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PRF'.FC'IU2TNlty:NTS AUX INDUITS lu ENROULEMENT EN TAMBOUR DES 11AOHINES HLE o TR O-DY1T AlvII Q1 S .
L'invention est relative à une construction perfectionnée des machines dynamo-électriques.
Dans les brevets anglais Nos 327249 et 328722,il a été précédemment proposé de réaliser à la fois l'inducteur et l' induit au moyen de bagues continues fermées en fer, entre lesquelles se forme l'entrefer,l'induit consistant en un disque pourvu de dents recevant un enroulement unique.Ces types de construction présentent plusieurs avantages qui ne peuvent être obtenus par les constructions habituelles employant des encoches ouvertes prévues à la périphérie de l'induit et des pôles ouverts sur l'inducteur.
Des essais effectués avec des machines de ce genre pourvues d'induits à enroulement en tambour n'ont pas donné des ré sultats satisfaisants,spécialement en ce qui concerne la commutation et le débit.
Il est également connu de construire soit seulement l'
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induit,soit seulement l'inducteur au moyen d'une bague conti- nue fermée en fer formant l'un aes cotes de ltentrefer,mais ces constructions présentent certains défauts.
on a trouvé que les défauts des machines du type indiqué ci-dessus peuvent être évités et qu'il était possible de conserver les avantages propres à ces machines et même ne les augmenter en donnant en même temps à ces machines des carac- téristiques améliorées spéciales et en réalisant une économie considérable en poids et en dimensions par H.P.débité, si l'on utilise un rapport différent entre les enoches de l'induit et le nombre de proies de celui qui a été proposé jusqu'à présent et généralement utilisé.
Dans la machine dynamo-électrique construite conformément à la présente invention ,les conditions magnétiques et élec- triques sont équilibrées de telle manière que l'on peut se dispenser ae moyens pour améliorer la commutation.
Jusqu'ici il a été admis que pour éviter que les pôles principaux aient une influence trop grande sur la commutation, le nombre d'encoches de l'induit entre les pointes des pôles ne doit pas tomber en-dessous d'une certaine valeur; la formule actaelle étant :
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dans laquelle
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01 - bi = arc polaire virtuel ( jusqu'ici ri pas polaire 0,6 à 0,7 pour les machines bipolaires et 0,65 à 0,75 pour les machines multipolaires) Z est le nombre d'encoches et p le nombre de paires de pôles,
Par arc polaire virtuel " on entend l'arc se trouvant au milieu de la partie la plus étroite de l'entrefer et s'étendant parallèlement à l'induit entre les rayons partant des pointes ou cornes des pôles vers le centre de l'induit.
(voir Figure I du dessin annexé.)
On a trouvé que dans les machines dans lesquelles soit
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d'une bague fermée en fer, comme indiqué ci-dessus,on ob- tiendra une commutation complètement sans étincelle si l' on utilise une formule toùt à fait différente pour le rapport entre les encoches de l'induit et le nombre de pôles,et la présente invention consiste principalement dans l'emploi d'un rapport qui correspondra à la formule:
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Conformément à l'invention,cette formule est satisfais te en réduisant le rapport Z ,de préférence aussi en aug- mentant [alpha]i ,en Comparaison avec les valeurs données, jusqu'ici,
Les constructions suivantes sont indiquécs à titre d'exemple:
A. Moteurs à bagued'induit fermée,
I.
Moteur de démarrage pour moteurs Diesel.
4 pôles, 26 encoches 1000 t,p,m. 24 volts courant con- tinu.
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2. Moteur de démarrage pour moteurs Diesel.
4 pôles, 22 encoches;1000 t.p.m. 24 volts courant conti- nu.
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3. Moteur de foreuse (Universelle): 4 pôles;13 encoches; 220 volts; 5380 t.p.m.( avec rapport de transmission 1:14,5
371 t. p.m.)
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4. Moteur de foreuse (Universelle)-; 2 pôles;13 encoches - 5380 t .p.m. 220 volts. (avec rapport de transmission 1:13 413 t.p.m.)
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5. Hoteur de 'ef72P77fiR iTTniiramao'I cv 1 . -en-
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9500 t.p.m. 220 volts (avec rapport de transmission 1:11.3 840 t. p.m.
