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ET SES APPLICATIONS POSSIBLES. |
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3Quelques questions auxquelles on ne sait pas encore répondre: - l'univers est-il fini ou infini? - qui peut expliquer ce qu'est la gravitation qui cause l'attraction terrestre. On sait la mettre en évidence, on sait la mesurer précisément, on sait en tenir compte et s'en servir pour satelliser des engins autour de la Terre ou autour d'autres astres mais personne n'est capable d'expliquer pourquoi la Terre reste à tourner autour du Soleil au lieu de s'en éloigner, la Lune autour de la Terre et tous les astres, comme d'ailleurs tous les corps, s'attirent d'une façon que l'on sait mesurer et prévoir mais sans apporter d'explication à ce phénomène. Des satellites ont d'ailleurs permis de constater et de mesurer que le fond des océans monte jusqu'à 15cm au passage de la Lune, ce qui participe aux marées. On imagine les forces énormes qui sont en jeu alors qu'il n'y a aucun lien connu entre la Terre et la Lune, - pourquoi dans le vide une boule de pétanque et une plume "tombent" à la même vitesse, Avant l'utilisation de l'énergie nucléaire pour produire de l'électricité qui aurait pu croire qu'on pourrait extraire autant d'énergie de l'uranium? En conclusion, ce n'est pas parce qu'on ne sait pas expliquer aujourd'hui comment ça marche et d'où vient cette énergie que ça ne peut pas marcher si on est capable de réaliser des convertisseurs à aimants qui fonctionnent. D'autre part, on sait réaliser des machines électriques comme des moteurs qui comportent des aimants. La difficulté pour passer au tout-aimant est que le flux magnétique d'un aimant est constant et ne peut pas être modulé comme on peut le faire avec un électroaimant. On peut faire varier l'interaction entre deux aimants en faisant varier la distance entre ces aimants et leur orientation et alors le convertisseur à aimants est réalisable, il peut fonctionner sans faire intervenir une source d'énergie extérieure. |
Des convertisseurs d'énergie à base uniquement d'aimants qui fournissent directement ou indirectement de l'énergie mécanique sous forme de mouvement rotatif ont déjà été conçus mais leur réalisation semble aboutir à des résultats insuffisants, pour ne pas dire nuls, pour les transformer en réalisations industrielles. Le plus connu sur Internet est le "moteur de Perendev" présenté depuis des années mais jamais rendu efficace sauf dans des vidéos que l'on peut supposer être truquées. Un Français, Claude Dupré, l'a réalisé scrupuleusement et le résultat est là: le moteur ne tourne pas, rien ne se passe et quand on connaît les interactions entre les aimants, il n'y a rien d'étonnant. Un aimant produit un champ magnétique permanent (pendant plusieurs siècles pour un aimant néodyme-fer-bore) et pourrait être comparé en cela à un électroaimant dont l'enroulement est parcouru en permanence par un courant électrique. De même qu'un moteur électrique est actionné en rotation par des champs magnétiques produits par des enroulements enserrant des matériaux ferromagnétiques (des électroaimants), on pourrait réaliser un dispositif ayant une partie de lui-même qui tourne en remplaçant ces électroaimants par des aimants pour obtenir un résultat comparable à celui du moteur électrique mais sans utiliser de courant électrique. Mais ces enroulements ont une alimentation électrique conçue pour qu'ils ne soient activés qu'à des instants précis pendant un tour de rotation du rotor du moteur. Les aimants, eux, génèrent un champ magnétique de valeur constante bien que décroissant légèrement avec les années. Lorsqu'on dispose des aimants fixés à la périphérie de deux roues distinctes côte à côte, tournant chacune librement, de telle sorte que les aimants d'une roue soient en vis-à-vis des aimants de l'autre roue, on constate que, malgré les sollicitations extérieures aux deux roues pour les faire tourner, lorsqu'on les laisse libres, elles se positionnent dans la position la plus favorable pour que deux aimants de polarités opposées soient en vis-à-vis et les roues restent figées dans cette position. Il faut exercer une certaine force pour faire tourner les roues qui, lorsqu'on arrête de les solliciter, se repositionnent dans la position initiale ou dans une autre position qui est, elle aussi, stable. Les roues ne tournent pas toutes seules quelle que soit la disposition des aimants concernant la polarité qu'ils présentent face à un ou à d'autres aimants de l'autre roue. Certains proposent de réaliser un moteur magnétique comportant des aimants se repoussant et disposés de biais pour produire un couple qui peut faire tourner un rotor ou deux roues côte à côte. Dans la pratique, les champs magnétiques de plusieurs aimants proches ont des réactions complexes qui ne correspondent pas à cette attente. |
