant engendré par un enroulement de stator polyphasé stationnaire ou bien par un champ entraîné en rotation mécanique, produit par courant continu et agissant en coopération avec un circuit de retour fixe, établi dans un noyau en fer feuilleté,
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Cette pompe présente, outre les inconvéni mis mentionnés plus haut pour J.ea pompes à induction, le défaut oaraoté" rlatique des pompes centriùges,
à savoir l'augmentation des pertes hydrauliques.
La pompe à aimants radiaux
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est une pompe dans laquelle le charnp magnétique ost entraîné mécan1que'ú1cnt cre rotation, les aimants étant dis" posés sous la fOr.ilC de pôles saillants sur un noyau oen" trsl, d'une façon similaire au rotor d'un mottiUr oynchro- .
Le circuit m8±nét1qu de retour De lxai.rit sous for" me d'une structu16 feuilletée: fixe entourant le rotor, Le passade S' f :.".ü1'.G":,:?: de fluide est tO'1é pcr un lnter'"
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valle annulaire situé dans l'entrefer. Dans une forme de réalisation, appelée pompe,4 rotor hélicoïdale, les pô- les saillants sont inclinés de façon à créer des inter- valles entre pôles qui se déplacent hélicoidalement au- tour de l'arbre, et non pas parallèlement à celui-ci, .
mais le principe de base est le même. Ces pompes donnent lieu à des effets de rétro-pompage, elles ont un faible rendement et elles posent un problème de refroidissement ) pour les enroulements des pôles saillants,
On connaît une pompe élec- trodynamique qui élimine, dans une large mesure, les ef- fets de rétro-pompage aux différentes pompes à induction décrites plus haut, Ce résultat est obtenu en remplaçant le champ polyphasé par un champ magnétique en- traîné mécaniquement en rotation sans utilisation d'un parcours de retour fixe.
On fait alors tourner un groupe
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'de paires d'aimante qui #o@i eor% des aimanta permanents, soit des électro-aimants. Ces paires d'aimante sont réparties sur la périphérie du conduit de fluide en choisissant des écartements suffisants entre des paires @ jacentes pour rendre certaines zones du conduit de fluide exempt tes de flux. Les noyaux en fer feuilleté fixes des pompes polyphasées hélicoïdales et linéaires, de la pompe centrifuge électromagnétique et de la pompe à aimante radiaux sont éliminés. L'inductance du circuit à courants de 'ou- cault est faible, on évite dans une large mesure le déphasage des courants de Foucault et en contrebalance les effets de rétropompage.
En outre, la vitesse de rotation du champ magnétique peut être commodément modifiée en changeant les dimensions des poulies,par exemple en utilisant un entrainement à courroie trapésoidale avec un moteur à
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vitesse constante. Ceci permet d'obtenir une trou grande souplesse de fonctionnement pour une dépense relative- ment faible, En dépit des nombreux avantages de cette pompe électrodynamique par rapport aux autres types de pompes utilisés pour le pompage de métaux liquides, elle laisee cependant beaucoup à désirer en ce qui concerne les performattes d'ensemble.
La pompe électrodynamique de ce type connr est caractérisée par un large espacement entre les pôles magnétiques adjacents.qui permet de créer des zones pratiquement exemptes de flux à l'intérieur du conduit de liquide afin de réduire au minimum les zones de rétropompage, Il résulte de ce large espacement qu'on obtient des zones de pompage nul.
Il va de soi que, bien qu'un pompage nul constitue une amélioration par rapport à un pompage négatif ou rétropompage, on obtient une amé- lioration encore supérieure si ces zones de pompage nul sont éliminées et si toutes les zones contribuent à assu- rer un pompage positif et unidirectionnel,
L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des réalisations connues et oon- cerne une pompe pour fluides électriquement conducteurs, pompe caractérisée en ce qu'elle comprend un conduit de fluide comportant une entrée et une sortie, un dispositif à pôles magnétiques comprenant un nombre pair de paires de p8les magnétiques espacées,
placé de manière que le dit conduit soit situé entre les paires de pôles magnétiques et que les champs magnétiques soient orientés transversa- lement à celui-ci, les directions des champs produite par des paires de pales magnétiques adjacentes ayant des sens opposés et les paires de pôles magnétiques étant espacées
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et agencées de manière à obtenir dans le conduit de ±lui- de un champ magnétique continue.
un moyen relie au dispo- @@f à pôles magnétiques pour assurer mécaniquement son déplacement dans le sens longitudinal, le long du dit con- duite en vue de créer dans le fluide des courants de Fou- cault agissant en coopération avec les champs magnétiques pour exerour sur le fluide des forces de propulsion addi- tionnelles, depuis l'entrée jusqu'à la sortie du conduite ce qui permet d'améliorer le rendement de la pompe en éli- minant les zones de flux magnétique nul.
Suivant des caractéristiques de l'invention : a) le conduit de passage du fluide électriquement oonduoteur est un conduit tubulai- re, incurvé et électriquement conducteur, b) les paires de pôlesmagné- tiques sont espacées et profilées de manière que le bord ' .'' d'un pôle magnétique soit écarté du bord du pôle magné%1- que adjacent suivant d'une distance supérieure à la lar- geur de l'entrefer final dans chaque paire de pôles magn@ tiques et inférieure à quatre fois cette largeur, et de maniera qu'il se produise un changement rapide de direc- tion du champ magnétique dans le conduit de fluide entre des paires de pôles magnétiques adjacents,
sans que le fluide ne traverse une zone exempte de champs, c) Dans le conduit de fluide incurvé, le changement de direction du flux magnétique s'effectue dans un oartain intervalle partant du bord d'une pièce polaire ou d'un pale profilé et égal au dou- ble de la largeur de l'entrefer principal, d) Les pôles magnétiques sont,
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chacun pourvus de pièces polaires qui sont évasées vers l'extérieur à partir des pôles magnétiques, en direction du conduit de liquide et en direction des bords similai- res des pièces polaires adjacentes se trouvant du môme côté du conduit.