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6. Moteur de 3/4 H.P.;220volts courant continu:500 t.p.m.
4 pôles;27 encoches.
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B. Moteurs-Pourvus de bagues fermées à l' induit et à l'induc- teur.
7. Moteur pour signalisations; 14 pôles;17 encoches :34 t.p.m.
10volts courant continu,
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8. Moteur de 5 H.P. 1000 t.p.m. 220 volts. @ourant continu 9. Moteur de 2.5 H.P. 640 " " " " " " 10. Moteur de 1 H.P. 280 " " il il " tous trois de construction identique.
10 pôles 53 encoches.
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II. Moteur de compresseur de 7 H.P.;600 volts.courant continu
250 t.p.m. 8 pôles; 57 encoches.
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On voit ainsi que dans les constructions conformes à l' invention ,le rapport des encoches au nombre de pôles est substantiellement en-dessous de la limite inférieure,et les valeurs de [alpha]i plus élevée(que celles utilisées jusqu'à pré- sent sp écialement avec les moteurs repris sous B,dans lesquels les induits et les inducteurs ont été pourvus d'une bague fermée en fer. En utilisant des valeurs de [alpha]i plus élevées ,le flux portant des pôles est foroé de se disperser vers les induits sur une plus grande surface de l'entrefer, par suite de quoi l'induction magnétique se trouve réduite
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flux,et ainsi le nombre de conducteurs de l'induit créant
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la force oontre-éleotromotrice augmentent.
Il résulte de cette construction les avantages suivants: les pôles d'inducteur peuvent être plus larges,les rapports induotifs sont améliorés,et le nombre de pôles peut être substantiellement augmente par rapport aux constructions an- térieures,par suite de quoi la quantité de cuivre utilisée pour l'induit et pour l'inducteur ,et le poids de fer sont diminués.
En comparaison des machines de construction habituelle et présentant les mêmes dimensions extérieures,il est possible de raccourcir les pôles et d'augmenter le diamètre de l'induit,ce qui améliore le trajet du flux magnétique.Grâce à l'augmentation du diamètre de l'induit et de la réduction du rapport du nombre d'encoches au nombre de pôles conformément à l'invention ,les encoches peuvent être faites substantiellement plus grandes de sorte que,suivant les besoins,la section transversale du conducteur peut être faite plus grande,le nombre des conducteurs de l'induit restant constant,ce qui augmente le débit de la machine, ou le nombre de conducteurs peut être augmenté,la section transversale restant constante,oe qui permet de réduire la vitesse.
Figures 3 à 6 représentent schématiquement plusieurs variantes de construction de l'invention,
Figures 2 et 3 montrent des exemples de machines à quatre pôles,la partie à gauche représentant la oonstruo- tion habituelle et la partie à droite la construction conforme à l'invention. La construction habituelle de la partie à gauche de Figure 2 montre une raachine pourvue de pôles intermédiaires et d'un induit possédant 39 encoches ouvertes, Le coté droit de la Figure montre les mêmes dimensions exté rieures sans pôles intermédiaires,les pôles,qui dans 'cet exemple ne sont pas reliés par une bague fermée en fer,étant plus courts et plus larges, L'induit possède un diamètre
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étant seulement de 13,
de. sorte que l'on dispose pour le bobinage d'un espace considérablement augmenté ,qui peut être utilisé pour obtenir soit un débitplus élevé soitune vitesae réduite. En supprimant les pôles intermédiaires,!'espace d'enroulement des bobines d'inducteur est augmenté quoique les pôles soient plus courts,et l'on obtient aussi une économie consiaerable en résistance oblique. gomme on peut le voir,toutes les conditions relatives au flux sont considérablement augmentées en utilisant des parcours dans le fer plus courts,de$ pôles et des dents d'induit plus larges et un angle de flux de travail [alpha]i plus fort, lequel se monte à 0,8 au lieu de 0,63 dans le côté à gauche.