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Le fonctionnement du convertisseur d'énergie à aimants est présenté grâce à trois figures qui sont des phases successives de la rotation, dans le sens des flèches, des roues portant des aimants permanents. Nous avons choisi comme exemple le face-à-face entre les aimants (A) (sur la grande roue) et (a) (sur la petite roue). Tous les autres aimants entreront dans la même configuration d'un face-à-face, chacun à leur tour. Chaque roue porte 6 aimants, ce nombre est choisi arbitrairement. Pour que les champs magnétiques des aimants créent des forces qui fassent tourner les roues trois conditions de base doivent être remplies: - les diamètres des roues sont différents; la grande roue (1) est la roue menante et la petite roue (2) est la roue menée, - deux aimants en vis-à-vis sur deux roues distinctes n'ont jamais leurs champs magnétiques qui coïncident, il existe un décalage matérialisé par les espaces (5) et (6), - les roues tournent avec la même vitesse angulaire car elles sont liées dans leur rotation par les roues dentées (3) et (4) qui ont, elles, le même diamètre et le même nombre de dents. (Il est prévu des vitesses de rotation différentes mais restons ici au principe de base) Les forces représentées dans la figure 2 représentent chaque force exercée par chaque aimant sur un aimant voisin. Ainsi la force (Bb) est la force résultant des champs magnétiques entre les aimants (B) et (b). Pour simplifier la compréhension des figures, seules les forces s'exerçant sur la roue menante (1) sont représentées et leur point d'application est montré au milieu de chaque aimant par rapport à la longueur active de chaque aimant. Les forces négligeables ne sont pas représentées. Dans la première position représentée dans la figure 1 les aimants (A) et (B) de la roue (1) sont proches des aimants (a) et (b) de la roue (2), les forces d'attraction ou de répulsion entre les aimants sont plus importantes que pour les autres aimants. L'aimant (A) ayant une polarité opposée à celle de l'aimant (a) qui est en vis-à-vis et l'aimant (B) ayant une polarité opposée à l'aimant (b) qui est en vis-à-vis, les roues pourraient être en équilibre aucune force n'ayant tendance à s'opposer aux forces d'attraction entre ces aimants qui sont en vis-à-vis. Mais un décalage initial entre les deux roues grâce à leur position déterminée par les roues dentées (3) et (4) et matérialisé, par exemple par les espaces (5) et (6) entre les aimants (A) et (a) d'une part provoque un déséquilibre des champs magnétiques qui tend à faire tourner la roue (1) (qui entraîne la roue (2)) jusqu'à ce que la correspondance entre les champs magnétiques des aimants (A) et (a) soient maximum, d'autre part provoque une force pour que l'aimant (B) s'éloigne de l'aimant (a) qui lui oppose une polarité identique. La figure 2 représente la résultante (R) de ces forces en supposant leur point d'application reporté en (X). La résultante (R) se décompose en une force (R1) perpendiculaire à la périphérie de la roue, qui n'influence donc pas la rotation de la roue (1) à part en augmentant les frottements mécaniques éventuels et la force (R2) tangente à la roue qui détermine le couple qui entraîne la roue (1) en rotation dans le sens de la flèche. |
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Dans les figures 3 et 5 les roues dentées (3) et (4) ne sont pas représentées pour simplifier les dessins et la représentation des forces. Les forces qui s'appliquent à la roue (2) sont de même nombre, de même direction, de mêmes valeurs mais de sens opposés. Si les deux roues (1) et (2) étaient de même diamètre, ces forces opposées s'annuleraient et les roues ne seraient pas sollicitées en rotation. La roue (1) étant de plus grand diamètre que la roue (2) le moment de chaque force par rapport à l'axe de la roue correspondante est supérieur pour les forces de la roue (1) ce qui entraîne une instabilité et la sollicitation à la rotation de la roue (1) qui entraîne la roue (2) grâce à la liaison mécanique, ici les roues dentées, même si la roue (2) a tendance à s'opposer au sens de rotation de la roue (1) mais avec un couple résultant inférieur, donc, à celui de la roue (1). Ce déplacement en rotation des roues les place dans la configuration de la figure 3 dans laquelle on peut constater que même si la valeur des forces change, leur résultante est toujours dans le même sens et sollicite toujours les roues en rotation dans le même sens. La rotation des roues continue puisque rien ne s'y oppose, les champs magnétiques des aimants ayant tendance à placer les aimants dans la position la plus favorable pour que le flux soit maximum entre deux aimants de polarités différentes en vis-à-vis et que deux aimants de même polarité s'éloignent l'un de l'autre. Mais cette position ne peut pas être atteinte, le décalage initial représenté par (5) et (6), à l'origine de la rotation, varie au cours de la rotation mais il existe au moins tant que la paire d'aimants suivants, ici (F) et (f), n'est pas venue en vis-à-vis. |
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Dans la position suivante des roues illustrée par la figure 5 la résultante des forces R a changé de valeur mais elle agit toujours dans le même sens de rotation des roues. Dans la configuration suivante, non illustrée, après une légère rotation, on retourne dans le cas de la figure 1 (les aimants (A) et (a) étant remplacés par les aimants (F) et (f)) avec tous les aimants qui ont tourné de la longueur d'un aimant et la résultante des forces (R) et donc sa composante (R2) sont toujours dirigées dans le même sens ce qui continue de faire tourner les roues. Si on utilise des aimants permanents au néodyme, par exemple néodyme-fer-bore (NdFeB) qui gardent leur aimantation pendant des siècles même en utilisation, s'ils ne sont pas soumis à une température au moins égale à leur température maximale d'utilisation, la rotation des roues peut durer longtemps. Les composants de ces aimants sont abondants sur terre y compris le néodyme, même si ce métal est classé dans les "terres rares". Il y a peu, ces aimants étaient chers parce que leur commercialisation était protégée par des brevets d'invention qui tombent, après vingt