1 000 000 VOLTS

Le générateur électrostatique de Felici et le générateur Felici-Gartner

(Felici's electrostatic generators, circa 1960 )


  Entre 1942 et 1970 le chercheur français Noël J. Felici a developpé une série de générateurs électrostatiques de forte puissance, en utilisant une excitation électronique et des cylindres tournant à grande vitesse dans des enceintes pressurisées à l'hydrogène.

  Between 1942 and 1970, the French reasearcher Noel J. Felici developed a series of high-power electrostatic generators, based on electronic excitation and using cylinders rotating at high speed and hydrogen in pressurized containers.

  Exemple d'un générateur Félici de 80 kV  SAMES 80 en démonstration à Versailles ( Universcience , Palais de la Découverte, Dailymotion )

Généralités sur les générateurs électrostatiques

  Ce sont des convertisseurs de travail mécanique en énergie électrique ( comme leurs cousins les générateurs électromagnétiques ) .

  Dans tous les générateurs électrostatiques, la haute tension est engendrée par le déplacement mécanique de charges électriques déposées sur un composant mobile nommé «transporteur». Comme, en électrostatique, les matériaux conducteurs et isolants peuvent être également électrifiés, les générateurs électrostatiques peuvent être regroupés dans les deux catégories suivantes:

• Les générateurs à transporteurs conducteurs;
• Les générateurs à transporteurs isolants.


1- Les générateurs à transporteurs conducteurs sans frottement : sont des sortes de condensateurs à capacité variable dont les lames mobiles sont des électrodes transporteuses, chargées et déchargées par un système de commutation à brosse ( ou peigne ) et à collecteur. Il y a un certain nombre de secteurs, segments, barres, conducteurs, isolés les uns des autres, et montés sur une roue isolante. La charge et la décharge se font simplement par contact temporaire avec des contact fixes, ou balais. C'est par exemple:

2- Les générateurs à transporteurs isolants  :  un disque ou une courroie ou un cylindre isolant. Les charges qu'on dépose sur un isolant y adhèrent et restent au même endroit, ce qui permet de les déplacer avec le transporteur sans aucune difficulté. Mais pour déposer ou enlever les charges, le contact ne suffit plus. On ionize le gaz au voisinage du transporteur par un peigne ou un fil. Les charges (ions)  sont déposées et transportées à la surface du composant isolant. Le dépôt et l'extraction des charges sont assurés par une ionisation locale du gaz ambiant, sans utilisation du frottement.

In all electrostatic generators, the high voltage is generated by the mechanical displacement of electric charges held on a mobile component named «carrier». Since in electrostatics conducting and insulating materials can be electrified equally, electrostatic generators can be groupe into the following two categories: 

Description de la génératrice Felici-Gartner à cylindre isolant

Cette machine électrostatique compacte diffère du générateur de Félici de la première période.
Cette machine électrostatique compacte diffère du générateur à courroie Van de Graaff.

Plutôt qu'une courroie ( générateur Van de Graff )  c'est ici un cylindre à parois minces ( quelques millimètres d'épaisseur),  en matière isolante, qui tourne à grande vitesse ( jusqu' à 80 m/s) autour d'un stator cylindrique légèrement conducteur, laissant un interstice très faible ( fraction de mm), et qui est l'équivalent des anneaux équipotentiels des machines Van de Graaff. 

La charge et la décharge du cylindre sont assurée par de minces lames d'acier, disposée à l'intérieur du cylindre parallèlement à son axe, et influencées par des inducteurs métalliques se trouvant à l' intérieur du stator. La machine est fréquemment multipolaire ( jusqu'à 16 pôles), c'est pourquoi elle peut donner des courants relativement intenses. L'hydrogène ( 15 a 25 atmosphères) facilite beaucoup le phénomène de charge et de décharge grâce à la mobilité de ses ions.