e) Les pôles magnétiques sont évasés vers l'extérieur en direction du conduit de liquide et en direction des bords évasés similaires des pôles magnétiques adjacents se trouvant du môme coté du conduit de liquide, f) L'éoartoment due faces de pôles magnétiques adjacents se trouvant du morne côté du conduit de liquide est bien inférieur à 1'écartèrent qui pouvait être obtenu dans des pompes de types connue, g) Dans la pompe suivant l'invention, on produit un champ magnétique primaire tournant qui se compose d'une série d'impulsions de flux magnétique de formes d'ondés à peu près carrées, et qui alternent en directions, champ dans lequel le changement de direction s'effectue rapidement, h)
La pompe suivant l'inven- tion est utilisable dans des atmosphères raréfiés,
L'invention s'étend égale- ment aux caractéristiques de la description ci-apres et des dessins annexés ,,ainsi qu'à leuro combinaisons possibles.
La description ci-apres se r&pporte aux dessins cijoints représentant des exemples tie réalisation de l'invention, dessins dans lesquels : - la figure 1 est une repré- sentation schématique, en partie en coupe, d'une pompe
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induction polyphasée hélicoidale de type connu ; .. la figure 2 est un diagram- me donnant la répartition spatiale du flux dans le champ magnétique tournant de la pompe de la figure 1 ; ;
- la figure 3 est un diagram- me montrant les boucles de courants de Foucault engendrée par la pompe de la; figure 1, les boucles étant superpo-
Bées à la courbe de répartition spatiale de flux de la figure 2, en supposant que les courants de Foucault pas- sent dans un circuit non-inductif ; - la figure 4 est un diagram- me donnant les courante d' Foucault réels par rapport au flux et aux ondes de tension induites dans la pompe de la figure 1, en mettant en évidence le déphasage qui ré- sulte du fait que les circuits à courants de Foucault ne sont pas inductifs; - la figure 5 est une repré- sentation simplifiée, en partie en coupe, d'une pompe à. induction polyphasée linéaire de type connu ;
- la figure 6 est une coupe faite suivant la ligne 6-6 de la figure 5, dans le sens des flèches ; - la figure 7 est une représen- tation simplifiée, en partie en coupe, d'une pompe à ro- tor à aimants radiaux de type oonnu ; - la figure 8 est un diagram- me donnant la répartition moyenne du flux dans le conduit de liquide dans une pompe électrodynamique de .type connu, dans laquelle les pôles magnétiques situé d'un coté du conduit de liquide présentent des polarités successive- ' ment inversées, la pompe comportant en outre des zones
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exemptes de flux - la figure 9 est un diagramme similaire à celui de la figure 8, avec superposition des courants de Fouoault pour mettre en évidence la réduction de déphasage des courants de Rouncault ;
- la figure 10 est un diagramme, similaire à celui de la figure 9, pour une pompe électrodynamique dans laquelle les pôles magnétiques se trouvant d'un coté du conduit de liquide ont tous la même po- larité ; - la figure 11 est un diagramme mettant en évidence le champ magnétique produit entre deux pôles magnétiques cylindriques de polarités oppoodes *- la figure 12 est un diagramme mettant en évidence le champ magnétique établi entre deux paires de pôles magnétiques cylindriques,
dans lesquelles les pôles identiques sont placés dans des positions adjacentes - la figure 13 est un dlagram- me mettant en évidence le champ magnétique établi entre deux paires de pôles magnétiques adjacents dans lesquelles les pôles identiques ne sont pas adjacents entre eux ; - la figure 14 est une vue en élévation de face, en partie en coupe, d'une forme de réalisation avantageuse de la pompe éleotrodynamique suivant l'invention ; - la figure 15 est une vue en élévation latérale, en partie schématique, du conduit de métal liquide de la pompe éleotrodynamique de la figure 14, et mettant en évidence la génération des courants de Foucault ;
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- la figure 16 est une coupe à échelle grossie, faite suivant la ligne 16-16 de la figure 5, .en regardant dans le sens des flèches ; -la figure 17 est une vue partielle, à échelle grossie, de deux paires de pôles magnétiques de la pompe éleotrodynamique de la figure 14, la figure mettant en évidence les lignes de flux ma- gnétique ; la figure 18 sst un diagram- me donnant la répartition spatiale de la densité de flux magnétique primaire dans la pompe électrodynamique de la figure 14, dans laquelle les effets anti-magnétisants des courants de Foucault ne sont pas mis en évidence ;
- la figure 19 est une vue à échelle grossie d'une partie du conduit de métal liquide et des conducteurs électriques associée ,,ainsi que des pôles magnétiques, la figure mettant en évidence les orien. tations des courants de Fouoault et les orientations du flax magnétique, les effets anti-magnétisants des cou- rants de Foucault étant négligés ; - la figure 20 est un diagram- me similaire à celui de la figure 18 et montrant la den- sité de flux résultante et le faible déphasage du plan de flux nul sous l'effet des actions anti-magnétisantes des courants de Foucalut;
- la figure 21 est une vue si- milaire à celle de la figure 14 et montrant une autre for- me de réalisation de la pompe électrodynamique suivant l'invention, qui présente des caractéristiques spéciales en vue de son utilisation dans des atmosphères raréfiés. pour comprendre parfaitement
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les caractéristiques et les avantages de la pompe électrodynamiques suivant l'invention, il est nécessaire de dé- crire au préalable les différents types connus de pompes qui ont été mentionnés plus haut, Sur la figure 1, on a représenté, sous une forme simplifiée, une pompe à induotion polyphasée hélicoïdale de type connu.
La pompe à in-
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duation polyphasée Qéliootdale 50 oomprend un enroulement de stator triphasé 52, un'noyau de rotor 54 qui est en réalité immobile, un noyau de stator 55, un isolateur thermique 56 et un conduit de fluide 58. Le conduit de fluide 58 comporte une entrée 60 et une sortie 62. Le fluide pénètre dans le conduit par l'entrée 60 et il sort du conduit par la sortie 62.