ans, dans le domaine public et donc leur prix diminue fortement actuellement. Le dispositif en fonctionnement fournit une énergie mécanique disponible sur au moins un de ses arbres, cette énergie mécanique pouvant être utilisée en tant que telle ou transformée en énergie électrique en associant le dispositif à au moins un générateur électrique entraîné par au moins un des arbres du dispositif. Pour ne pas influencer défavorablement l'action des champs magnétiques des aimants, on peut utiliser avantageusement dans la réalisation du dispositif des matériaux peu réactifs aux champs magnétiques comme par exemple l'aluminium, certains aciers inoxydables, des matières synthétiques. Le revêtement périphérique du dispositif peut être avantageusement réalisée en matériau ferromagnétique, par exemple une ou plusieurs épaisseurs de tôle d'acier (mince) afin de confiner les champs magnétiques des aimants à l'intérieur du dispositif. |
sans consommation de carburant, sans rejet de polluant, sans bruit. |
| Une des possibilités pour augmenter le couple du convertisseur est d'augmenter le nombre de roues liées dans le même dispositif comme le montre la figure 7. Une autre possibilité consiste à disposer les aimants sous forme de couronnes autour de leur axe et de disposer d'autant de couronnes d'aimants juxtaposées que nécessaire sans pour cela multiplier le poids du convertisseur puisque le nombre de roues dentées reste le même, un peu renforcées s'il y a plusieurs couronnes. Il a été mentionné la présence de roues dentées et d'engrenages mais il est prévu d'alléger l'ensemble en utilisant par exemple des roues dentées en aluminium liées entre elles par au moins une courroie crantée. Les aimants peuvent avoir une forme améliorée non représentée ici. |
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Ce type de convertisseur à aimants permanents est nouveau, il devra être évalué, amélioré, optimisé, testé avant d'être commercialisé. En première approche faisons une estimation du couple disponible, de la puissance, et du poids de l'ensemble: A partir d'aimants ayant une force de 200 kg (poids = environ 1 kg/pièce), une douzaines d'aimants permettent: avec seulement deux roues, à cause de la distance entre les aimants et des interactions qui ne sont pas permanentes (bien qu'un seul aimant agisse par moment sur deux aimants en vis-à-vis) la force réelle utilisable d'un aimant n'est pas de 200 kg mais environ de 40 kg. Si on utilise une roue menante de 0,5 m de diamètre soit 0,25 m de rayon, le couple devient: 40 kg X 0,25 m = 10 m.kg Par rapport aux diamètres des roues et à l'opposition de la roue menée, le couple utile restant n'est plus que de 10 / 2 = 5 m.kg Si on assemble six roues menées au lieu d'une seule, le couple devient: 5 m.kg/roue X 6 roues = 30 m.kg soit un couple d'environ 294 N.m qu'il est intéressant de comparer aux couples des moteurs thermiques de nos automobiles. Bien sûr toutes ces valeurs devront être validées selon le type de convertisseur désiré, son couple, sa puissance, son utilisation... Evaluation de la puissance: Avec la relation P(ch) = C(m.kg) . n(tr/min) / 716 (P = puissance, C = couple, n = vitesse de rotation) la puissance disponible est de: P = 30 X 1500 / 716 = 62 ch à 1500tr/mn (ou 45 kW) P = 30 X 3000 / 716 = 125 ch à 3000tr/mn (ou 90 kW) P = 30 X 5000 / 716 = 209 ch à 5000tr/mn (ou 150 kW) On constate en parlant de voitures électriques qu'il ne s'agit pas de voiturettes mais bien de voitures dont on peut attendre des performances élevées. Le poids d'un tel convertisseur avec une roue menante et six roues menées: 6 aimants/roue X 7 roues = 42 aimants X 1 kg/aimant = 42 kg + les pièces mécaniques classiques = environ 80 kg |
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Le convertisseur à aimants produit de l'énergie mécanique qui est convertie en énergie électrique par le générateur électrique. Pourquoi ne pas utiliser directement l'énergie mécanique pour la propulsion d'un véhicule? Parce qu'il est difficile de faire varier rapidement le couple et la vitesse de rotation du convertisseur pour répondre aux sollicitations pendant l'utilisation du véhicule, une souplesse d'utilisation que possède la propulsion électrique. En conduite classique sur route, seul le générateur électrique, contrôlé par le boîtier électronique, fournit l'énergie nécessaire à la propulsion du véhicule. Un convertisseur sans régulateur de vitesse aura tendance à s'emballer s'il n'est pas en charge. En effet, contrairement à un moteur électrique, rien ne limite sa vitesse de rotation, pas de fréquence du courant, pas de construction avec un nombre de paires de pôles déterminé, pas de force contre-électromotrice, pas de tension maxi... C'est pourquoi au moins trois types de ralentissement et de mise à l'arrêt sont prévus, ils pourront même être tous intégrés à une même machine à titre de sécurité: si le convertisseur s'emballait, sa rupture se produirait à une vitesse où les roulements ne résisteraient plus. Il faudra mettre en place le meilleur système pour maîtriser la vitesse de rotation surtout à vide ou sous charge réduite. Un régulateur mécanique est aussi prévu ainsi qu'un réglage du décalage entre les roues à aimants qui peut agir comme un régulateur automatique en faisant varier le couple éventuellement jusqu'à l'annuler. |