Dans la machine habituelle ( gauche)l'on a :
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Dans la machine conforrae à l'invention (droite) l'on a:
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Dans la construction représentée en Figure 3, l'on utilise un nombre de pôles considérablement plus grand pour la même dimension extérieure. Dans ce cas,la machine,qui ne possède pas de pôles intermédiaires, est pourvue de 10 pôles,et non seulement l'induit,mais aussi les pôles d'induit, sont réunis par une bague fermée en fer.On sait que le poids du cuivre aotif et du fer aotif décroit à mesure qu'augmente le nombre de pôles.
comme il est possible d'utiliser un grand nombre de pôles pour une carcasse de dimension extérieure identique, l'on pourra en outre des avantages précédemment ci. tés réaliser une économie en poids de cuivre actif et de fer actif ,
En n'utilisant pas de pôles intermédiaires les frais sont réduits et le débit est augmenté. Des essais ont prouvé que des machines à 10 pôles et sans pôles intermédiaires construites conformément à l'invention donnent une bonne com-
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charge nulle jusqu' à une surcharge del'effort statique de 100 pour cent.
L'amélioration de la commutation dans les machines conformes à l'invention est due à la plus basse réaction d'induit de ces machines.
Si l'on utilise la formule de la réaction d'induit don-
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née par Arnoia-la-"our,qui est
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dans laquelle
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riz pas polaire bl = arc polaire virtuel A S = Ja x N ( voir ci-dessous) 2t a.D. l'on trouve que la réaction d'induit est proportionnelle aux valeurs de (# -bi) et de A S. Comme J'arc polaire vir-
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tuel bl décrit préaédenment,Bpéaialement en ce qui concerne les machines possedant un induit et des pôles de champ pourvus de bagues fermées en fer,est plus grand que dans les machines de construction habituelle,la valeur (# - bi) sera toujours plus petite.
En outre, si l'on considère la valeur
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dans laquelle
Ja = courant total d'induit,
N = nombre de conducteurs de travail de l'induit; a = demi nombre de branchements de l'induit,
D = diamètre extérieur de l'induit. l'on trouve que dans les machines conformes à l'invention, cornue décrites ci-dessus, le diamètre de l'induit ( en ce qui concerne la même dimension extérieure) est toujours plus grande. Les valeurs comparatives de Ja et a seront identi- ques ; cependant la valeur de N peut être prise beaucoup plus petite dans les machines conformée à l'invention par comparaison aux machines de construction habituelle.
La construction conventionnelle est basée sur le principe fondamentale que le pas du bobinage d'induit doit
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0+",D 60"1 r'\11 mrpofiiim ±rr?i >11 "1"'\........... l i.--,
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le nombre de conducteurs actifs sera presque égal au nombre total des conducteurs. Dans les machines conformes à l'invention,le pas du bobinage d'induit n'est pas lié par cette condition de base,mais peut être choisi beaucoup plus court.Il a été prouvé par des essais qu'une bonne commutation peut être assurée pour toutes les charges sans le secours de pôles intermédiaires si le pas du bobinage est pris approximativement égal à l'arc polaire virtuel. Le pas du bobinage, par exemple, de la machine à dix pôles citée ci-dessous sous B.8 et B.IO va de l'encoche 1 à l'encoche 4.
Comme on peut le voir sur la Figure 3, (côté droit) cela équivaudrait à 25 environ,l'arc polaire virtuel étant de 28 environ.Du schéma des fils de l'induit, l'on peut déduire que le nombre de conducteurs qui sont en opposition plus ceux qui sont en commutation se monte à environ 43 pour cent., ne laissant ainsi q@environ 57 pour cent pour les conducteurs en travail effectif.
Ce nombre considérablement réduit des conducteurs en travail effectif combiné avec le grand diamètre d'induit f voir ci-dessus) réduit la valeur de A S à la moitié de la valeur en question dans une machine habituelle,ou même plus.La valeur de la réaction d'induit représentée par la formule
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sera par suite moindre que la moitié de la quantité d'une construction conventionnelle, puisque les deux valeurs (# - bi) et A S sont réduites,comme ilvient d'être décrit,
Si le pas de bobina.ge de l'induit est choisi comme décrit ci-dessus de telle sorte qu'il est l'arc polaire virtuel,
les machines conformes à l'invention peuvent être considérées comme travaillant sur le principe du transformateur.Dans des machines à bobinage diamétral le nombre de conducteurs en opposition et commutation
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par la force électro-dynamique (champ entourant les conduc- teurs), Dans les machines dans lesquelles le pas de bobinage est égal à ou moindre que l'aro polaire virtuel, le nombre de conducteurs inactifs ou en opposition est augmenté et atteint le maximum lorsque le pas correspond à une seule dent.