Des pompes de ce type sont d'une construction similaire et présentent les mornes par-
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formanoes qu'un moteur à induction du typo à. cage d écu- reuil. Un champ magnétique tournant est produit par l'enroulement de stator triphasé classique 52 qui est logé dans les encoches de l'empilage de tôles feuilletées formant le noyau de stator 55. Le noyau 54 %cet forme d'un em- pilage de tôles feuilletées similaire à celui du noyau 55 et il constitue un noyau fixe pour le "rotor". Il n'ent prévu aucun enroulement à. l'intérieur du noyau fixe 54.
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Le fluide électriquement conducteur passe dans 1'>nterYalle annulaire hélicoïdal 5, qui ùJt eltué dme a.entxetrar 1" existant entre les noyaux 54 et 55 et il constitue le "ro-
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tor" lIlobilb de la pospe, Le cha.'!III Ílwf,"r.4tiul) tournante "':-.J. traverse le f.ux.t;, er. :nïrw deenu ce dernier dao cou- .vanta ae Fouoault qui G8p.nt en coopération avûc le champ magnétique de ÍEJ...Ofl (., (:;'.Ol'((Jr cur la fluide une liouo-
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sée axiale, qui satisfait à 1'équation bien connue sui- vante :
F = k ss l i (1) où F = Force k = constante ss = Densité de flux
1 = Longueur axiale de fluide dans le champ magnétique i = Intensité des courants de Foucault.
Les courants de Foucault sont produits par une tension engendrée dans le fluide et satisfaisant à l'équation suivante
V = o ss 1 s ' ( 2 ) où V = Tension o =Constante ss = Densité de flux l = Longueur axiale de fluide dans le champ magnétique s = Vitesse relative du champ magnétique .
-car rapport au fluide mobile,
Avec un enroulement de sta- tor correctement déterminé, le champ magnétique tournant présente une répartition spatiale à peu près sinusoidale, comme indiqué sur la figure 2. La ten sion engendrée dans le fluide est en phase avec l'onde de flux 64 mise en évidence sur la figure 2. Observéeà partir d'un point fixe de l'espace, la tension apparaît comme une tension alternative présentant le même fréquence que l'onde de flux. Observée à partir d'un point se déplaçant avec le fluide, la tension alternative présente une fréquence ré- duite.
Cette fréquence est,en général appelée fréquence
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de glissement et elle est en relation avec la différence entre la vitesse de l'onde de flux et la vitesse du ±lui- de.
La tension alternative en- gendre des courants de Fouoault alternatifs dans le flui- de, qui de présentent sous la forme d'une série de bou- cies fermée.., dont le nombre est égal au nombre de póles p . magnétiques. S1 ces courants de Foucault, qui ont été désignés par 66 et dont les boucles ont été désignées séparément par 66a, 66b, 660 et 66d, s'écoulent dans un circuit non-inductif, lu profil des boucles des courants de Foucault est celui mis en évidence sur la figure 3.
pour simplifier, la représentation de la figure 3 ne tient pas compte de l'effet "anti-magnétisant"des cou- rants Foucault, On voit que, sur le cote do droite de la figure 3, les parties ascendantes des courbes de cou- rants 66a, 66b, 66c, 66d coopèrent toutes avec les zones positives de flux; sur e cote de gauche de la figure 3, les parties descendantes des courbes de oourants de Fou- cault coopèrent toutes avec des zones négatives de flux, puisque les directions des branches de boucles de cou- rants sont ingersées et que la direction dé l'onde de flux est également inversée, les effets de pompage dus à l'interaction de l'onde de flux et des courante de Pou- oault s'ajoutent.
Cependant, les circuits courante de Foucault ne sont pas inductifs du fait de la proximité du noyau en fer feuilleté fixe et du fait que l'entrefer est relativement grand. La réaotanoe en- . gendrée par ces effets inductifs est augmentée du .fait des vitesses de glissement élevées se produisant entre
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le 'ohamp magnétique et le fluide, ce qui est caraotéris. tique des pompes à induction polyphasée hélicoïdale. Cet- vitesse de glissement est habituellement égale à 50% ou plus de la vitesse de synchronisme.
Il en résulte que les courante de Fouoault sont en retard par'rapport aux tensions qui les produisent, Ce retard peut être mis en évidence en décalant les courbes de courante de Fou- cault dans une direction opposée à l'écoulement de flui- # de, Cette condition correspond à un "déphasage" et elle est mise en évidence sur la figure 4.
Il est à noter, en référen- ce à la figure 4, que le courant correspondant à la oour- be 66a s'écoule vers le haut et vers le bas dans une zone de flux positif. La branohe descendante de la courbe de courant 66a produit un effet de pompage négatif, la bran- - che ascendante de la courbe de courant 66a produit un effet de pompage positif accru du fait qu'elle a été dé- phasée dans une zone de densité de flux supérieure. Mais, du fait du profil sinusoïdal de l'onde de flux, l'augmen-i tation de l'effet de pompage par rapport à la condition de la figure 3 n'est pas suffisante pour compenser la dimi- nution engendrée par la branche descendante de la oourbe de courant de Foucault 66a, En conséquence, on obtient, par suite de ce déphasage des Courants de Fcuoault, une perte résultante d'effet de pompage.
De façon similaire, la branche ascendante de la courbe de courant 66c produit un effet de pompage positif accru par rapport à celui de la figure 3'mais la branche descendante de cette courbe de courant produit un effet de pompage nulde aorte qu'on obtient finalement une diminution résultante de l'effet de pompage.