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Dans certains cas comme une forte accélération pour doubler, une pente importante gravie à grande vitesse ... un complément d'énergie est fourni par la batterie qui n'est ici qu'une batterie tampon de faible capacité par rapport à un véhicule électrique classique qui ne dispose que de l'énergie de sa batterie de traction. Exemple de capacité de la batterie: avec un moteur de 60 kW (81 ch), si le convertisseur fournit 30 kW (soit environ 40 ch à 4000tr/min pour 25 kg), la batterie doit fournir par moments 30 kW pour donner au véhicule sa pleine puissance de 60 kW. Ce qui correspond à 100 A sous 300 V par exemple pendant 1/10 d'heure (6 minutes) soit: 100 A x 300 V x 1/10 h = 3 kWh ce qui est environ dix fois moins que pour un véhicule électrique classique. Le poids de cette batterie, si elle est au lithium, est de moins de 30 kg. La recharge de la batterie est gérée par l'électronique ce qui permet de procéder à la recharge dans les conditions les plus favorables pour la batterie sans la surcharger, sans trop la décharger, ce qui augmente considérablement sa durée de vie. Une batterie de supercondensateurs peut aussi remplacer la batterie de traction ou être un complément pour les fortes accélérations nécessitant un niveau élevé d'énergie dans un temps très court. |
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Le ralentisseur permet de convertir l'excédent d'énergie électrique en chaleur tout en conservant le frein moteur (moteur fonctionnant en générateur électrique) qui peut, de plus, recharger la batterie et qui est fort utile en conduite. Bien que faible, ce rejet de chaleur peut être considéré comme une pollution. On peut utiliser cette chaleur en période froide pour alimenter, au moins en partie, un chauffage régulé du véhicule et/ou recycler cette énergie dans un mécanisme qui rejettera moins de chaleur mais en absorbant de l'énergie mécanique, qui peut être réutilisée par exemple avec un volant d'inertie de technologie récente, de faible poids. |
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Après une utilisation importante de la batterie, elle peut être rechargée lorsque le véhicule ne consomme pas toute l'énergie fournie par le générateur dont la puissance donnée en exemple (30 kW) est à rapprocher de la capacité de la batterie (3 kWh). Elle peut donc être rechargée rapidement. Les batteries au lithium ne craignent pas une charge rapide à forte intensité, ce qui leur est néfaste ce sont les charges trop élevées (tension maxi pour chaque élément qui constitue la batterie) et les décharges trop poussées (tension mini qu'il faut éviter). Comme indiqué plus haut, le calculateur du système électronique gère ces tensions et ces intensités pour la meilleure longévité de la batterie. On aboutit à une voiture non polluante, performante, au fonctionnement silencieux, déstressant, à l'autonomie illimitée. (.....et la prime possible à l'achat d'un véhicule zéro pollution) |
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Autre disposition avec deux moteurs: Le moteur arrière peut fonctionner en continu ou seulement en cas de forte sollicitation du véhicule par le conducteur et/ou en cas de mauvaise adhérence des roues avant détectée par l'électronique. Autres possibilités: - l'utilisation de moteurs-roues, - l'utilisation de batteries autres que celles au lithium, par exemple les prometteuses batteries nickel-zinc. |
Les considérations ci-dessus sur la puissance concernent un véhicule de taille et de puissance moyennes mais rien n'empêche de doter une voiture d'un convertisseur de 100 ou 200 kW (135 ou 270 ch) avec le moteur et les équipements correspondants. Ce qui permettrait notamment de gommer la fausse image de "voiturettes" attribuée aux voitures à propulsion électrique. Autre possibilité: quatre roues motrices rendent une voiture plus efficace, plus sûre sur chaussée glissante. C'est facilement réalisable avec un premier moteur électrique qui entraîne les roues avant et un second moteur électrique qui n'entraîne que les roues arrières en permanence ou, selon les besoins, par commande manuelle ou lorsque l'électronique détecte une mauvaise adhérence des roues avant. Une forte puissance et une forte consommation d'énergie posent question avec un moteur thermique à l'heure où l'approvisionnement en pétrole devient de plus en plus incertain et où la pollution commet des dégâts de plus en plus importants, mais concernant une énergie électrique abondante, à bas prix et non polluante la situation peut s'envisager autrement. |
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(Si vous ne voyez pas la vidéo, autoriser l'exécution des scripts et des contrôles ActiveX dans Internet Explorer ou cliquer sur le texte au dessus du cadre de la vidéo) Dans cet essai, une fois en position les roues font 3/4 de tours sur leur élan. Elles s'arrêtent ensuite et il faut exercer une force pour les remettre en position de départ. Le couple de départ provient donc de la force nécessaire pour mettre les roues en position. cette dissymétrie vient d'un décalage dans la construction. |