La génératrice Felici-Gartner est bien adaptée à la production de tensions de 50 kV à 1000 kV avec des intensités jusqu'à 50 voire 100 mA. Elle a été utilisée dans l'accéleration des neutrons ( Accélérateurs de neutrons SAMES™ modèles T400 et  J15 et J25 ).
Schéma fonctionnel de la
                  machine de Felici
Fig 1
Fig 2 Generator and its driving motor

La génératrice utilise un transporteur isolant cylindrique (composite époxy) R [fig 1] Les dimensions du tambour sont classiquement de 140 mm de diamètre ( et jusqu'à 300 mm ), 220 mm de longueur, 0.3 mm d'épaisseur. Les électrodes ( ionisateur de charge et ionisateur de débit) sont disposées le long de génératrices diamétralement opposées. L'ensemble est placé dans une enceinte d'hydrogène sous pression. Ni la disposition cylindrique, ni l'hydrogène ne sont très favorables à l'obtention de tensions très élevées; en revanche, la puissance spécifique et le rendement sont supérieurs à ceux de tous les autres générateurs électrostatiques. La forme cylindrique assure une excellente définition geométrique de la machine qui est ainsi très compacte. Les tensions sont de 80 a 1000 kV et les courants de l'ordre de 0.2 à 14 mA.

Principles of operation 

Electrostatic generators of the «insuling carrier» type convert mechanical energy directly into d.c. high voltage electrical energy by utilizing the charge (ion ) transfer effect in an electric field.

An electric charge placed in a field is subjected to a force. If the charge is mechanically displaced in a direction opposite to this force, the potential of the charge will increase and the mechanical work done will be converted into electrical energy. This energy conversion serves as the basis of operation of all electrostatic generators.
Charge in a field

The Felici's generator unit is comprised of three main parts :

Rotor : a hollow cylinder made of insulating material. Electric charges are deposited on the surface of the rotor which is generally driven by an electric motor to effect the transfer of charges in the field. This is the only moving part in the generator.

Ionizers : extremely thin metallic blades placed in dose proximity to the rotor. The charging ionizers generate and deposit the electric charges while the discharging ionizers draw off the charges that have been carried on the surface of the rotor.

Inductors : the purpose of the inductors is to induce a strong electric field on the sharp edge of the ionizers. Excitation inductors hold the electric charges on the rotor whereas the extracting inductors withdraw them. The inductors are, in fact, found « hidden » behind a slightly conductive cylinder (made of special glass) so that the inductors can fulfill their functions without creating local concentrations of the electric field.

The rotor passes successively opposite the charging and discharging ionizers where the rotor is respectively charged and discharged. These operations can take place once or several times per revolution depending upon the number of poles of the generator. The number of poles corresponds to the number of ionizers- or the number of inductors on the other side - around the rotor. Thus, the rotor of a two-pole generator is charged and discharged once per revolution; the rotor of a 2n-pole generator n times per revolution.

ln the operation of electrostatic generator, an auxiliary «excitation generator» is used to apply a sufficient potential difference between inductors and charging ionizers in order that a strong electric field appear on the edge of the ionizer to create local ionization.

The excitation voltage of the generator unit - in order of 20 to 30 kV - is furnished by a small auxiliary generator of very low power that provides practically no current. This auxiliary generator, usually of a standard rectifier type, excites the electrostatic generator either directly or through the intermediary of an another small auxiliary electrostatic generator serving as an amplifier.

It is interesting to note that the mechanism of deposition and extraction of the ionic charges, known as commutation, functions without any material contact. The cylindrical rotor, the only moving part, rotates between the ionizers and the low-conductivity cylinder covering the inductors, all being very close to each other - some few thousands of an inch.

Under the influence of the excitation inductors, some electric charges ( ions) arc deposited on the rotor by the charging ionizers and will thus be driven by the rotor in a tangential electric field.

While the potential of the charges is increasing during the transfer, mechanical work is being converted into electrical energy.

The charges, after traversing a distance equivalent to one «pole pitch», will be removed from the rotor by the discharging ionizers in order to supply the load circuit.

An efficient structure is formed of a highly insulating cylindrical rotor running around a slightly conductive (soft glass, 1012 ohm cm) cylindrical stator, the gap being 0.01/0.02 in.