La figure 4 montre que toutes les courbes
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de courants de Poucault produisent un effet de pompage inférieur à celui des courbes de la figure 3, La conclu- sion inévitable, qui est compatible aveo le comportement connu des moteurs à induction, est que les effets de réactance élevés des courants de Foucault réduisent,dans des proportions oonsidérableales performances de la pompe. Lorsque la réactance augmente, la capacité de pompage diminue, Les effets dûs à la réactance élevée ont également tendance à réduire le facteur de puissance de la pompe.
Des essais ont montré que ces pompée présentaient un facteur de puissance bien plus défavorable que celui de moteurs à induction, ce qui a confirmé l'existance d'une réactance élevée,
Le rendement de pompe est diminué du fait que l'efficacité'de pompage est réduite sans que le courant diminue et sans qu'il se produise en conséquence une réduction des portes thermiques. Puisque ces pompes sont également sujettes à. des pertes en noyau magnétiques, accentuées du fait des vitesses de glissement élevées, les pompes à induction polyphasée hélicoidale sont d'un rendement assez mauvais.
On a représenté sur les figures 5 et 6 une forme de réalisation simplifiée d'une pompe à induction polyphasée linéaire de type connu, Des pompes à induction polyphasée linéaire équivalent des pompes à induction polyphasées hélicoidales dont l'enroulement de stater circulaire, lesnoyaux en fer et le crinduit de fluide seraient développés de manire avoir une isposition rectiligne.
Le champ magnétique se déplace linéairement au lieu d'être tournant, comme dans une pompe à induction polyphasée hélicoïdale. La pompe 58 comprend
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un enroulement de stator 70 qui est bobiné dans des enco.. chez 71 d'un noyau de stator feuilleté 72, un noyau de rotor feuilleté 74, une isolation thermique 76 et un oon- duit de fluide 78 comportant une entrée 80 et une sortie
82, Une caractéristique additionnelle de ce type de pom- pe consiste en ce que les barres conductrices 77 et 79 s'étendent sur la longueur du conduit de fluide 78 et sont en contact électrique étroit'avec celui-ci.
Ces bar- res conductrices correspondent aux bagues de court-cir- cuit des rotors des moteurs à induction classiques à ca- ge d'écureuil. Elles réduisent la résistance du parcours d'écoulement des couants ae Foucault'mais, puisqu elles sont rapprochées du noyau, elles augmentent l'inductance et elles ont un effet de réduction partiel sur le rende- ment de la pompe,
La description détaillée qui a été donnée plus haut pour le fonctionnement et la disposition des pompes à induction polyphasée hélicoïdale s'applique également aux pompes à induction polyphasée linéaire et on peut en tirer les mêmes conclusion
Ces deux types de pompes à induction polyphasée qui ont été décrits présentent certains inconvénients supplémentaires,
Lorsque les tem- pératures des fluides pompés se rapprochent de 540 C, il est difficile d'empêcher une altération de l'isolation des enroulements du stator. En conséquence, il est néces- .,clans tous les cas d'assurer un refroidissement ex- térieur forcé. En outre, l'état actuel de la technique nécessite le pompage de métaux liquides à des températures bien supérieures, qui sont de l'ordre de 800 C à 1.10020 et plus.
Le probleme du refroidissement de pompes du type
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à induction polyphasée devient extrêmement difficile 4 résoudre lorsqu'elles sont utilisées pour pomper des mé- tau : liquides à haute température, n particulier du fait que le fer pard ses propriétés magnétiques au voisinages à conviron 760 C (point de Curie).
On a représenté sur la gure 7 une forme de réalisation simplifiée d'ulla pompe à rotor à cimants radiaux de type connu. La pompe 184 comprend En arbre 186 sur loquel sont montés dos pôles magnétiques 188 qui sont excités par des enroule- mente 190, un noyau en fer 192 qui sert de circuit magnétique de retour et un conduit de fluide 194 qui est pourvu d'une entrée 196 et d'une sortie' 198. Ce type de pompe est appelé pompe à rotor hélicoïdale du fait que les p8les sont inclinés par rapport , l'axe de l'arbre. En général, des pôles alternés ont des polarités inverses.
Cette pompe présente un rendement assez mauvais et une variante,dans laquelle tous les pales du rotor ont la même polarité, présente également un mauvais rendement du fait que des effets de rétropompage ou de pompage négatif se produisent dans les zones situées entre les pales et qui ne sont pas exemptes de flux.
Les pompes centrifugea électromagnétiques de types connus comprennent un carter à volutes centrifuges sans rotor. Un champ magnétique tournant, du type à courant polyphasé @ à courant contenu, associé à un noya:; en fer feuilleté fixe, fait tour- billonner le fluide suivant un parcours identique à celui d'un rotor classique, Ce type de pompe présente l'in- convénient de donner lieu à des pertes hydrauliques élevées, comme cela est classique dans les pompes oentrifu-
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ges, en plus des autres inconvénients des pompes à induo- tion comportant des noyaux feuilletés fixes placée dans le ci @ de retour de flux.
pour éliminer les effets de rétropompage décrits plus haut pour les pompes à induction polyphasée, on a supprimé la répartition sinusoïdale du flux 'autour de l'entrefer et on a adapté au oontraire une répartition de flux oomportant des discontinuité régulie- res, La répartition de flux pour les paires d'aimants donne une série d'impulsions de forme trapézoïdale, comme indiqué sur la figure 8. Les oourbes trapézoïdales des figures 8, 9 et 10 donnent la variation de la densité moyenne de flux magnétique dans l'entrefer, suivant l'axe de l'entrefer, pour une distance comprise outre deux paires de pales magné- tiques et avec une disposition dans laquelle des pôles ad- jacents successifs présentent des polarités opposées.
La bourbe de flux positif a été désignée par la référence 86, tandis que la courbe de flux négatif a été désignée par la [alpha] référence 88. Le plan médian/'est le plan situé à mi-distan- :. ce entre des p8les magnétiques adjacents, la ligne médiane de l'entrefer est la ligne située à mi-distance entre les faces des aimanta d'une paire et passant par les ligues mé- dianes des pôles, et la ligne médiane d'un pôle est l'axe '.' du pôle.