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Les différents éléments: 1: deux arbres alu, 2: quatre roulements à billes, 3: masse serrée sur l'arbre servant de volant d'inertie, 4: deux roues dentées même diamètre et donc même nombre de dents, 5: grande roue comportant une couronne de 12 aimants, 6: petite roue comportant une couronne de 12 aimants, 7: réglage du décalage entre les roues par vis et écrous, 8: ce sont les restes d'autres essais sur deux plaques d'alu, entretoises alu, visserie laiton et inox A4 pour éviter les influences extérieures. 3/4 de tour sans élan avec 12 aimants puis arrêt sur 2 ou 3 aimants. Pour chaque vis-à-vis entre deux aimants il y a la présence de deux forces opposés: - l'une dans le sens de la rotation, l'aimant de la grande roue (la roue menante) en vis-à-vis essayant de se disposer de manière à ce que le flux magnétique soit au maximum avec l'aimant de polarité opposée de la petite roue (la roue menée), - l'autre s'opposant à ce mouvement parce que provenant de l'aimant suivant de la roue menée, il est de même polarité que l'aimant de la roue menante.(voir dessins plus bas) A l'arrêt on est dans une position intermédiaire d'équilibre. Mais, si le montage est bien pensé, la petite roue nettement plus petite que la grande, la force de l'aimant de la grande roue est prépondérante en dynamique c'est à dire lorsque la roue tourne, aidée par un volant d'inertie ou par le propre poids des aimants. C'est pourquoi il faut aider le montage à passer un aimant qui s'oppose au mouvement pour qu'elle tourne d'elle même sans élan. Elle s'arrête après 3/4 de tour parce que 2 ou 3 aimants ne sont pas "alignés" à cet endroit entre les deux roues. |
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Pour un meilleur fonctionnement il faut augmenter la différence de diamètres entre les deux roues en tenant compte du diamètre des roues dentées. Les aimants (B) et (b) ont tendance à se rapprocher de telle sorte que le flux magnétique entre ces deux aimants soit maximum. La roue menée a tendance à s'opposer au mouvement de rotation de la roue menante qui l'entraîne, mais le mouvement de l'aimant (B) est contrecarré par l'arrivée de l'aimant (c) de même polarité que (B). Il faudrait que (c) soit plus loin à cet instant ou qu'il soit neutralisé, provisoirement, car son action sera utile ensuite pour repousser (B) dans le sens de la marche puis pour attirer (C). Quatre premières solutions sont envisagées: 1°) masquer l'espace entre les aimants des deux roues, lorsque l'action des aimants ne va pas dans le sens de la rotation. 2°) diminuer le diamètre de la roue menée pour que l'influence de (c) soit retardée. 3°) diminuer le nombre des aimants, au moins sur la roue menée, pour que les champs des divers aimants soient plus indépendants et influencent moins ceux de la roue menante lorsque cette action est néfaste pour la rotation. 4°) donner une forme particulière aux aimants pour que le flux maximum soit disponible au bon endroit au bon moment. On peut aussi associer ces quatre solutions. |
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1°) masquer l'espace entre les aimants des deux roues, lorsque l'action des aimants ne va pas dans le sens de la rotation. Un écran (1) en matériau ferromagnétique est disposé autour des deux roues en laissant une lumière permettant l'action des aimants seulement lorsqu'elle est positive pour la rotation. Cet écran permet de séparer les aimants au bon moment en (2) et de les accoupler en (3). Pour que cet écran ne freine pas la rotation, il peut être plus éloigné de la roue en (4) qu'en (5) ou être plus mince en (6) qu'en (7) ou les deux à la fois sans trop attirer les aimants en (7) qui doivent s'en "décoller" pour interagir d'une roue à l'autre. Vous avez sûrement vu ce genre de chose mais pour un autre usage, il s'agit ici d'un écran ferromagnétique. |
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Les forces exercées par les aimants sur cet écran sont considérables. Il faut qu'il soit disposé à une distance parfaitement respectée et solidement fixé. Ici, les aimants que nous utilisons exercent une force de 15kg environ, avec 10 aimants, la force exercée sur l'écran métallique est de 150kg ce qui déforme un écran artisanal en tôle. Il faudrait utiliser un écran en acier moulé et une structure très rigide. |
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Utilisation d'un écran magnétique: Pour le moment il n'existe pas d'écran magnétique passif c'est-à-dire un matériau qui arrête ou détourne le champ magnétique d'un aimant sans entrer en interaction avec cet aimant. Il existe des matériaux ferromagnétique attirés par l'aimant et donc ayant une interaction avec l'aimant et il existe des matériaux insensibles (ou très peu sensibles) au champ magnétique de l'aimant mais alors ce champ magnétique les traverse. Il existe plusieurs inventions utilisant un tel écran magnétique passif mais elles ne seront efficaces que si on arrive à créer cet écran. La figure 3 montre l'utilisation possible d'un ou plusieurs écrans de ce type afin de réduire les interactions des aimants aux seuls aimants en vis-à-vis. La figure 1 montre une tentative de réaliser un tel écran en juxtaposant des aimants tournés tantôt vers le nord et tantôt vers le sud face à un gros aimant. Les champs magnétiques de cet écran ont tendance à équilibrer les forces d'attraction et les forces de répulsion de sorte que le gros aimant a peu d'interaction avec l'écran. Mais, figure 2, lorsqu'on dispose un aimant de chaque côté de cet écran, l'effet d'écran est annulé et donc on ne peut pas parler d'écran dans cet état. Nous verrons plus bas l'utilisation d'écrans magnétiques actifs. |
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2°) diminuer le diamètre de la roue menée pour que l'influence de (c) soit retardée. |
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3°) diminuer le nombre des aimants. |
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4°) donner une forme particulière aux aimants pour que le flux maximum soit disponible au bon endroit au bon moment. |