Dans de tels oas,la force électro-dynamique est plus ou moins neutralisée,et la force statique est par suite produis te par les bobinages ,agissant comme ampères-tours, magnéti-' sant la partie fermée du fer d'induit ,et par les lignes de force produites dans cette partie du fer qui est à phases reliées avec le flux de champ.La force contre-électromotrice n'est pas produite dans les conducteurs en coupant latéralement les lignes de force,mais par le flux traversant l'intérieur des bobines de l'induit comme dans le cas d'un transformateur.
Pour le calcul d'un moteur ou d'une dynamo comprenant des pôles saillant radialemcnt et de vitesse circonférentielle normale, c'est à dire v < 30 m/sec., la longueur du fer de 1'induit est limitée à eertaines dimensions ,qui sont données par la formule:
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dans laquelle
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t = longueur du fer d'induit bl = arc polaire virtuel.
On a trouvé qu'avec les machines construites conformé- ment à l'inventlon, il est possible d'augmenter oonsidéra- bleraent la lenteur de l'induit,sans affecter désavantageusement leur travail. Suivant cette caractéristique additionnelle de l'invention
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Les exemples pratiques précédemment donnés sous A et B, à l'exception des moteurs 2.6, B.8, 9 et 10, étaient limités par les dimensions données au carter;
c'étaient des machines de construction conventionnelle qui, devaient être
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darters appropriés.Mais dans ces cas où aucune limitation n'était imposée,la longueur des iriduits était considérablement augmentée,l'on obtenait ainsi les résultats suivants:
Moteur du type A.6
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longueur de l'induit 12 om. diamètre de l'induit = 12 cm, arc polaire virtuel bi pli x 1;
1-
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et ainsi
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Moteur du type B.8,9,¯Io. longueur de l'induit = 15 om. diamètre de l'induit = 19.6 cm.
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arc polaire virtuel bi. =cL1 x T = p, g x 3 I4 X . 6 =4 2
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L'augmentation du rapport de longueur de l'induit arc polaire virtuel permet d'augmenter considérablement les parties en fer de l'induit et de l'inducteur,avec ce résultat que le flux se trouve augmenté en conservant les mêmes dimensions extérieu- res et en outre le débit est également augmenté en comparaison de la construction habituelle.
On sait aussi que le poids du cuivre actif diminue à mesure que le rapport ci- dessus # augmente de valeur. bi
En utilisant les valeurs données ci--dessus pour les
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relations (1- 0I.) et de -L /! 2p bi dans la construction des machines ,on a trouvé que ,en com-
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En se basant sur une série de machines construites conformément à l'invention,il a été acquis que les volumes de ces machines était réduit d'un tiers par rapport aux volumes des machines de construction connue.
Une autre caractéristique de ces machines conformément à l'invention réside dans leur vitesse et leur rendement réguliers,avantages qui s'ajoutent à la caractéristique commune à toutes les machines construites sur le principe des bagues fermées en fer,à savoir que leur vitesse à vide est basse.
Dans le but d'obtenir la meilleure distribution du flux pour ces fins,l'on utilise pour l'interconnexion des pôles de l'inducteur une bague annulaire qui n'est pas de section transversale uniforme, mais s'effile en partant des pôles, comme on le voit en a en Figure 3. Si les parties de fer de la bague entre les pôles étaient de section transversale uniforme,il se produirait une grande dispersion de flux; par contre le profil en pointe provoque la production d'une haute saturation et cela rapidement à mesure que la charge augmente. De cette fagon,on évite la dispersion du flux po- laire et on assure une bonne commutation.
En même temps, l'augmentation de la section transversale vers les pôles force le flux polaire de se diffuser autant que possible pour atteindre l'induit en traversant l'entrefer,et la distribution désirée du flux s'effectue automatiquement à la mesure nécessaire d'après les diverses charges.
Dans les machines tournant à la fois comme moteur et dynamo ,les parties les plus minces a' de la dite bague de fer se trouve au milieu de l'espace compris entre les pôles. Dans les machines tournant seulement comme moteurs ou seulement comme dynamos les parties les plus minces se trouvent de préférence plus près de l'un ou de l'autre des pôles adjacents , à cause de la réaction différente de l'unduit.