Pour obtenir la répartition de flux mise en éviden- ce sur la figure 8, des paires d'aimante.,du type à magnétis- me permanent ou à excitation par oourant continu..,.. sont répar-= ties dans le conduit de fluide incurvé de manière qu'il existe des zones du conduit, situées entre des paires d'ai- mante adjacents, qui soient pratiquement exemptes de flux.
Cet ensemble est construit de manière à pouvoir être entrat- né mécaniquement en rotation,
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Cette disposition présente un avantage par rapport aux pompes à induction polyphasée en ce que le noyau magnétique feuilleté est supprimé et en ce que les courants de Foucault pulsatoiros s'écoulant dans des circuits relativement non.-inductifs. Il en résulte que le déphasage perturbateur entre les ondes de tension et les courants de Fouoault induits est pratiquement éliminé, comme indiqué sur la figure 9, Cette répartition de courante de Foucault 90 élimine théoriquement tous les effets do rétropompage importants.
Des conducteurs électriques do faible résistance sont liés avec le conduit de fluide sur des cotés opposés do ce dernier de façon à faciliter le passage des bzanches latérales des boucles allongées do courants de Foucault, d'une manière similaire à celle indiquée pour la pompe à induction polyphasée linéaire,
Un examen de la figure 9 montre
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que 1& cotibinu-.Lsoni3 de la boucle de courants de Fouoault god avec les courbes de flux ut, 8u, des boucles des courants de Fouoault g0a, 90b et Oo avec la courbe de flux ti3 et des boucles de courants de Foucauld 90e, gbf, gaz; avec la courbe de flux 86, sont telles que le pompage s'effectue toujours dans la même direction et qu'il 'y a aucun
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effet de rétropompage.
Cependant, il est Fnot:r qu'il ux1oire des zones assez gra>cia dans lesquelles on cnre1atru des effets de pompage nul.
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Junqu'à maintenitnt, on a supposé que la pompe 1-uctrodynwijquL était construite de Hanir CI!? des pales adjacc-ntr, t,j.ttr4t des polarités oppoaéaa, Cetto pompe peut également 5tre construite de mr.e;c que, au lieu d'avoir des polarités àltetn6g8 lu lone du conduit de
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fluide, toutes les paires de pôles produisent des flux magnétiques orientés dans le même direction, Toutes les impulsions de flux sont alors positives et la répartition des courants de Foucault et du flux correspond 4 ce qui est indiqué sur la figure 10. Il est à noter que, dans oet- te disposition, les boucles de courants de Foucault 92 ne s'entrelacent pas avec la courbe de flux 86 et que les bou- clés de courants de Fouoault 94 ne s'entrelacent pas avec la courbe de flux 85.
Il n'y a pas d'entrelacement similai- re à celui indiqué pour la boucle de courants de Foucault
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1/ d e 1 a À4egk 9 ,
On voit que, si les barres con- duotrices sont correctement proportionnées, la disposition ; de la figure 9 est plus efficace que celle de la figure 10 du fait qu'une boucle de courante de Foucault, telle que 90d sur la figure 9, est soumise au double de la tension engen- drée dans une boucle telle que 90c, mais qu'elle traverse un parcours ayant une résistance inférieure au double de la! résistance du premier parcours. En conséquence, l'intensité du courant est plus grande et permet d'obtenir u ffet de . pompage supérieur. Il est à noter que la boucle 90d de la figure 9 ne comporte pas de branche de retour traversant la zone exempte de flux.
Il est assez difficile d'obte- nir des zones exemptes de flux entre des paires de pôles magnétiques adjacents,du fait du flux marginal qui entoure toujours des pôles magnétiques. La figure 11 mut en éviden- ce la répartition du flux autour d'une paire d'aimants permanents cylindriques 96 et 98. La densité de flux au point P, sur la ligne centrale d'entrefer, est approximative- ment égale à 25 % de la densité moyenne dans l'entrefer
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principal lorsque X, à savoir la distance entre L et le bord d'aimant, est égale à G, l'entrefer séparant les dens pôles magnétiques. La densité de flux au point P est égale à 10% de la densité de flux moyenne dans l'eu fréter principal,?,sque X est égal a 2G.
On a représenté sur la figure 12 la rénart. ion de flux obtenu aveo deux groupes de pai- res de pôles magnétiques dans lesquelles les pôles de même polarité sont adjacents. Les paires de polos magnétiques de la figure 12 cnt été désignées respectivement par 100 et 102, et 104 et 106.
A titre illustratif, le pale magnétique 100 est espacé d'une distance 40 du pôle magnétique 104/ tandis que lepôle magnétique 102 est esaneé d'une distance similaire du pôle magnétique 106, La densité de flux au point F, à une distance 20 des deux paires d'aimants et suivant la ligne centrale de l'entrefer, est supérieur à 10 % de la densité de flux moyenne dans l'entrefer principal,du fait que les lignes de flux partant des pôles adjacents se renforcent mutuellement. Si les positions des pales magnétiques 100 et 102 sont inversées par rapport aux positions de la figure 12, comme indiqué sur la figure 13, on voit que la densité de flux au point F est nulle.
Cependant, une densité de flux nulle peut seulement être obtenue en ce point et il n'existe aucune zone de flux nul, A proximité immédiate et de part et d'autre du point F, la densité de flux a tendance à augmenter.
Il n'existe pas de zone exempte de flux suivant la ligne centrale d'entrefer dans les dispositions de la figure 12 ou de la figure 13, On doit, par conséquent,en conclure que la distance entre des paires de pôles magnétiques doit être augmentée 4 une valeur au-
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prieure à 4G pour obtenir des zones pratiquement exemptes de flux dans l'entrefer,
Malheureusement, lorsqu'on aug- mre cet éoartement entre pales. les longueurs des par- cours de Fouoault sont augmentées de sorte qu'il en résulte un accroissement correspondant de la résistance des dits parcours. Il en résulte une diminution de l'intensité des courants de Fouoault et une augmentation de la vitesse de glissement.
