Alternateur de Goldschmidt

Vers 1900, on s'est rendu compte que la technologie existante pour générer des ondes radio, l'émetteur à étincelles, était inadéquate parce qu'elle générait des ondes amorties. Des efforts ont été faits pour concevoir un émetteur qui générerait des "ondes continues" sinusoïdales, parce qu'elles pourraient être reçues à plus longue distance, et qui pourrait également être modulé pour transmettre un signal audio (voix) en plus du code morse. En 1891, Frederick Trouton a fait remarquer que si un générateur de courant alternatif (alternateur), qui produit du courant alternatif, pouvait être construit pour fonctionner suffisamment vite, avec suffisamment de pôles magnétiques sur son armature, il générerait un courant alternatif dans la gamme des fréquences radio. Si ${\displaystyle P}$ est le nombre de paires de pôles et ${\displaystyle U}$ la vitesse de rotation en tours par seconde, la fréquence ${\displaystyle f}$ en hertz du courant produit par un alternateur est la suivante :

${\displaystyle f=P.U\,}$

Un certain nombre de chercheurs, à commencer par Elihu Thomson et Nikola Tesla, ont essayé de construire des alternateurs radio, mais ils ont été incapables de produire des fréquences supérieures à 15 kHz en raison des problèmes d'ingénierie liés à la construction d'une machine avec de nombreux pôles qui tournerait suffisamment vite^[4]. En 1906, Reginald Fessenden et Ernst Alexanderson de General Electric ont commencé à résoudre les problèmes et à construire des alternateurs capables de produire des fréquences dans la gamme radio, au-dessus de 20 kHz. Cependant, l'alternateur d'Alexanderson fonctionnait à des vitesses extrêmement élevées ; pour atteindre 100 kHz avec un rotor de 300 pôles, il fallait une vitesse de rotor de 20 000 tours par minute, ce qui était à la limite des capacités techniques de l'époque^[4]. Il fallut attendre 1916 pour que les machines d'Alexanderson atteignent la puissance élevée nécessaire pour les communications transatlantiques, et elles étaient extrêmement complexes et coûteuses.

En 1908, l'ingénieur de Westinghouse Rudolf Goldschmidt a conçu une méthode complexe pour permettre à un alternateur de générer des fréquences élevées sans nécessiter de vitesses excessives^[1]. Sa technique consistait à exploiter la résonance et la saturation non-linéaire du rotor en fer pour utiliser l'alternateur comme multiplicateur de fréquence ainsi que comme générateur^[1],[3],[5]. En attachant des circuits accordés appelés circuits "réflecteurs" aux enroulements du stator et du rotor, Goldschmidt a découvert qu'un alternateur pouvait être amené à produire une puissance de sortie à un multiple (harmonique) de sa fréquence de rotation fondamentale ${\displaystyle P.U}$^[3]. La fréquence de sortie de l'alternateur de Goldschmidt était la suivante

${\displaystyle f=N.P.U\,}$

où ${\displaystyle N}$ est un petit nombre entier, le nombre harmonique ${\displaystyle N}$ était limité à 4 dans la plupart des machines pratiques, car les pertes dues aux fuites de flux augmentaient rapidement avec l'augmentation de ${\displaystyle N}$. Ainsi, une machine de Goldschmidt de 100 kHz avec ${\displaystyle P}$ = 300 pôles nécessiterait une vitesse de rotor de seulement ${\displaystyle U}$ = 5000 RPM, soit un quart de celle d'une machine d'Alexanderson équivalente. Un rendement de 80 % pourrait être atteint, mais pour maintenir la fuite de flux suffisamment basse, la machine nécessiterait un espace très étroit de 0,8 mm entre le stator et le rotor, qui pourrait peser 5 tonnes et se déplacer à une vitesse périphérique de 200 mètres par seconde^[3],[4]. Un autre défi était que pour réduire les pertes par hystérésis dans le rotor en fer aux fréquences radio, celui-ci devait être constitué de feuilles très fines, d'une épaisseur de 0,05 mm (.002 in), séparées par des feuilles de papier^[3], de sorte que le rotor était composé de plus d'un tiers de papier. Aucun rotor de cette construction n'avait jamais été utilisé dans une grande machine. La limite de la fréquence de sortie des alternateurs de Goldschmidt, ainsi que d'autres technologies d'alternateurs, était d'environ 200 kHz. Les problèmes mécaniques ont finalement limité l'utilisation des machines Goldschmidt.

La machine a été développée et fabriquée par la société allemande Hochfrequenz-Maschinen Aktiengesellschaft für Drahtlose Telegraphie ("Homag") et a été principalement utilisée en Europe. La machine de Goldschmidt, comme celle d'Alexanderson et d'autres transmetteurs à alternateur, était principalement utilisée pour les stations à ondes longues de grande puissance qui transmettaient des messages de radiotélégraphie, à la fois des stations commerciales qui géraient le trafic privé et des stations navales qui permettaient aux gouvernements de rester en contact avec leurs colonies et leurs flottes navales. La première machine de Goldschmidt au Royaume-Uni, un émetteur de 12 kW, 60 kHz a été installée à Stough en 1912^[1]. Une unité de 100 kW, 400 pôles (en haut de page) a été mise en service à Eilvese, Neustadt am Rübenberge, en Allemagne, et la première machine aux États-Unis était une unité similaire de 120 kW, 400 pôles, 40,5 kHz à Tuckerton, New Jersey^[3]. La machine à Eilvese était le principal canal de communication de l'Allemagne avec le monde pendant la Première Guerre mondiale, et a été utilisée par l'empereur Guillaume II et le président américain Woodrow Wilson pour négocier l'armistice qui a mis fin à la guerre.

L'apogée des grands émetteurs radio à alternateur se situe aux alentours de 1918. La Première Guerre mondiale avait fait prendre conscience aux nations de l'importance stratégique des communications radio, car sans elles, elles pouvaient facilement être isolées par des ennemis coupant leurs câbles télégraphiques sous-marins. Cela a précipité le boom de la construction de grandes stations radio transcontinentales à alternateur dans l'après-guerre. Cependant, ces mastodontes coûteux étaient obsolètes alors même qu'ils étaient installés. L'invention de la lampe triode en 1906 par Lee De Forest, et du circuit oscillateur électronique en 1912 par Edwin Armstrong et Alexander Meissner a rendu possible des émetteurs à tube à vide plus petits et moins chers qui, à la fin de la Première Guerre mondiale, pouvaient produire autant d'énergie radio que les alternateurs. En 1921, la société Marconi avait installé des émetteurs à tube à vide de 100 kW pour le trafic de messages transatlantiques dans ses stations de Carnarvon, au Pays de Galles, et de Glace Bay, à Terre-Neuve. En raison de leurs énormes coûts d'investissement, les anciens émetteurs à alternateur sont restés en usage pendant les années 1930 et ont été utilisés pendant la Seconde Guerre mondiale pour communiquer avec les sous-marins. On ne sait pas quand la dernière machine de Goldschmidt a été mise hors service.

L'alternateur de Goldschmidt était l'un des nombreux types de machines rotatives "à fréquence radio" utilisées comme émetteurs radio pendant les deux premières décennies du 20^e siècle^{[6], [3],[7],[4]}. Les émetteurs à alternateur produisaient un signal plus "propre" avec moins d'harmoniques que leur principal concurrent, l'émetteur à arc Poulsen, de sorte qu'ils étaient utilisés dans les stations de radiotélégraphie les plus puissantes^[8]. Les machines différaient par la façon dont elles résolvaient le problème fondamental de produire des fréquences suffisamment élevées sans dépasser les capacités mécaniques des machines tournantes^[9] :

• Alternateur d'Alexanderson - Inventée par Ernst Alexanderson chez General Electric en 1911, cette machine avait un rotor qui tournait à une vitesse suffisamment élevée pour produire directement le signal de radiofréquence^[4]. C'était probablement le type le plus utilisé. Cependant, la vitesse de rotation élevée requise, environ 20 000 tours par minute^[4], rendait la conception mécanique très compliquée, nécessitant un stator refroidi à l'eau et une lubrification forcée à l'huile. La mise au point de l'alternateur d'Alexanderson a pris 10 ans et a été très coûteuse. Il a été produit par General Electric et utilisé par sa filiale RCA et par la marine américaine.
• Alternateur de Bethenod-Latour - Inventé par Joseph Bethenod et Marius Latour à la Société Française Radio-électrique, cette machine avait deux ou trois rotors sur le même arbre^[3]. Le courant de sortie du premier rotor, à la fréquence fondamentale ${\displaystyle f=P.U}$ était appliqué aux bobines de champ du deuxième rotor, produisant un courant à la fréquence ${\displaystyle 2f}$. La sortie du deuxième rotor a été appliquée aux bobines de champ du troisième rotor, produisant une sortie à ${\displaystyle 3f}$. Le rotor nécessitait une lubrification forcée à l'huile et le boîtier devait être partiellement évacué pour réduire les frottements. A St. Assise à Paris, des machines de Bethenod de 25 kW, 250 kW, 500 kW étaient utilisées^[3].
• Alternateur de Joly-Arco - Dans cette machine, inventée par Georg von Arco vers 1911, l'alternateur produisait son signal à une fréquence fondamentale plus basse, et la fréquence était multipliée 2 à 4 fois dans des doubleurs de fréquence magnétique séparés ^[3], inventés par Vallauri^[10] et Maurice Joly^[11] en 1911^[12] un transformateur non linéaire dont le noyau de fer était magnétisé par un courant continu dans un enroulement auxiliaire, ce qui produisait une harmonique de la fréquence fondamentale^[4]. Ce dispositif a été développé par Telefunken/AEG^[3] et a été installé dans leurs stations de télégraphie sans fil transatlantique à Sayville, Long Island, USA et à Buenos Aires, Argentine^[4],[13]. Parmi les plus grands, on peut citer deux alternateurs de 400 kW installés en 1916 à la station d'émission de Nauen, Nauen, Allemagne, qui généraient un signal de 6 kHz à 1200 ampères avec un alternateur de 7 tonnes de 1,65 m de diamètre tournant à 1500 RPM, qui était porté à 24 kHz avec deux doubleurs magnétiques refroidis à l'huile. Nauen était le principal canal de communication de l'Allemagne pendant la guerre, et les alternateurs ont été utilisés tout au long de la Seconde Guerre mondiale pour communiquer avec les sous-marins.

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