The insulating gas is 0.9999 pure hydrogen, free from chlorinated compounds, at 10-25 atm. The linear speed v of the rotor is 10-50 m/s. Commutation is performed by 0 - 0012 in. steel blades, facing metallic inductors which are in good electrical contact with the glass cylinder.

Various unit, have been developed in the range of 30-3000 W, voltage 50-600 kV.

Several units can be easily associated in series as well as in parallel.

Efficiency is 0.85-0.95.

For electronic control of such generators is very easy, with high voltage low-power triodes. Standard units have voltage stability 1 per cent and regulation 1 per cent over the whole current range; "stabilized" units exhibit an overall voltage fluctuation less than 1 part in 105 .

Electrical hazard is absolutely negligible, unless a strong capacitor is connected to the terminals.


General description

Current Felici-Gartner's generators, supplied from an a.c. source, contain all the parts necessary for proper functioning of the electrostatic generator, regulation and adjustment of the output voltage and protection of the various circuits.

SAMES™ generators are comprised of two essential and distinct sections: the hermetically sealed unit and the auxiliary systems.

Hermetically sealed unit

The hermetically sealed unit is contained in a perfectly air-tight cylindrical reservoir. pressurized by extremely pure hydrogen under a pressure of 10 to 25 atmospheres. The hermetically sealed unit consists of the following component parts:

All high voltage systems are grouped in the pressurized compartment to make use of the dielectric properties of hydrogen. The hermetically sealed unit forms a compact assembly, sealed from external atmospheric conditions. The unit is penetrated at two ends: by the low or relatively low voltage connections at one end (motor power line, primary excitation. and divider resistor output) and by the high voltage outlet at the other.
It is noted that the pressurization is made once for all. The hermetically sealed unit requires no maintenance
(particularly the pressure of the gas) and should be considered as a standard assembly capable of being replaced as a unit.

Auxiliary systems

The hermetically sealed unit requires for its operation as mentioned above. a certain number of auxiliary systems and circuits. These systems and circuits pertain to electronic, low or relatively low voltage operations; consequently, they are placed outside the hermetically sealed unit. They include, in particular. the following:


All these systems are grouped in the form of special and standard chassis assembled in a package, which, in the case of small or medium power generators, also contains the hermetically sealed unit.

The control desk, on the other hand, can be either incorporated in the package or remotely controlled. The control desk contains all control and measuring circuits: start, stop, high voltage adjustment knobs, kilovoltmeter, milliammeter, etc.

Sizes

The generator is comprised, in general of a hermetically sealed unit selected from the standard units together with the external circuits designed to fulfill the requirements of a particular appli­cation. Similar hermetically sealed units may therefore be found in various generators, for example, in medium or high stability units with the same outputs.

 The standard hermetically sealed units are designated by the « caliber" of the generator, which is a number corresponding to the diameter in millimeters of the charge-carrying rotor. The caliber, to a first approximation, defines the available power of the generator.

 A generator of certain size can be represented, however, by several variables. depending upon the number of poles (usually 2, 4, 6 or 8). The available power is thus broken down into the para­meters of voltage and current.



Cylinder size ( mm) 140 140 140 240 240 300 300
Available approx. power 300 W 400 W 385 W 2 kW 2 kW 2.5 kW 2.5 kW
Number of poles
2
4
6
4
8
2
4
Max. voltage ( kV)
300
160
110
250
140
600
300
Max. current ( mA)
1
2.5
3.5
7
14
4
8





Special features

The performance and adaptability to industrial use of Felici generators originate from a special conception based essentially on the following features :

The use of extra-pure hydrogen under pressure (10 to 25 atmospheres) as a dielectric assures excellent insulation while at the same time providing good commutation, due to the high mobility of the ions. The use of hydrogen also has mechanical advantages such as the reduction of losses, the assurance of cooling and the remarkably low rate of wear of the metallic or insulating parts.

- The cylindrical form of the component parts provides an excellent geometrical configuration.
- A rather thick stator cylinder made from slightly conductive material (approximately 1012 ohm cm) avoids local concentrations of the electric field.

Some details

The output current is proportional to the active surface of the rotor, the speed of rotation, the number of poles and the density of the electric charges deposited on its surface. This density varies rapidly with the applied excitation voltage between the inductors and the charging ioni­zers. It is by means of this voltage that regulation is accomplished (see below).

The maximum voltage is approximately proportional to the distance between poles (hence, for a given rotor diameter, inversely proportional to the number of poles) and the allowable tangential electric field.

The efficiency of electrostatic generators is remarkably high. The mechanical losses are negli­gible (operation in hydrogen). The only appreciable electrical losses are those caused by the voltage drop between the ionizers and the rotor. In a motor-generator set, it is the motor that limits the efficiency.

Perspective historique

En France, à Grenoble, entre 1945 et 1960, le laboratoire d'Electrostatique du Centre National de la Recherche Scientifique , CNRS, s'est attaché à une étude systématique des générateurs électrostatiques, afin d'en tirer la maximum au point de vue énergétique, et d'en permettre l'emploi dans les applications courantes ( rayons X , peinture électrostatique, essais électriques, etc.). Ces recherches (celles de  Noël J. Felici, Elie Gartner, Morel ) ont conduit à un modèle assez différent de la machine à courroie ( Van de Graaff), car l'organe mobile est ici un cylindre creux, et le gaz comprimé d'isolement est de l'hydrogène pur. La S.A.M.E.S., Société anonyme de Machines Electrostatiques, créée en 1947, a développé pour le CNRS ( physique des particules , physique nucléaire) ces génératrices électrostatiques de grande puissance, de faible encombrement et de bon rendement . La fabrication de ces unités est terminée.

Plaquette de la S.A.M.E.S.

Patents / Brevets

FR 1051430 US 2675516 US 2523689 US 2702869

Bibliographie / Bibliography

1 Felici N. J. - Elektrostatische Hochapannungs-generatoren-1957 , Karlsruhe: G.Braun.

2 Felici N. J - Ten years of research on electrostatics at the University of Grenoble 1942-1952 - British Journal of Applied Physics - 1953 (PDF)

3 Félici N. J - Progrès récents dans l'application industrielle des générateurs électrostatiques - Annales des Télécommunications, février 1954, Volume 9, pp 44-55

Dans cet article, l’auteur fait un exposé historique de l’évolution des idées selon lesquelles il étudie et réalise depuis1942, à Grenoble, des machines électrostatiques industrielles. Les principes de base des machines électrostatiques étant brièvement rappelés, il indique pourquoi il s’est d’abord intéressé aux machines à transporteurs conducteurs du type de celle deToepler. Il explique les difficultés qui l’ont conduit à renoncer aux premiers modèles à secteurs plans au bénéfice des modèles cylindriques, dont trois types [étaient alors]  fabriqués par la S. A. M. E. S. Il montre ensuite comment, par l’intermédiaire de dispositifs à barres conductrices noyées dans un isolant, il a été amené, en 1950, à en venir aux machines à transporteur isolant, qui avaient initialement été laissées de côté. Cela a été possible grâce aux excellentes propriétés mécaniques et isolantes de l’araldite, aux caractéristiques mécaniques et à la très faible conductibilité du verre, ainsi qu’aux avantages que présente une atmosphère d’hydrogène sous pression. Les nouvelles machines construites sur ces principes se distinguent par des qualités de puissance, de robustesse et d’innocuité, ainsi que par le fait qu’elles fournissent un courant rigoureusement continu. L’auteur termine par un rapprochement suggestif entre ces machines et certains dispositifs radioélectriques.

4 Felici N.J - Recent Developments and Future Trends in Electrostatic Generation - Direct Current, Dec 1959, Vol 4,n°7

5 Felici N.J- Generators, electrostatic, for d.c. power output- Encyclopaedic Dictionary of Physics - Pergamon Press

6 Felici N.J- L'avenir de la generation electrostatique - colloques du CNRS , Grenoble , 1960

7 Dittrich W., Felici N. -Abatement of High-Field Conduction in Liquid Dielectrics by Electrode Conditioning with Non-lonic Cage-Forming Polymers : A Novel Avenue to High-Power Engineering

Biographie

 Noel Felici sur Wikipedia (fr)

Louis Néel, Un siècle de physique, Éditions Odile Jacob, 1991, 365 pages  [ Louis Néel est le fondateur du laboratoire d'électrostatique et de physique de Grenoble ] - Consulter les paragraphes consacrés à Felici : .

Les débuts de Félici à Grenoble

« Félici arrive au laboratoire en 1942, précédé d'une réputation flatteuse : son portrait figurait parmi ceux des majors à l'X ou à l'ENS, gloires des taupes du lycée Saint-louis, qui tapissaient l'antichambre du proviseur. »

Les génératrices électrostatiques à transporteurs conducteurs

« [Au début de 1943 Félici] me fit part de ses idées sur la conception rationnelle des génératrices électrostatiques et d'un projet de prototype original. [...] Félici proposait une machine à influence, à transporteurs conducteurs, du genre de celle de Toepler, soit en somme un condensateur à capacité variable, qu'on chargeait au moment où celle-ci était maximale et qu'on déchargeait quand elle était minimale en profitant de la multiplication de la différence de potentiel par le rapport des capacités extrêmes. A la pression atmosphérique, la puissance volumique d'une telle machine est dérisoire, mais à la pression de 20 atmosphères elle est multipliée par 400. [...] La première génératrice, d'une puissance d'un dixième de watt sous 20 kV, fut achevée au cours du printemps 1943. »
Changement de cap : les transporteurs isolants

« [ Après les échecs d'isolation des grosses machines à transporteurs conducteurs ] Félici se pencha alors vers les machines à transporteurs isolants et après en avoir analysé le fonctionnement, réussit en 1951, date des premiers brevets, à fabriquer une machine débitant 350 mA sous 200 kV, dont la puissance de 70 W était sept fois plus grande que celle de son homologue à transporteurs conducteurs de même dimensions. [...] Ces nouvelles génératrices fonctionnaient aussi sous pression. Elles possédaient, pour l'essentiel, un rotor constitué par une cloche cylindrique en céramique ou en verre, tournant à l'extérieur d'un stator fabriqué avec un matériau légèrement conducteur. Il était ainsi possible de répartir d'une façon convenable et régulière les potentiels d'excitation. [...] L'air comprimé donnait de mauvais résultats, en raison de la formationd'ozone au voisinage des peignes qui servaient à collecter le courant. En revanche , l'hydrogène était excellent. On disposait finalement d'une bonne génératrice, fiable, robuste et de grand puissance spécifique. Au surplus, la tension pouvait être stabilisée avec une précision susceptible d'atteindre le cent-millième. »

Les diélectriques liquides

« La puissance de ces génératrices était limitée par la dimension des cloches de céramique disponibles. Pour l'augmenter d'une manière significative, il fallait remplacer le diélectrique gazeux par un liquide polaire de constante diélectrique considérablement plus grande. Ceux du commerce étaient beaucoup trop conducteurs. Félici et son équipe réussirent à augmenter leur résistivité de 2 ou 3 ordres de grandeur par des techniques modernes de purification comme les échangeurs d'ions. Il réussit ainsi à utiliser du nitrobenzène dans des cellules de Kerr et à réaliser des interrupteurs optiques très performants. »

« Il était malheureusement trop tard pour appliquer ces résultats à l'électrostatique de puissance et à l'obtention de courants continus. Les progrès de l'électronique et des redresseurs de courant permettaient de se passer des génératrices de Félici.»

Télécharger : Louis Néel et le magnétisme à Grenoble , Récit de la création d'un empire dans la province française 1940-1965  ( Reprint de Cahiers pour l'histoire du CNRS, 1990 - 8)
   Par Dominique Pestre ( CNRS) : cf chapitre 3 Les années d'enthousiasme pour les machines de Félici, 1945 - 1948.

Georges Frick - Machines électrostatiques - Techniques de l'ingénieur, traité Génie électrique ( 26 pages )


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