Une plus grande longueur des parcours d'écoule- ment des courants de Fouoault se traduit également par un accroissement de la réactance de fuites dans les circuits à courants de Fouoault, ce qui augmente le déphasage, en a.morç.ant des effets de rétropompage ou de pompage négatif.*
Tous ces facteurs contribuent à diminuer le rendement de la pompe.
Le meilleur moyen pour amélio- rer le rendement de pompes électrodynamiques consiste a augmenter leur capacité de pompage par élimination des zo- nes de pompage nul, Ce résultat peut être obtenu en cons- truisant la pompe de manière que toutes les zones du con- duit de fluide puissent contribuer à obtenirun pompage positif, Les parcours d'écoulement des courants de Fouoault sont maintenus aussi courts que possible en vue de diminuer leur résistance et de réduire la vitesse de glissement.
La réaotance de fuite est également réduite au minimum et il . en résulte une diminution du déphasage et une augmentation maximale du rendement depompage,,'
Des pièces polaires profilées, constituées d'acier doux ou d'une autre matière .de haute .perméabilité magnétique, sont utilisées pour maintenir le .. flux de fuite entre pôles magnétiques adjaoents à l'inté-
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rieur de limites admissibles en vue d'obtenir les résultats précités.
Ces pièces polaires profilées sont construi- tes de manière à diminuer progressivement de section vers l'extérieur, depuis chaque pôle jusqu'à des bords minces qui se rapprochent des bords des pièces polaires adjacen- tes, aussi étroitement que possible,en vue d'obtenir une densité de flux prédéterminée dans l'entrefer principal, avec inversion relativement nette du sens du flux entre doo paires de pôles adjacents, tout en supprimant le flux de fuite latéral. Le même effet petit évidemment titre obtenu en profilant de cette maniere les extrémités des pôles magnétiques au lieu d'utiliser des pièces polaires profilas.
Cette construction permet d'obtenir un autre avantage important, en ce que les faces des pôles placées en regard du conduit de fluide sont élargies. Ceci permet d'étaler au maximum la dunette de flux existant dans l'entrefer principal et de créer appro- xlmativement une onde de flux carrée, comme indiqua sur la figure 18.
Il en résulte également un élargissement do la partio critique du parcours de courante de poucault, ce qui réduit encore la résistance du parcoure en sugmentant l'intensité des courants de Foucault, Du fait de l'augmen- tation de la densité de flux et do l'intensité des courante de Foucault da.is le conduit de fluide, l'effet de pompage global est également augmenté puisqu'il correspond à l'intégrale du produit de la densité de flux par l'intensité des courants de Foucault dans la partie incurvée du conduit de fluide (équation 1),
Pour obtenir une pomp électrodynamique dans laquelle il n'existe pratiquement aucuno zone exempte de flux et dans laquelle on obtient des in-
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versions relativement brusques de sens de flux, l'écarte. ment entre les bords de pôles magnétiques adjacents doit être maintenu entre une et quatre fois la largeur d'entre. fer final, cette valeur correspondant à la largeur de l'en- trefer lorsque les pièces polaires sont en place.
Sur la figure 14, la pompe électrodynamique 106 comprend un corps ou carter 108, un conduit incurvé, tubulaire et électriquement conducteur
110 présentant une entrée 112 et une sortie 114, un conduc- teur électrique extérieur 116 et un conducteur électrique ! intérieur 118, ces deux conducteurs étant reliés au conduit tubulaire 110,ainsi qu'un ensemble magnétique tournant 119. Le conduit tubulaire 110 est supporté dans le corps par un support 120 qui est représenté schématiquement sur le dessin.
L'ensemble magnétique tournant 119 comprend deux arbres 124 et 125 qui sont accouplés par l'accouple-. ment 12'le comme indiqué sur les figures, un plateau d'ap- pui 122 qui est fixé sur.l'arbre 124 et un plateau d'appui
123 qui est fixé sur l'arbre 125, ainsi que des paires d'aimants 132-134 et 131-133 qui sont montées sur las pla- teaux d'appui 122 et 123, comme indiqué sur le dessin.
L'arbre 124 est tourillonné dans un palier 126/tandis que l'arbre 125 est tourillonné dans un palier 128, les arbres étant entraînés, par l'intermédiaire d'une poulie 130,à par- tir d'un moteur électrique, non représenté sur le dessin.
Les pôles magnétiques 131 à 134 sont représentés sous for- me d'électro-aimants'mais il va de soi qu'ils pourraient égalcement tre des aimants permanente. Comme électro-ai- mants, ils sont excités par l'intermédiaire de balais 139 et 141 qui sont en contact avec des bagues collectrices
140 et 142 de manière à alimenter en courant les bobines
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d'électro-aimants.
Les pièces polaires 135, 136, 137 et
138 sont respectivement fixées sur les pôles Magnétiques
131, 132, 133 et 134.. Bien que, dans la forme de réalisa- tion porticulierement représentée sur les dessins, les pièces polaires soient fixées sur les pôles magnétiques et réalicées séparément de ces pôles, il rentre dans le cadr de l'iny ntion de donner à la face du pôle magnétique ad@ au conduit tubulaire la forme indiquée sur le dessin. Tour obtenir des polarités alternées pour des pô- les magnétiques adjacents, il est nécessaire de prévoir un nombre pair de paires de pôles magnétiques.
On a représenté sur la figure 15 une forme de réalisation simplifiée, à échelle grosrie, du conduit tubulaire 110 de la pompe suivant l'invention, conduit dans lequel sont convenablement fixés les conduc- teurs électriques 116 et 118,,de manlere à établir un bon contact électrique avec le conduit tubulaire. De préférence, le conduit tubulaire 110 est constitué d'une matière non-corrosive ou résistait à la corrosion ..,telle que de l'acier inoxydable, ou un métal réfractaire tel que du columbium ou du tantala, les conducteurs électriques 116 et 118 étant constitués d'une matiere bonne conductrice du courant telle que de l'argent.