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Disposition des aimants sur un stator et un rotor concentriques: Ce type de configuration ne marche pas: quelles que soient les dispositions, l'équilibre entre les champs magnétiques s'établit très vite ce qui empêche toute rotation d'un rotor central par rapport à un stator qui l'entoure. La raison en est que la distance est pratiquement constante entre les aimants du rotor et les aimants du stator ce qui empèche des variations de flux qui provoqueraient des déséquilibres et donc un couple entraînant le rotor. L'angle donné à la position des aimants n'a pas d'influence notoire. |
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Autre solution, un ou deux écrans magnétiques actifs Un électroaimant est un écran magnétique actif entre au moins deux aimants si son champ magnétique est suffisamment puissant et s'il est orienté correctement. La solution n'a pas encore été testée mais il est bien possible que l'énergie nécessaire à actionner un écran magnétique soit du même ordre de grandeur que celle générée par la rotation des roues. Mais, on peut utiliser un champ magnétique inférieur à celui de l'aimant qui passe devant l'électroaimant pour, d'une part favoriser l'action de l'aimant lorsqu'il arrive en vis-à-vis d'un aimant sur l'autre roue et d'autre part diminuer son action lorsqu'il faut qu'il s'éloigne de cet aimant après être passé devant. D'autre part, en utilisant astucieusement l'effet de self et en alimentant alternativement (1) et (2) on pourrait non seulement limiter la consommation des bobinages mais aussi réguler la vitesse de rotation des roues. On peut penser aussi à utiliser un artifice comme une spire de Frager pour dévier les champs magnétiques. |
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Ainsi, par exemple si une roue de 1m de circonférence (0,32m de diamètre) tourne à 3.000tr/mn, un aimant de 5cm (0,05m) de long à sa périphérie passe devant un point fixe en: 1m/tr x 3.000tr/mn = 3.000m/mn --> /60s/mn = 50m/s --> /0,05m = 1.000s·¹ --> le passage d'un aimant se fait en 1/1.000s On constate que dans cette configuration prise en exemple les aimants (A) et (a), après s'être attirés et passés l'un devant l'autre en favorisant la rotation auraient tendance maintenant à s'opposer à la rotation en s'attirant toujours malgré le décalage mis en place pour que les deux roues soient toujours en déséquilibre. Les électroaimants (1) et (2) permettent d'inverser cette tendance en choisissant des polarités convenables à cet instant là. Il y a malgré tout une force (3) qui, bien que minoritaire, s'oppose au mouvement. On peut y remédier par un autre artifice comme par exemple couper l'alimentation de cet électroaimant (2) quand l'effet de rotation dans le bon sens n'est pas suffisant. Cette possibilité de montage avec un ou deux électroaimants est mise de côté pour l'instant mais elle sera à explorer parmi tellement d'autres pistes. |
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Une solution possible en interposant une masse ferromagnétique pour faciliter le fonctionnement des électroaimants. La force (3) est alors orientée dans le bon sens pour participer au couple qui produit la rotation. |
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Autres types de solutions: Les deux roues tournent à des vitesses angulaires différentes Si le rapport entre le diamètre des roues est supérieur au rapport des vitesses, la grande roue est la roue menante. Exemples: - si la grande roue est 4 fois plus grande que la petite roue et que la petite roue tourne 4 fois plus vite que la grande roue, il n'y a pas de déséquilibre dans les forces en présence, les roues ne tournent pas, - si la grande roue est 7 fois plus grande que la petite roue et que la petite roue tourne 4 fois plus vite que la grande roue, la grande roue est la roue menante, la petite roue a tendance à s'opposer à la rotation mais avec un couple inférieur à celui de la roue menante. |
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Pour voir ou revoir la vidéo, déplacer le pointeur sur le cadre avec la souris
(Si vous ne voyez pas la vidéo, autoriser l'exécution des scripts et des contrôles ActiveX dans Internet Explorer ou cliquer sur le texte au dessus du cadre de la vidéo) 4 aimants sur la roue menante (la grande roue)...... Le couple est important sur les 3 premiers aimants. La roue s'arrête de tourner avant le dernier aimant. Au-delà le champ s'inverse à cause du manque d'aimant à la suite. Les aimants sont collés sur le support et assurés par un ruban (rouge) très peu élastique car les forces en présence sont très grandes même avec des aimants de petite taille. |
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8 aimants........ |
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9 aimants........ Chaque fois qu'on ajoute un aimant, la roue tourne un peu plus (de la valeur d'un aimant). On peut ainsi faire un tour complet en ayant assez d'aimants mais le couple est insuffisant. |
