Machine électrostatique à organes mobiles conducteurs. Il est connu que, dans les machines élec trostatiques à organes mobiles conducteurs, les forces électriques utiles agissant sur ces organes mobiles sont proportionnées au maître-couple des parties actives desdits organes mobiles conducteurs et qu'il y a avantage à donner à ce maître-couple une aire suffisante, compte tenu des autres carac téristiques de la machine.
Dans les machines électrostatiques à or ganes mobiles conducteurs réalisées jusqu'à présent, ces organes mobiles sont constitués par des secteurs circulaires ou par des seg ments de surfaces cylindriques, présentant une ouverture angulaire notable, ainsi qu'il est figuré, par exemple, dans les brevets suisses N"<B>266975</B> et N 26750.5, ces organes mobiles formant avec les organes fixes des condensateurs analogues à des condensa teurs plans. Il en résulte que, quand bien même on donne à ces organes mobiles con ducteurs une surface de maître-couple suffi sante pour tirer le meilleur parti 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 mo bile conducteur plat ne s'exercent que des forces électriques inutiles puisqu'elles , sont perpendiculaires au mouvement de cet or gane, tandis que les forces utiles s'exercent seulement sur sa tranche. Il est donc mani feste que la surface d'un tel organe mobile conducteur est, dans son ensemble, mal uti- lisée, puisque les forces électriques qui s5exer- cent sur la plus grande partie de cette surface ne fournissent aucun travail lors du mouve ment des organes mobiles et ne participent donc point au procès de conversion de l'é nergie.
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'or gane, au lieu de lui être très inférieure.
La présente invention a pour objet une machine électrostatique à organes conduc teurs mobiles, fonctionnant comme moteur ou comme génératrice, et qui répond à ces conditions. Cette machine est caractérisée par le fait que les organes mobiles conduc teurs sont constitués par des barres conduc trices isolées les unes des autres et dont l'axe longitudinal est perpendiculaire à la direction de leur déplacement, le rapport maximum des axes de la section droite des barres étant de 3:1.
Par conséquent, le rapport entre la sur face de maître-couple et la surface totale de l'organe mobile est toujours relativement grand, comparé à ce même rapport pour les organes mobile utilisés jusqu'à présent. En envisageant la possibilité d'utiliser des profils dissymétriques, on désigne ici d'une façon générale par axe la moitié de la dis- tance 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.
La section droite des barres, constante ou variable, peut être par exemple circulaire, elliptique, ovoïde ou sensiblement telle.
Le stator peut, lui aussi, être utilement constitué par des organes fixes similaires. Le dessin annexé représente quelques exemples de réalisation de la machine selon l'invention. Plus précisément La fig. 1 représente une vue en perspec tive d'un rotor de machine du type en éage 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 d'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<I>a</I> de section circulaire, disposées sur la périphérie d'un cylindre circulaire et maintenues par deux joues isolantes b fixées sur l'axe de rotation c, l'ensemble constituant une sorte de cage d'écureuil.
La fig. 3 représente un rotor de machine électrostatique constitué par des barres m de section variable disposées radialement en trois rangées sur un moyeu isolant lc traversé par l'axe de rotation 1.
Il est manifeste que dans ces machines les surfaces de maître-couple sont très grandes, compte tenu de l'espace occupé par les organes mobiles conducteurs, et que les forces électriques utiles pouvant être aug mentées en proportion, la puissance spéci fique de la machine pourra être considérable ment plus grande que celle d'une même ma chine de même encombrement, travaillant dans un milieu fluide de même densité d'énergie maxima, et à laquelle on n'aurait pas appliqué l'invention.
Un certain nombre de profils avantageux, pour les barres constituant les organes mo biles conducteurs de ces machines 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 compris 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 fonctionne ment 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 mouvement, 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 diffé rent de l'ellipse par les points suivants:
le rayon de courbure, au lieu d'être égal comme dans l'ellipse<I>à</I> b2/a au sommet du grand axe <I>(a</I> et<I>b</I> désignant respectivement le grand axe et le petit axe), à une valeur plus grande, supérieure à 0,75<I>- b</I> quand alb est compris entre un et deux, et supérieure à 0,65 - 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 rapide ment, pour atteindre au sommet du petit axe une valeur plus grande que l'expression a2/b correspondant à l'ellipse de mêmes axes.
La fig. 6 représente une telle section où en même temps le rapport des axes atteint le maximum de 3:1. Il est cependant évident qu'un rapport inférieur, par exemple infé rieur à 2:1, est, plus favorable pour le but envisagé.
Quand l'ensemble du dispositif électrique n'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 sont placées que d'un seul côté de celles-ci, il pourra y avoir avantage à em ployer des barres de profil non symétrique par rapport à tout plan parallèle au mouvement (fig. 7).
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 mou vement, d'intensité convenable. La valeur de la charge et l'intensité du champ peuvent varier entre certaines limites, autour de valeurs optima dépendant en particulier 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 au tres, 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. Il est bien entendu que ces valeurs dépendront non seulement du profil des barres mobiles, mais encore de la disposition des organes fixes servant à produire le champ électrique.
Lors que les organes mobiles sont influencés électriquement des deux côtés par des or ganes fixes (voir fig. 4bis), il convient que l'épaisseur de chaque barre, mesurée entre deux plans tangents à cette barre et paral lèles à sa direction instantanée de déplace ment, soit sensiblement égale à deux fois la distance entre une barre et l'organe fixe qui l'influence.
Lorsque les organes mobiles sont influen cés électriquement d'un côté seulement (voir fig. \?), il convient au contraire que l'épais seur de chaque barre, mesurée entre deux plans tangents à cette barre et parallèles à sa direction instantanée de déplacement, soit sensiblement égale à la distance entre une barre et l'organe fixe qui l'influence.
Dans ces conditions, les calculs exécutés ont mon tré que la valeur optima du champ électrique moyen parallèle à la direction de déplacement des barres est, en général, voisine de
EMI0003.0014
Enl désignant le champ électrique maximum admissible dans le milieu diélectrique fluide qui entoure les barres, b l'axe du profil per pendiculaire au mouvement, a l'axe parallèle au mouvement.
La charge optima à donner à une barre, par centimètre de longueur, est, en général, voisine de A - e - Em - b. Dans cette formule, e est le pouvoir diélectrique du milieu fluide entourant les barres et A un coefficient numérique (indice de forme), toutes les gran deurs étant exprimées en unités mécaniques et électrostatiques C. G. S. Le coefficient A est voisin de 0,25 pour les profils voisins du cercle, ou aplatis dans le sens du mouve ment (petit axe parallèle au mouvement). Pour les profils allongés dans les sens du mouvement (grand axe parallèle au mouve ment), il est plus grand, d'autant plus que le profil est plus allongé. Il est voisin de 0,30 pour a/b <I>=</I> 2 et de 0,50 pour a/b <I>= 3.</I>
Quand les données précédentes concer nant le profil des barres, le champ électrique moyen parallèle au mouvement et la charge des barres sont respectées, l'indice de forme A des barres prend des valeurs élevées, supé rieures 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 aplati dans le sens du mouve ment, le rapport des axes étant d'environ 1,6.
On peut s'écarter, dans une mesure limi tée, des valeurs optima précédemment indi- quées, 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 admissible Em, par exemple le quart pour les profils voi sins du cercle. Il en résulte que, dans ces machines, la différence de potentiel entre les pôles pourra être extrêmement élevée, par ticulièrement si la machine travaille dans un milieu diélectrique fluide de rigidité impor tante.
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 kilovolts quand elle se déplacera de un centimètre, c'est-à-dire que sioelle doit fran- chir 20 centimètres pour aller d'un pôle de la machine à l'autre, la différence de poten tiel entre ces pôles pourra être de 1000 kilo- volts. On peut donc construire des machines électrostatiques - fournissant des tensions exceptionnellement élevées, par exemple 10000 Movolts, avec un encombrement beaucoup plus réduit que celui des dispo sitifs électrostatiques actuellement connus,
fonctionnant dans un milieu de même rigi dité diélectrique.
Pour effectuer la charge des barres et produire le champ électrique parallèle à leur mouvement, on pourra se servir d'un des dispositifs actuellement connus. Par exemple, on pourra soumettre les barres, en un point de leur course, à l'influence d'unie 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 barre prendra une charge pratiquement égale à C - V, C étant sa capa cité avec l'électrode influente, si les capacités avec les organes de la machine, dont le poten tiel 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 in fluente est reliée au sol.
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 moyen convenable tel que balais ou peignes, à l'influence d'une électrode fixe portée, par un moyen convenable, à un potentiel 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<I>U- V,</I> 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 au potentiel U et regoivent une charge négative.
Cette disposition permet d'éviter le dispo sitif auxiliaire, tel que générateur d'excita tion, qui est indispensable pour porter l'électrode fixe à un potentiel U -f- V plus élevé que celui U du pôle, mais il nécessite la dissipation en pure perte de la puissance <I>V - I,</I> alors que la puissance nécessaire pour porter l'électrode fixe au potentiel U + V petit 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 (lesquels les barres seront soumises au cours de leur mouvement. L'échelonnement des potentiels pourra., comme il est connu, être , obtenu par l'emploi de potentiomètres, de génératrices auxiliaires ou de balais auxi liaires. Il sera en général 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 conducti- bilité, dont la surface prend un potentiel régulièrement variable quand elles sont par courues 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 di électrique élevée, de ne pas donner à ces couches une surface lisse, plane ou cylin drique, comme il a été pratiqué jusqu'à. pré sent, mais de les munir de rainures ou de gorges régulièrement creusées, dont la direc tion est sensiblement perpendiculaire à celle (lu mouvement des barres mobiles. Ces rai nures ou gorges devront avoir un profil con venablement arrondi et une profondeur comparable à l'axe du profil des barres qui est perpendiculaire au mouvement.
Ce dispo sitif permet d'éviter le glissement des charges portées par la couche faiblement conductrice sous l'action des forces qu'elles subissent, 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 dispositif donné, il convient de donner à l'espacement entre les barres conductrices mobiles et le dispositif fixe produisant le champ électrique clans lequel se meuvent les barres une valeur convenable, en rapport avec les dimensions du profil des barres mobiles. Quand cet espacement est trop grand, le volume 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 limitée par la rigidité du milieu fluide, les forces électriques sont dimi nuées, ainsi que la puissance de la machine.
Ainsi qu'il a été précisé, il est avanta geux de donner à l'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 l'influence des organes fixes des deux côtés à la fois (fig. 3, 4 et 4bis), et une valeur voisine de 2b, quand les barres ne sont soumises à l'influence 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 (fig. 1. et 2).
(tuant à l'espacement entre deux barres mobiles consécutives, il est avantageux, en général, de la prendre compris entre<I>b</I> et 2b. La description détaillée des fig. 1 et 2, respec tivement 3, 4 et 4bis aidera à mieux com prendre les considérations précédentes. <I>Exemple I:</I> <I>Machine dite en cage</I> d'écureuil.
Dans cette machine représentée aux fig. 1 et 2, les barres sont circulaires et dispo sées sur la périphérie d'un cylindre de façon à former une cage d'écureuil.
Le rotor représenté à part à la fig. 1 est formé de deux joues isolantes b fixées sur l'axe e, qui portent les barres de profil circu laires a. Le stator est fait d'un anneau isolant d portant sur sa face interne des rainures dans lesquelles sont logées des barres conduc trices circulaires fixes e.
Pour effectuer la charge et la décharge des barres mobiles, le stator comporte en outre deux pièces conduc trices plus larges <I>f,</I> g. Des résistances<I>h</I> sont intercalées entre les barres fixes successives, de façon à former avec elles deux chaînes conductrices continues allant de f à g, de telle sorte que le potentiel varie de façon progressive quand on se déplace sur la sur face 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 moyen d'un balai i 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 l'influence des barres fixes, leur po tentiel s'élève progressivement. Quand elles arrivent en face de g, elles sont mises en rela tion par im balai j avec l'appareil d'utilisa tion.
La pièce g est, par un dispositif conve nable, tel que génératrice auxiliaire, portée à un potentiel surpassant de V celui du balai j, de telle sorte que les barres emportent, après leur contact avec j, une charge sensible ment égale à -Q, charge dont le potentiel va en s'abaissant progressivement, tandis que les barres s'éloignent de g pour s'appro cher de<I>f</I> et qui est cédée enfin au balai i.
Avec un rotor de 10 cm de diamètre, por tant 30 barres de 10 cm de longueur et de 5 mm de diamètre, on a obtenu, dans l'air à la pression atmosphérique, une différence de potentiel de 100 ldlovolts entre les balais i et j, le courant fourni étant de 30 micro- ampères pour une vitesse de rotation de 3000 tours par minute, soit une puissance de 3 watts. Dans l'air comprimé sous une pres sion de 6 atmosphères, la tension atteint 500 kilovolts et l'intensité 0,15 milliampères à la même vitesse, soit une puissance de 75 watts.
<I>Exemple II:</I> <I>-Machine dont les</I> organes conducteurs <I>sont disposés</I> radialement.
Dans cette machine, représentée aux fig. 3, 4 et 4bis, les barres conductrices mo biles sont disposées radialement en plusieurs rangées sur la périphérie d'un moyeu cylin drique isolant.
Le rotor, représenté seul à la fig. 3, est formé d'un cylindre isolant<I>le</I> emmanché sur l'axe 1, portant trois rangs de barres conduc trices m, dont la longueur est sensiblement égale au rayon du moyeu k. Les barres con ductrices ont une section de profil variable à l'extrémité fixée dans le moyeu, ce profil est une ellipse aplatie dans le sens<B>du</B> mou vement, l'axe parallèle au mouvement étant le phis court, le rapport des axes étant de 1:2. Quand on se déplace sur la barre vers l'extré mité libre, l'axe perpendiculaire au mouve ment ne change pas, tandis que l'autre aug mente progressivement, de telle sorte que le profil s'arrondit, devient circulaire, puis allongé dans le sens du mouvement.
A l'extré mité libre, le profil est elliptique, le grand axe étant parallèle au mouvement, le rapport des axes étant égal à ?. Les barres sont ré unies électriquement par rangs de trois par des tiges conductrices a traversant le moyeu isolant 73. Ces tiges aboutissent à des touches de contact o.
A la fig. 4, seuls les axes des barres in ont été représentés en traits mixtes, pour éviter de surcharger les dessins.
Le stator est formé de quatre plaques faiblement conductrices p entretoisées, entre lesquelles viennent passer les barres conduc trices mobiles. Ces plaques sont creusées de cannelures 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 dé charge des barres conductrices mobiles. Les pièces r sont portées par un dispositif conve nable à un potentiel - V, négatif, par exem ple, tandis que les barres mobiles sont mises, par un balai t, en relation avec le sol, quand elles passent entre les pièces r de telle sorte qu'elles prennent une charge positive Q.
Elles emportent cette charge dans leur mou vement, et leur potentiel s'élève progressi vement grâce à l'influence des pièces fixes faiblement conductrices. Quand elles passent entre les pièces s, elles sont mises, par un balai u, en relation avec l'appareil d'utilisa tion; 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 cm de diamètre, por tant 90 barres de 10 cm de longueur, dont l'axe perpendiculaire au mouvement a 6 mm, tandis que l'autre axe varie de 5 à 12 mm, on a obtenu, dans l'air à la pression atmo sphérique, une différence de potentiel de 200 kilovolts entre les balais t, et u, le courant fourni étant de<B>1220</B> microampères pour une vitesse de 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 différence de potentiel de 1200 kilovolts entre<I>t</I> et u avec un courant de 0,7 milliampère, soit une puis sance de 840 watts.