Le conduit tubulaire 110 peut également être formé intégralement d'une matière non- -conductrice, telle qu'une matière céramique, ou bien il peut être formé d'une combinaison de matières telles que des matières céramiques et des métaux appropriés. Si le conduit est constitué d'une combinaison d'une matière cé- ramique et d'un métal, les surfaces métalliques doivent être en contact intime avec les conducteurs électriques 116 et 118, les surfaces en matière céramique formant la totn-
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lité ou une partie du reste du conduit. Les groupes des courants de Foucault 144 mettent en évidence les parcours d'@coulement des courants de Foucault dans les conducteurs @@arques 116 et 118.
Cesgroupes de courants de Fou- cault sont formés par suite de la rotation de l'ensemble magnétique de la manière précédemment décrite en référence aux pompes éleotrodynamiques et aux pompes à induction po- lyphasée de types connus. Si on supprimait les conducteurs
116 et 118, le circuit des courants de Fouoault passerait par le conduit tubulaire et son contenu, Le rendement de pompage serait par conséquent réduit mais, pour certaines applications, il resterait à une valeur admissible, en te- nant compte d'autres caractéristiques,
On a représenté sur la figure
17 une vue à échelle grossie des électro-aimants 131 à
134 eux lesquels sont respectivement fixées les pièces po- laires 135 à 138.
Les flèches portées sur le diagramme donnent la direction des lignes de flux magnétique entre les pôles nord et les pôles sud, au travers des plateaux d'appui 122 et 124,ainsi que dans l'entrefer et le conduit de fluide 110, La largeur d'intervalle est désignée par la lettre G et l'écartement entre pièces polaires adjacen- tes est désigné par la lettre X. On voit qu'il existe un seul point 146 du conduit de liquide pour lequel la densité de flux est nulle. Chaque pièce polaire est évacuée vers l'extérieur à partir de l'aimant sur lequel elle est fixée de manière à épouser la forme incurvée du conduit tubulai- re, en diminuant de section jusqu'à un bord relativement , étroit correspondant à la partie qui est tournée en regard >.,-, de la pièce polaire adjacente.
Ce profil sert à canaliser le flux de la manière indiquée sur la figure 17,
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Les profils de pièces polaires servent à atteindre deux buta fondamentaux :
1) la totalité de la longueur du conduit de fluide dans l'intervalle des pôles magnéti- ques est traversée par un flux magnétique dont la polarité s'inverse d'un pale magnétique au pôle adjacent suivant,
2) La configuration et l'écartement de pieces polaires adjacentes sont choisis de maniere à réduire au minimum le flux de fuite entre ces pièces tout en créant la densité de flux désirée dana le conduit de fluide,
On a représenté sur la fieure 18 une courbe donnant la densité de flux moyenne 147 dans l'entrefer, le long de sa ligne centrale.
Les références 148, 149 et 150 représentent des pôles magnétiques répartis le long de l'entrefer. Les pièces polaires adjaoen- tes ont des polarités opposées. On voit que la densité de flux est maximale et approximativement uniforme en avant de chaque pièce polaire et dans les plans passant par ses bords 152 et qu'ellu est nulle dans le plan médian 154. Dans la zone comprise entre les pieces polaires, il se produit une variation rapide de direction du flux et il en résulte que la densité de flux n'est nulle que dans lc plan médian 154. En conséquence, il n'existe aucune zone du conduit de fluide où la densité de flux est à peu pres nulle ou dans laquelle l'effet de pompage est nul.
Sur l'arc balayé par les pôles magnétiques, le pompage est positif (dans la même di- rection). Ceci est mis en évidence par la courbe de courants de Foucault et de flux magnétique représentée sur la figure 1. Le groupe de courants de Foucault 156 est compo-
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sé de boucles de courante ayant la direction des flèches.
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, ' ,a flux magnétique est représenté par un ie=t' plus lors" qu'il pénètre dans le plan du dessin et par un point lors- qu'il sort du dessin. Les parcoure de retour de courants de Fouoault sont matériau ses par les conducteurs éleotri- ques 116 et Ils. On voit que les courants de Foucault s'é- coulent vers le bas dans le conduit 110 à chaque fois que le flux magnétique est orienté en direction du plan de la figure et qu'ils s'écoulent vers le haut dans le conduit de fluide à chaque fois que le flux magnétique est orienté de manière à sortir du plan de la figure, On voit par con- séquent que le pompage du liquide s'effectue toujours dans la même direction,
Sur les figures 18 et 19,
on a négligé les effets ant-magnétisants des courants de Foucault, cette condition n'existe jamais dans des pompes réelles, de sorte qu'il est nécessaire de considérer l'in- fluence sur le pompage de cet effet magnétisant. La figure
20 représente une courbe 147 donnant la densité de flux ma- gnétique moyenne le long de la ligne médiane de l'aitrefer, sans effets anti-magnétisants des courante de Fouoault, en fonction de la position le long de la ligne médiane de l'entrefer. Les références 151,148 et 149 représentent des pôles magnétiques répartis le long de l'entrefer. L'effet anti-magnétisant des courants de Foucault est donné par la courbe 15b et la courbe de densité de flux résultante est désignée par 160. La courbe 160 est la somme algébrique des courbes 147 et 158.