Il a été aussi constaté que le courant de démarrage
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des machines construites conformément à l'invention ,lorsqu' elles sont soudainement connectées aux'canalisations princi pales, sans une résistance de démarrage, est substantiellement plus petit que dans les machines telles qu'elles sont contruites jusqu'à présent. En outre les machines,en cas de mise en circuit en pleine charge, prennent leur vitesse normale dans un temps très court. Il est par suite possible de démarrer ces machines en pleine charge, ou 100 pour cent de surcharge, sans un dispositif de démarrage spécial,car la commutation est toujours bonne avec ces défférentes conditions de charge.
L'invention s'applique à la fois aux machines à courant continu et à courant alternatif,les mêmes avantages étant ob- tenus dans les deux cas.
Jusqu'à présent on a proposé des méthodes diverses pour munir l'induit et l'inducteur d'une bague fermée de fer.
Figure 4 mantre une construction dans laquelle les pôles de champ et les bagues fermées de fer sont constituées de pièces estampées c, chacune comprenant,dans cet exeraple, quatre parties polaires d et quatre segments de liaison e , Les pièces estampées sont rivées l'une à l'autre et les bobines de champ enroule sur gabarit sont montées sur les pôles à la manière habituelle. La culasse f, indiquée en pointillé,est ensuite montée de force sur l'inducteur et connecté à ce dernier de manière connue.
Figure 5 montre une vue partielle d'une autre oonstruo tion,relative par exemple à une machine à dix pôles,qui permet aussi d'utiliser des bobines de champ enroulées sur ga- barit. d, d sont deux pôles parmi les pôles de champ formant avec les autres pôles et avec l'élément de culasse f une seule pièce d'estampage. Les parties infériures des pôles d faisant face à l'entrefer sont découpées vers l'intérieur, sur les deux côtés de chaque pôle, comme indiqué en g, en vue d'embrasser les pièces de pont h reliant les pôles et de les maintenir en position, Ces pièces de pont peuvent, suivant
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en pièces estampées ou être faites d'une seule pièce solide.
Après que les pièces polaires estampées ont été rivées l'une à l'autre,les bobines de champ i sont montées sur les pô- les d. , et les pièces de pont h. sont ensuite insérées entre les extrémités des pôles, formant ainsi avec celles-ci la bague fermée en fer pour l'inducteur. i est un tube d'acier du carter.
La bague fermée en fer de l'induit peut être estampée de différentes manières, suivant les dimensions de la machine et les types de bobinage d'induit que l'on désire employer. Il a été constaté que l'enroulement à trous peut être utilisé sans augmenter les frais de fabrication. Cette méthode est préferrée,spécialement dans le cas de grandes machines,dans lesquelles un petit nombre de conducteurs en lames de cuivre, Dans un tel cas la bague estampée de l'induit présente le profil indiqué au côté droit de Figure 3,
Il est cependant possible de former ces pièces estam pées de sorte que des bobines à enroulement sur gabarit puissent être employées simultanément et Figure 6 représente un exemple de ce genre, Dans cette construction,
la bague estampée de l'induit est constituée par une bague de fer fermée k pourvue d'encoches 1 qui sont ouvertes vers l'intérieur.Cette méthode est spécialement utile avec un enroulement à une seule dent ,qu'il est possible de glisser par l'intérieur sur les bobines à enroulement sur gabarit, Lorsque l'enroulement est terminé, le tout est monté à force sur une pièce oentrale en fer m (représentée pointillé) laquelle , comme indiqué, peut recevoir la forme d'une roue pour économiser du poids.
L'emploi de bague fermée en fer sur l'induit présen- te l'avantage supplémentaire qu'il n'estpas nécessaire de fixer l'enroulement en une direction radiale par des moyens mécaniques spéciaux,comme il est nécessaire avec des machines de construction habituelle,ce qui permet d'augmenter l'espa-
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ce disponisble pour l'enroulement.
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R E V END l a A T ION s.
1. Machine dynamo-électrique avec induit à enroulement en tambour,dans laquelle soit l'induite soit l'induit et l'inducteur est ou sont pourvus d'une bague fermée ininter. rompue en fer faisant face à l'entrefer,caractérisée par le fait que le rapport des encoches de l'induit au nombre des pôles satisfait à la formule:
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