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Mis à part le fait que, si on connait bien la forme des lignes du champ magnétique d'un aimant isolé, lorsque plusieurs aimants interagissent, le champ résultant est très complexe, on peut voir ci-contre une partie de la multitude de dispositions possibles des roues et du rapport des vitesses de rotation entre elles. Certaines solutions sont intéressantes, d'autres beaucoup moins mais on se rend compte qu'il exite un vaste champ d'exploration avant de pouvoir affirmer que telle solution est viable et digne d'être industrialisée. La disposition avec des disques que nous n'avons pas encore explorée est peut-être la plus prometteuse car elle reste simple à mettre en oeuvre et les champs magnétiques sont en quelque sorte emprisonnés et chacun d'entre eux devrait davantage agir sur le champ voisin au lieu d'interagir avec des aimants plus éloignés. Ici aussi le disque menant tourne dans un sens alors que le disque mené a tendance à s'opposer au mouvement mais avec un couple plus faible proportionnel au rapport entre les diamètres des disques. Les vitesses de rotation n'étant pas les mêmes, la compensation sera réalisée par les longueurs différentes des aimants d'un disque à l'autre afin que le décalage initial nécessaire au fonctionnement, soit maintenu pendant la rotation. |
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La forme des aimants peut fortement influer sur le résultat. En voici quelques exemples. |
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| En utilisant des formes particulières d'aimants et de supports on peut concevoir un fonctionnement différent. Les deux roues sont solidaires de roues dentées de manière qu'elles s'entraînent mutuellement sans que leurs dents et donc leurs aimants se touchent. Seules les forces exercées sur la grande roue sont représentées. Comme dans les autres dispositions, les forces exercées sur la petites roue sont de mêmes directions, de mêmes intensités et de sens contraires mais le couple agissant sur la petite roue est plus faible que celui agissant sur la grande roue, d'où un déséquilibre permanent et la rotation des roues. |
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Les effets de l'interposition d'un matériau ferromagnétique entre deux aimants opposant la même polarité: Les essais sont réalisés avec des aimants de 20 x 25 x 10mm (force d'adhérence environ 15kg) et des tronçons de barreau d'acier standard de 15 x 15mm. - 1er essai: un barreau de 20mm de long est appliqué contre l'aimant (1), le barreau se colle à l'aimant, - on approche l'aimant (2) posé sur un plan horizontal lisse et on le tenant à la main on peut sentir un faible effet de répulsion à environ 160mm du barreau, - en approchant l'aimant (2) de l'ensemble barreau et aimant (1), la force de répulsion augmente jusqu'à être maximale à environ 10mm du barreau, - puis subitement il y a disparition de la force de répulsion, - en approchant encore un peu l'aimant (2) il apparaît une force d'attraction qui augmente avec l'approche du barreau, - l'aimant (2) se colle au barreau. - 2ème essai: on procède comme dans l'essai précédent mais cette fois avec un barreau dont la longueur est de 40mm, les résultats obtenus sont semblables avec une différence dans la position du seuil entre la répulsion et l'attraction: ici ce seuil est à environ 12mm. |
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- 3ème essai: on procède comme dans le premier essai mais cette fois avec un barreau dont la longueur est de 60mm, les résultats obtenus sont semblables avec une différence dans la position du seuil entre la répulsion et l'attraction: ici ce seuil est à environ 13mm. - 4ème essai: on procède comme dans l'essai précédent mais cette fois avec un barreau dont la longueur est de 80mm, les résultats obtenus sont semblables avec une différence dans la position du seuil entre la répulsion et l'attraction: ici ce seuil est à environ 15mm et le début de la répultion ne se sent qu'à 130mm. - 5ème essai: on met en présence deux barreaux de longueurs 60 et 80mm, - le deuxième barreau se colle au premier, - en approchant l'aimant (2) les effets de répulsion puis d"attraction sont toujours présents comme dans le premier essai, - mais la distance de répulsion diminue encore alors que la distance d'apparition du seuil augmente et passe ici à 20mm. - 6ème essai: 4 barreaux sont mis en présence, - ils se collent là où on les a disposés, - le seuil augmente encore et passe à 25mm. - 7ème essai: 3 barreaux sont mis en présence disposés en U, - les réactions sont identiques à celles des essais précédents, - le seuil se situe à une distance, ici 20mm, proportionnelle à la longueur totale du barreau. - 8ème essai: un barreau de 20mm est disposé devant l'aimant (1) et un barreau de 60mm est disposé derrière l'aimant (2), - la valeur du seuil diminue nettement et passe à 5mm. |
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- 9ème essai: lorsqu'on augmente la longueur du barreau derrière l'aimant (2), - le seuil se rapproche encore, ici 3mm, et on est presque en contact entre le barreau collé à l'aimant (1) et l'aimant (2) sans qu'il y ait attraction, - au-delà des 3mm, la force de répulsion est maximum. - 10ème essai: le barreau ne touche aucun des aimants, il en est proche; avec le même barreau de 20mm et les mêmes aimants indiquent un seuil à 10mm, - 11ème essai: avec le même montage plus un barreau derrière chaque aimant réduit le seuil à 6mm environ. |
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Application au convertisseur à aimants: Entre les deux roues (1) et (2) portant des aimants est interposé un conducteur de champ magnétique (3) réalisé par exemple en acier. Comme il a été vu ci-dessus, la distance entre (3) et les aimants doit être étudiée car il ne s'agit pas ici d'être au plus près des aimants pour être plus efficace. Au fur et à mesure de la rotation des roues plusieurs cas de figure vont se présenter tantôt en attraction, tantôt en répulsion et tantôt en attraction et répulsion. Il faut donner à (3) une forme qui favorise la rotation de manière à attirer les aimants de la grande roue pendant qu'ils arrivent devant (3) puis, et surtout, en repoussant ces même aimants lorsqu'ils sont en train de quitter (3) grâce aux champs magnétiques engendrés par les aimants de la petite roue. Pour s'en tenir au résultats ci-dessus, on a avantage à réaliser le coeur des roues (14) et (15) en matériau ferromagnétique pour augmenter les effets des champs magnétiques des aimants. Un seul conducteur de champ magnétique a été représenté mais on peut en disposer plusieurs. En fonctionnement inverse, pour limiter des champs magnétiques qui ne sont pas favorables, on peut disposer des écrans ferromagnétiques tels que (5) à distance respectable pour ne pas freiner la grande roue ou plus près tel que (4) qui combine le champ des aimants entre les deux roues comme (3) mais ici surtout pour attirer les aimants de la grande roue alors que (3) agirait plutôt sur la répulsion. (6) est aussi un conducteur de champ magnétique mais dont le flux est géré par un bobinage (9) ce qui permet,de plus, d'agir sur la vitesse de rotation des roues comme vu plus haut. |
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Chaque conducteur de champ magnétique peut être divisé en au moins deux parties afin de gérer le fonctionnement de manière plus fine. Ici (6) est divisé en (10) et (11) gérés par les bobines (12) et (13) Bien entendu il ne s'agit pas ici non plus de recréer un moteur électrique sous une nouvelle forme. La valeur de l'énergie électrique utilisée dans le bobinage doit être inférieure à celle que l'on peut tirer de l'ensemble grâce au couple généré par le convertisseur à aimants qui doit rester un générateur, pas un moteur. |
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Autre solution pour générer de l'attraction pour les aimants qui approchent et de la répulsion pour ceux qui sont passés devant leur vis-à-vis et qui partent pour un autre tour: La figure 1 montre un aimant dans le conducteur de champ magnétique, qui tourne sur lui-même et dont la rotation est liée à celle des autres roues par exemple par des roues dentées. Sa rotation nécessite une énergie mécanique qui peut être faible si le réglage entre le passage des aimants est correct mais cette énergie est à déduire de celle que produira le convertisseur. La figure 2 montre un montage où un aimant (1) tourne sur-lui même ainsi qu'un aimant (2) auquel il est lié dans la rotation par une liaison mécanique (3) qui peut être des roues dentées ou une courroie crantée. L'aimant (1) a en prépondérance pour fonction l'attraction alors que le rôle de (2) est surtout la répulsion. En équilibrant leurs positions angulaires par rapport aux dimensions des aimants des deux roues, on peut faire tourner (1) et (2) pratiquement sans dépense d'énergie, la rotation de l'un s'opposant à la rotation de l'autre et l'un entraînant l'autre. Les figures ne servent qu'à la compréhension, les dimensions et les positions restent à déterminer au cas par cas. |
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Autre solution: pour obtenir le meilleur résultat en attraction et en répulsion, la roue menée (2) comporte plusieurs roues comme (3) et (4) comportant au moins un aimant. Le nombre de ces roues peut être le même que le nombre d'aimants de la roue menante (1) ou pas et leur rotation est liée à celle des roues principales. Les différentes roues sont entraînées en rotation par des roues dentées dont elles sont solidaires ou des chaînes ou des courroies crantées. Pour la clarté des dessins, les moyens d'entraînement comme les roues dentées ne sont pas représentées. On peut ainsi positionner les aimants au mieux au fur et à mesure de la rotation des roues. Ici aussi une certaine énergie est nécessaire pour faire tourner les roues portées (3), (4)... sur elles-mêmes, un équilibre entre les roues est nécessaire pour que cette énergie soit faible. |
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| Cliquer ICI si vous ne voyez pas la vidéo 5 |
12 aimants........ Le couple est insuffisant. Pour un bon résultat il faudra réduire le jeu entre les roues dentées et utiliser des aimants dont les dimensions correspondent entre les deux roues: pour cet essai, les aimants utilisés sur la roue 2 ont été prévus pour un autre montage et sont en nombre insuffisant mais de toute façon leurs dimensions font qu'un décalage dans la position des deux roues se crée au fur et à mesure de la rotation. C'est ainsi que le couple diminue et après 1/2 tour la roue 1 s'arrête de tourner. D'autres prototypes présenteront des aimants différents, plus adaptés. |
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Montage photo: Une des solutions possibles consiste à utiliser le montage précédent en ajoutant des roues menées (petites roues). Dans les vidéos ci-dessus, avec une seule roue menée, le premier aimant de la roue menante est comme aspiré puis chassé dans le même mouvement de rotation de la roue en début de rotation puis le couple diminue et la roue s'arrête au bout d'un demi-tour dans l'exemple 5. En disposant, par exemple, 4 roues menées, à chaque quart de tour, la roue menante peut être relancée surtout par le premier aimant de la série. Ainsi la rotation peut être continue si on respecte avec précision la position angulaire de chaque roue menée. On peut voir sur la photo qu'il est possible d'ajouter d'autres roues menées et ainsi d'augmenter le couple qui entraîne les roues en rotation. Il reste à réaliser un prototype pour vérifier cette possibilité de fonctionnement. |
Les études se poursuivent. A suivre...... |
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