Deux actions sont produites lors- qu'on tient compte de l'effet anti-magnétisant des courants de Foucault : en premier lieu, la forme de l'onde de flux est déformée et, en second lieu, la position du point de
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flux nulle est dce7.ée,aar rapport au plan mldJ.nr d'uu!.:
petite distance mutérJ.a11sée en 162 sur la figure, Cette modification de In forme d'onùfJ da flux se produit du fait que, dans une m01.t..LÓ dû la pièce polars, l'effet Wlti-Inagnêtieant dos couxunta de ]'1}'L'J1.(bÎ o.w'a,lance le flux magnétique principal tandis
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que, dans l'r .,wi';-y àe la pièce polaire, cet effet an- :', ,.G.rH1I;1ant i ;1 .. s cou' -!ta de Foucault s'ajoute au flux magnétique pr....:' .I.pal PUJ.,f1qu'on peut 110rII1fJ.lemoot néglJ.eo lteffg--t de ,).1JU1'::;J.on dans les pièces polaires .du fait qu'
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Il est faible; le figure montre que cos offcta en oppouition ont tendance à se co,npenser mutuellement en ce qui concerne le pompage. Le pian de densité de flux nulle est décalé .égexf;wentlms,.ls ceci n'a aucune influence importante sur le rendement de pompage.
La pompe suivant l'invention présente trois avantages par rapport aux pompes électrodynamiques de types connus '
1) Densité de flux élevée dans leconduit de fluide,
2) Courants de Fouoault élevés du fait que le 'aroours d'écoulement est plus court et plus large et par conséquent présente une résistance inférieure.
3) Intersection plus efficace entre les courants de Foucault et le flux magnétique et
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meilleur rendement de dompage/du fait de l'élimination due zones exemptes de flux.
La vitesse de la pompe électro-
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dynamique suivant l'invention et des pompes éleotrodynami- ques de types connus peut facilement être modifiée en fai-
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sent varier le diamètre de la poulie d'entraînement 130 (figure 14) qui estfixée sur l'arbre d'entraînement de ensemble magnétique.
Des pompes électromagnétiques suitant l'invention peuvent être utilisées dans des ambian- ces dans lesquelles il ne se produit pas un refroidissement suffisant par l'atmosphère où la pompe est placée. Ces pom- pes peuvent avoir à fonctionner dans des ambiances de vide ou dans une atmosphère raréfiée telle que oelles qui exis- tent dans des réacteurs nucléaires ou bien dans des engins ou satellites se trouvant 4 l'extérieur de l'atmosphère terrestre ou dans la couche raréfiée de l'atmosphère terres- tre. En outre, il faut tenir compte du point de Curie de la matiere dont sont constitués los aimants et leurs piooes polaires.
Lorsque les aimante atteignent le point de Curie de la matière dont ils sont constitués, ils perdent leurs propriétés magnétiques ot le rendement de la pompo est for- tement diminué.
La source de chaleur dans la pompe est le conduit de fluide et les conducteurs électri- ques et le transmission de ohaleur en direction dos aimante dans une atmosphère de vide, s'effectue par rayonne: ent
STEFAN-BOLTZMAN. pour contrebalancer l'effet de ce rayonne- : ment et pour continuer à obtenir un rendement de pompage maximal en maintenant la température des aimante et des places polaires à une valeur inférieure au point de Curie de la matière dont ils sont constitués, on utilise le sys- teme représenté sur la figure 21, Ce système cet nécessaire, aussi bien dans le cas où les aimants sont du type perma- nent ou sont des électro-aimants.
Des boucliers thermiques 164
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et 166 sont respectivement montés de façon à tourner avec l'ensemble magnétique tournant (les détails de cette structure ne sont pas représentés sur les dessins), lls sont de préférence constitués d'acier inoxydable ou d"Inconel" et ils servent à empêcher une transmission de ohaleur entre le conduit de fluide et les aimanta, Des orifices sont prévus dans les boucliers thermiques de façon à permettre aux faces des pièces polaires 135, 136, 137 et 138 tournées vers le conduit de fluide 110 d'Être aussi rapprochées que possible du conduit de fluide, Lorsque cet espacement n'est pas critique,
le bouclier thermique peut ne pas être pourvu d'ouvertures et il peut être monté directement sur le carter ou corps de pompe dans une position fixe, le cas échéant. La surface du bouclier thermique tournée veis le conduit de fluide doit être coplanaire ou parallèle aux faces dos pièces polaires. Il est préférable de traiter des surfaces des différente éléments de pompe de façon à arrêter un rayonnement de chaleur en direction des aimants mais à autoriser un rayonnement de chaleur à partir des aimants, en vue de leur permettre de ce refroidir aussi rapidement que possible. pour obtenir ce résultat, les faces des pièces polaires tournées vers les conduit sont plaquées d'or de façon à réduire leur capacité d'absorp- %ion à une faible valeur.
Toutes les autres surfaces des pièces polaires et des corps magnétiques exposés au rayonnement du carter de pompe sont convenablement noircies par oxydation ou revètement, de façon à obtenir des coefficients d'émissivité de reyonnement d'au moine 0,5. Les surfaces due boucliers thermiques tournée vers le carter de pompe sont également noircira et les surfaces des bou-
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citera thermiques tournées vers le conduit sont plaquées d'or. Dans des conditions moins sévères de rayonnement.de chaleur, il peut être inutile de plaquer d'or les surfaces : du bouclier thermique.
Il peut être suffisant, dans ces circonstances, de donner un poli spéculaire aux surfaces qui auraient dû être plaquées d'or. De façon similaire, il n'est pas toujours néoessaire de noircir toutes les autres surfaces, Les températures de fonctionnement conditionne- ment les mesures à prendre,
Le fonctionnement des pompes des figures 14. et 21 est le suivant les arbres 124 et
125 sont entraînés en rotation à l'aide d'un moteur exté- rieur (non représenté) qui eat accouplé à la poulie 130.
L'ensemble magnétique, qui est monté sur les arbres, est .. entraîné en rotation en déplaçant les champs de flux magné-, tique et leurs groupes de courants de Fouoault associés au- : tour du conduit de liquide tubulaire 110. L'interaction .- du ohamp magnétique et des courants de-Foucault assure la propulsion du métal liquide le long du conduit 110 de- puis l'entrée 110 jusqu'à la sortie 114.
Il est bien évident que l'in- vention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation oi- dessus décrit et représenté et à partir duquel on pourra prévois.' d'autres formes et d'autres modes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention.