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SYSTEMES A SATURATION MAGNETIQUE? La présente invention concerne des systèmes à saturation magnétique et plus particulièrement des amplificateurs magnétiques et analogues.
La partie essentielle des amplificateurs magnétiques, et plus généralement une partie importante de dispositifs magnétiques, consiste ordinairement en une induotanoe pourvue d'un ou de plusieurs enroulements parcourus par du courant continu ou redressé et un ou plusieurs enroulements parcourus par du courant alternatif. Les en- roulements à oourant oontinu ou redressé ont pour but de donner au circuit magnétique de l'inductance une prémagnétisation variable qui a pour effet de rendre variable la perméabilité apparente de ce cir- cuit et le s enroulements à oourant alternatif servent à insérer dans le circuit à contrôler une impédance variable, puisque la perméabili- té moyenne du circuit magnétique varie en fonotion des ampères-tours parcourant les enroulements de saturation.
Dans un système amplificateur magnétique, l'effet amplifica- teur est obtenu du fait que la variation de l'énergie réactive con- trôlée dans le circuit où sont insérés les enroulements alternatifs
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peut être K fois plus grande que la variation correspondante de l'énergie envoyée dans les enroulements de saturation. K représente alors le coeffioient d'amplification du système.
La présente invention a notamment pour un de ses objets d'amé -liorer le fonotionnement de self-induotanoes à enroulements de satu- ration faisant partie de systèmes à saturation magnétique tels que des amplificateurs magnétiques.
L'invention a également pour objet de prévoir des dispositiom de self-induotanoes à saturation dans lesquels le champ développé par les ampères-tours alternatifs est diminué par rapport au champ déve- loppé par les ampères-tours de saturation.
L'invention a également pour objet de prévoir des disposi- t'ions de self-inductances à saturation qui soient libres de dissymé- tries entraînées par la dissymétrie du cycle d'hystérésis auquel est soumis le circuit magnétique.
L'invention a également pour objet de prévoir des disposi- tions de self-inductances à saturation qui soient susceptibles de per mettre une réduotion du champ alternatif vis-à-vis du champ de satura-: -tion, sans conduire ni à une réduotion exagérée du nombre de spires de l'enroulement alternatif, ni à une augmentation exagérée de la sec 1 -tion droite du circuit magnétique.
D'autres objets de l'invention résident encore dans la prévi- sion de systèmes de saturation magnétique, dans le circuit de satura- tion desquels aucune composante alternative résiduelle n'est intro- duite et dont la sensibilité soit appréoiablement augmentée par des dispositions appropriées des enroulements et du circuit magnétique.
Un circuit magnétique inoorporant des caractéristiques de l'invention est tel que la réluctance opposée à la force magnéto- motrice développée par les ampères-tours alternatifs soit supérieure à la réluctance opposée à la force magnéto-motrioe développée par les ampères-tours de saturation.
Suivant une caractéristique de l'invention, un tel circuit magnétique est réalisé en disposant les noyaux oomposant le circuit magnétique et les bobinages alternatifs et oontinus d'une manière
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telle qu'un entre fe r pratiqué dans une région convenable de l'arma- ture du circuit magnétique augmente la première réluctance tout en n'influant pas sur la valeur de la seoonde.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, les enrou- lements de saturation et les enroulements alternatifs sont disposéa de telle manière qu'en l'absence de tout courant de saturation le flux développé par le oourant paroourant les enroulements alternatifs induise une tension résultante nulle dans l'ensemble des enroulements de saturation.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, un ou plu- sieurs enroulements tertiaires sont prévus en addition aux enroulements alternatifs et oontinus, ce ou ces enroulements tertiaires étant bo- binés de telle sorte qu'ils s'opposent à l'apparition d'harmoniques d'ordre pair de tension dans l'ensemble des enroulements de satura- tion, ce ou ces enroulements tertiaires pouvant être oourt-oirouités sur eux-mêmes et étant tels qu'ils s'opposent aux différenoes entre les tensions instantanées qui peuvent se développer entre les diffé- rentes parties de l'enroulement de saturation oomplet et réduisent la perméabilité apparente du circuit magnétique vis-à-vis de l'enrou -lement alternatif pour une même valeur des ampères-tours paroourant les enroulements de saturation.
Suivant d'autres caractéristiques encore de l'invention, les tOles du circuit magnétique ont un profil tel et les bobinages aterna- tifs et oontinus sont disposés de telle manière que la presque. tota- lité du circuit magnétique parcouru par le flux développé par les enroulements alternatifs sont soumis à la saturation due au flux développé par les enroulements de saturation.
Suivant une modifioation, la réluctance opposée à la force magnéto-motrice développée par les ampères-tours alternatifs peut être acorue par rapport à la réluctanoe opposée à la force magnéto- motrice développée par les ampères-tours de saturation au moyen d'un circuit magnétique et de bobinages d'une self-inductance combinés de manière que les lignes de force du champ développé par les enroule- ments alternatifs aient à traverser un ou plusieurs entrefers'prévus
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sur leur trajet tandis que les lignes de force du champ développé par les enroulements de saturation n'ont à en traverser aucun,
et une fente médiane est prévue transformant chaque partie non inter- rompue par un entrefer du circuit magnétique principal en un circuit magnétique seoondaire indépendant ne oomportant auoun entrefer.
De cette manière, le circuit magnétique prinoipal est ainsi décomposé en autant de circuits magnétiques secondaires indépendants sans entrefer qu'il existe d'entrefers sur le passage de la ligne de force moyenne du circuit magnétique principal.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, les enroule -ments de saturation passent à l'intérieur de la fente sus-mentionné et sont bobinés de telle sorte qu'ils développent un ohamp dont la ligne de force se referme sur elle-même à. l'intérieur d'un circuit magnétique secondaire sans rencontrer aucun entrefer. Les flux de ces enroulements ne traversent que la seotion droite de ces circuits secondaires, c.à.d. la moitié de la seotion droite du circuit prinoi -pal.
Aveo une telle disposition suivant la présente invention, le flux résultant développé par l'ensemble des enroulements de satura- tion agissant sur un circuit magnétique secondaire est nul à travers la partie de l'enroulement alternatif bobiné sur ce circuit magnéti- que secondaire considéré comme une partie du circuit magnétique principal. Réciproquement, le flux résultant développé par la par- tie de l'enroulement alternatif bobiné sur cette partie du circuit magnétique principal à travers les enroulements de saturation qu'il couvre est également nul. On réalise ainsi une des conditions aux- quelles doit satisfaire une self-inductance à prémagnétisation, à savoir que la force électromotrice résultante induite par l'enrou- lement alternatif dans l'enroulement de saturation ou prémagnétisa- tion doit être nulle.
On doit également remarquer que, pendant une alternance du courant, le champ développé par l'enroulement alternatif s'ajoute au champ développé par les enroulements de saturation dans une moitié d'un circuit secondaire tandis qu'il se retranohe dans l'autre moitié
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ce qui assure une compensation pratique des tensions à la, fréquence fondamentale sans toutefois assurer une oompensation d'harmoniques pairs de ces tensions qui peuvent éventuellement se développer mais qui, en général, ne sontpas suffisamment importants pour entraîner des perturbations du fonctionnement. Cependant, lorsque oes tension harmoniques deviennent gênantes, on pourra utiliser de plus les dis- positions d'enroulements tertiaires oourt-oirouités mentionnées ci- dessus.
Ces caractéristiques et d'autres encore apparaîtront olaire- ment dans la description suivante d'exemples de réalisation,repré- sentés sur les dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 représente la courbe de magnétisme d'un circuit de système à saturation magnétique et le cycle d'hystérésis envisagé;
La figure 2 représente un exemple d'inductance pour amplifi- oateur magnétique incorporant certaines des caractéristiques de l'invention;
La figure 3 montre les courbes de l'induction développée respectivement dans les noyaux latéraux du circuit de la figure 2 ainsi, que les courbes des tensions développées dans les enroulements correspondants;
Les figures 4,5 et 6 sont des schémas faoilitant l'exposé du fonctionnement d'un dispositif inoorporant des caractéristiques de l'invention et utilisant notamment des enroulements tertiaires;
La figure 7 représente des graphiques facilitant l'exposé de l'action des enroulements tertiaires ;
Les figures 8, 9 et 10 représentent des modifications,suivant certaines oaraotéristiques de l'invention,des figures précédentes .
Les figures 11 et 12 représentent respeotivement une coupe verticale et horizontale d'une forme modifiée du circuit magnétique qui peut remplacer celui de la figure 2.
Il est connu que, dans des inductances oomportant des enrou- lements de saturation à courant continu et des enroulements à cou- rant alternatif, telles que notamment les inductances utilisés dans les amplificateurs magnétiques, le fer ou substance du circuit
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magnétique est soumis à la superposition d'un champ constant créé par les enroulements de saturation et d'un champ alternatif déve- loppé par les ampères-tours du ou des enroulements parcourus par le oourant alternatif.
En supposant que le courant alternatif soit parcouru par un. oourant sinusoïdal développant dans le fer un champ alternatif Ha dont la valeur maxima est (Ha)M et que l'enroulement de saturation soit parcouru par un courant continu développant un champ constant Ho, le ohamp résultant oscille entre les deux valeurs extradas Ho - (Ha)M et Ho + (Ha)M et le point figuratif représentant l'état de magnétisation du fer se déplace sur un cycle d'hystérésis dont la forme est indiquée en 1, sur la figure 1. La courbe 2 est la oourbe d'induction du fer ou substances magnétique. Dans cette figure les ordonnées B désignent les inductions et les abscisses H des champs magnétiques.
Ce oyole est tangent aux verticales passant par les abscisses Hc- (Ha)M et Hc + (Ha)M et entoure le point G qui est le point figuratif de fonctionnement lorsque le fer est soumis unique- ment à la prémagnétisation du ohamp continu Hc. Ce point G se trou- ve sur la courbe de magnétisme figurée en traits pointillés. On re- marque que pendant les alternanoes négatives,les ampères-tours alternatifs ont un effet de désaturation puisqu'ils se retranohent des ampères-tours oontinus. Il en résulte d'abord une diminution de l'effet de la saturation, o.à.d. une diminution de la sensibilité du système et ensuite une dissymétrie dans le cycle d'hystérésis en- traînant une dissymétrie dans les tensions développées dans l'enrou- lement alternatif.
En effet, la pente moyenne du cycle d'hystérésis est plus grande dans la région correspondant à l'intervalle Hc- (Ha)M à Ho que dans l'intervalle Ho à Hc + (Ha)M.
Cette diminution de sensibilité du système et cette dissymé- trie des tensions développées dans l'enroulement alternatif sont réduites et pratiquement éliminées dans les dispositifs incorporant des caractéristiques de l'invention par réduction du champ développé par les ampères-tours alternatifsvis-à-vos du champ développé par les ampères-tours de saturation.
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Il est clair, en oonsidérant la figure 1, que plus la valeur de (Ha)M est petite par rapport à celle de Ho , moins la dissymé- trie du cycle d'hystérésis est accusée et plus les variations de la perméabilité moyenne du fer ou substance magnétique utilisée sont grandes pour une même variation du champ de saturation Hc.
Il est possible de réduire la valeur de (Ha)M par rapport à celle de Ho en diminuant le nombre d'ampères-tours alternatifs par rap- port au nombre d'ampères-tours du circuit de satu ration. Toutefois, oomme le oourant qui parcourt l'enroulement alternatif est détermi- né et que la tension qui doit se développer aux bornes de cet en- roulement est également déterminée, il est nécessaire, pour utiliser un petit nombre de spires seulement, d'employer des seotions de fer importantes, ce qui peut entraîner la réalisation de circuits magné- tiques anormaux d'une construction difficile.
L'un des objets de l'invention est de réaliser des systèmes à saturation magnétique donnant les mêmes résultats qu'un système à petit nombre de spires parcourues par un oourant alternatif, mais présentant un circuit magnétique de dimensions telles qu'il soit aisément réalisable.
Dans ce but, suivant certaines caractéristiques de l'inven- tion, au lieu de diminuer de façon importance et nuisible les am- pères-tours alternatifs vis-à-vis des ampères-tours de saturation, on réalise un circuit magnétique tel que la réluctance opposée à la force magnéto-motrice développée par les ampères-tours alterna- tifs soit supérieure à la réluctance opposée à la force magnéto- motrice développée par les ampères-tours de saturation.
Un exemple de dispositif inoorporant des caractéristiques de l'invention est représenté sur la figure 2, qui montre un oir- ouit magnétique en coupe suivant le plan des tôles, Ce circuit magnétique oomprend trois noyaux 10, 11 et 12, les culasses 16 et 17, le noyau central 11 étant de section double de celle des noyaux latéraux qui ont des seotions identiques. L'enroulement alternatif 13 est bobiné sur le noyau central 11 et les enroulements de satura- tion 14 et 15 sur les noyaux latéraux 10 et 12 respectivement. Le sens des deux enroulements de saturation 14 et 15 est tel que les
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flux qu'ils développent dans le circuit magnétique s'annulent à l'intérieur du noyau central 11.
Dans le noyau central 11 sont pratiqués un ou plusieurs entrefers tels que 18.
La ligne en trait mixte 19 montre le paroours des lignes de force correspondant au champ développé par les enroulements de sa- turation 14 et 15. On voit que cette ligne en trait mixte paroourt les noyaux latéraux 10 et 12 et les culasses 16 et 17.
Les lignes en pointillé 20 et 21 représentent les parcours des lignes de force développées par l'enroulement alternatif 13. On voit que celles-ci, au contraire, traversent l'entrefer du noyau central 11.
Les sens des courants dans les divers enroule cents sont indi- qués par les flèches traoées sur ces enroulements, les deux enroule- ments de saturation 15 et 14 étant alimentés en série aveo du cou- rant oontinu ou redressé. Pour faciliter la lecture des dessins, les circuits à dourant continu ont été dessinés en trait fort aussi bien sur la figure 2 que sur les figures suivantes.
Avec une telle disposition, la réluctance opposée à la force magnéto-motrioe développée par les ampères tours alternatifs est plus élevée que la réluctance opposée à la force magnéto-motrice développée par les ampères-tours de saturation. De plus, le flux développé par l'enroulement alternatif donne naissance dans les enroulements de saturation 14 et 15 à des tensions égales et oppo- sées. De cette manière, la tension résultante développée par le flux dû à l'enroulement alternatif 13 dans les enroulements de saturation 14 et 15 est nulle.
Il en résulte que le champ développé par l'enroulement alternatif est faible vis-à-vis du ohamp développé par les enroule- ments de saturation. Par suite, ce dispositif ne présente pas 1' inconvénient d'une désaturation indésirable due à l'influence de l'alternance négative du courant qui traverse l'enroulement alter- natif 13, le terme alternanoe négative étant pris ici pour désigner l'alternance pendant laquelle les ampères-tours alternatifs se sous- traient des ampères-tours de saturation .
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On remarquera que, tandis que le ohamp résultant passe de H à H - (H )M dans l'un des noyaux latéraux, ce ohamp passe de c Hc à Ho + (Ha)M dans l'autre noyau. Autrement dit, quand il y a désaturation dans l'un des noyaux latéraux il y a sursaturation dans l'autre et vice versa.
La perméabilité moyenne dans les deux noyaux latéraux est la même pour une valeur donnée du courant de saturation mais la perméabilité instantanée est différente: elle est plus grande pour le noyau dans lequel les ampères-tours alternatifs se soustraient des ampères-tours de saturation et plus faible dans celui où les ampères-tours alternatifs s'ajoutent aux ampères-tours de satura- tion. Le flux développé par l'enroulement alternatif ne se répar- tira donc' également entre les deux noyaux latéraux que pour un oourant de saturation nul.
Au contraire, pour une oertaine valeur du courant de saturation il aura tendance à se départir d'une façon inégale, o.à.d. que moins de 50% du flux du noyau central passera par le noyau dans lequel la perméabilité instantanée est plus forte et plus de 50% dans le noyau dans lequel la perméabilité instantanée est plus faible. A chaque période cette inégalité s'inverse en sorte que la valeur moyenne du flux dans les noyaux latéraux est bien 50% de la valeur moyenne du flux dans le noyau central.
Cette inégalité des flux instantanés dans les noyaux latéraux entraîne une inégalité des valeurs instantanées des tensions en op- position développées dans les deux enroulements de saturation, en sorte que la tension résultante développée dans l'enroulement de saturation n'est nulle que dans le cas où le courant de saturation est nul.
Lorsque la courant de saturaton a une valeur donnée, il se développe dans les enroulements de saturation une tension alterna -tive résultante dont la valeur est égale à la différence entre les valeurs instantanées des tensions alternatives qui se développent dans chacun des deux enroulements de saturation. Du fait que dans chacun des noyaux latéraux la perméabilité moyenne est plus faible
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pendant une demi-période que dans l'autre, il résulte que l'induc- tion qui se développe dans chacun des noyaux latéraux présente deux demi-ondes inégales, o.à.d. que l'onde représentant l'allure de l'induction pendant une période est dissymétrique par rapport à l'axe des temps.
La figure 3 montre en 31 la courbe représentative de l'in- duction développée dans l'un des noyaux latéraux et en 32 la courbe représentative de l'induction développée dans l'autre noyau. D'au- tre part, la courbe 33 représente la tension déveloprée dans l'enrou -lement de saturation bobiné sur le noyau dans lequel l'induction varie suivant 31. La courbe 34 représente la tension développée dans l'autre enroulement de saturation bobiné sur le noyau dans lequel l'induction varie suivant 32. Bien entendu les ordonnées des oour- bes 33 et 34 sont, pour chaque valeur de l'abscisse, respectivement proportionnelles au coefficient angulaire de la tangente aux courbes 31 et 32, la tension étant proportionnelle à la dérivée de l'induo- tion.
Ces deux enroulements étant en série, il se développe dans l'ensemble de ces enroulements une tension résultante représentée en 35, laquelle ne contient que des harmoniques pairs. Autrement dit, dès que le courant de saturation prend une valeur finie, le courant de l'enroulement alternatif développe dans les enroulements de saturation, non seulement des tensions à la fréquence fondamen- tale qui sont en opposition et qui s'annulent, mais encore des har- moniques pairs de ces tensions qui eux, sont en oonoordanoe et créent une tension résiduelle, à la fréquence double de la fréquence fondamentale, dans l'enroulement de saturation.
L'invention, suivant d'autres caractéristiques, a également pour objet de prévoir des dispositions qui ne présentent plus cet inconvénient de développer une tension résiduelle résultant de la dissymétrie dans les demi-ondes de la courbe représentative de l'induction dans chacun des noyaux latéraux, mais qui comportant des moyens pour compenser dans les noyaux latéraux, l'inégalité entre la valeur moyenne de la perméabilité pendant une demi-période et sa
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valeur moyenne pendant l'autre demi-période.
Un dispositifpourvu de tels moyens évitera l'introduotion d'une composante alternative résiduelle dans le circuit de satura- tion qui peut, dans certains cas, par exemple dans le cas de redres -seurs oompoundés, faire partie du circuit d'utilisation. Il pré- sentera également une sensibilité aoorue sous l'effet de la pré- magnétisation de l'enroulement de saturation par le fait que la oompensation de l'inégalité entre la perméabilité moyenne pendant une demi-période et la perméabilité moyenne pendant l'autre demi- période entraîne, pour une même valeur des ampères-tours de satura -tion, une diminution de la perméabilité mpyenne pendant la totalité de la période.
Or, il est connu qu'un système magnétique à satura- tion est d'autant plus sensible que la perméabilité moyenne du cir- ouit magnétique soumis à l'action du champ alternatif décroit plus rapidement à mesure que le oourant de saturation augmente.
Ces moyens oonsistent, suivant une caractéristique de l'in- vention, en un système d'enroulements qui seront dénommés tertiai- res dans le présent exposé. Ce système d'enroulements est assooié au système d'enroulements de saturation utilisé, o.à,d. que ces enroulements tertiaires peuvent être bobinés sur les mêmes noyaux et dans le même sens que les dits enroulements de saturation mais, au lieu d'être insérés dans le circuit de saturation, ils peuvent être mis en court-circuit sur eux-mêmes.
De tels enroulements ter- tiaires sont représentés sur les figures 4, 5 et 6, dans lesquel- les les mêmes références que dans la figure 2 sont affectées aux éléments identiques, les enroulements tertiaires étant désignés par les références 22 et 23 respectivement, ces deux enroulements 22 et 23 étant direotement reliés entre eux de manière à constituer un système d'enroulements court-circuité.
En se reportant de nouveau à la figure 3, on peut considérer que les oourbes 33, 34 et 35 représentent respectivement les deux tensions composantes qui se développent dans chacun des enroulements tertiaires 22 et 23 ainsi que la tension résultante qui se développe dans l'ensemble de ces enroulements tertiaires. Cette tension
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résultante 35 donne naissance à un courant de oiroulation en qua- drature avec elle et dont l'onde fondamentale est représentée en 36.
On voit que les ampères-tours oorrespondant à ce courant de circulation ont tendance à compenser les dissymétries des demi- ondes des courbes 31 et 32, o.à.d. à compenser les ingalités qui se manifesteraient dans les valeus instantanées respectives de l'induction à l'intérieur de chacun des noyaux latéraux 10 et 12 si les enroulements tertiaires 22 et 23 n'existaient pas.
Le fonctionnement d'un tel dispositif sera mieux oompris en se reportant maintenant aux figures 4,5 et 6. Sur ces figures, les lignes de force correspondant aux champs créés par chacun des enroulements sont représentées par des ligne's en trait de même nature que les traits des enroulements mêmes, les lignes de force des champs de l'enroulement alternatif en trait fin 13 étant indi- quées en trait fin en 24, les lignes de force des champs des enrou- lements de saturation en trait fort 14 et 15 étant indiquées en trait fort en 25, et les lignes de force des champs des enroulements ter- tiaires 22 et 23 en trait pointillé étant indicées en pointillé en 26.
La figure 4 représente les sens des courants et des champs au moment où le oourant alternatif parcourant l'enroulement 13 passe aux environs de son maximum de l'alternance positive.
La figure 5 représente les sens des courants et des champs au moment où le courant alternatif paroourant l'enroulement 13 s'an- nule pour passera l'alternance positive à l'alternance négstive.
La figure 6 représente les sens des courants et des champs au moment où le courant alternatif parcourant l'enroulement 13 passe aux environs de son minimum de l'alternance négative.
Sur la figure 4, les champs 24 et 25 développés par les enrou -lements 13 d'une part et 14,15 d'autre part s'opposent dans le noyau 10 et se superposent dans le noyau 12. La perméabilité en 1' absenoe de l'enroulement tertiaire 22,23, serait alorsplus grande dans le noyau 10 que dans le noyau 12. Il se développe dans les en- roulements-22 et 23 un courant de ciroulation dont le sens est
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indiqué par les flèches,qui donne naissance à un ohamp additionnel 26 en oppositionavec le champ 24 développé par l'enroulement alter -natif 13 dans la noyau 10 et en concordance avec ce ohamp 24 dans le noyau 12. L'effet du courant de circulation dans les enroule- ments 22 et 23 est donc de réduire la perméabilité moyenne dans le noyau 10 et dans le noyau 12.
Mais, par suite de la courbure de la courbe de magnétisme, le courant de circulation dans les en- roulements 22 et 23 entrafne une diminution de la perméabilité moyen -ne du noyau 10 supérieure à la diminution de la perméabilité moyen -ne du noyau 12, et il en résulte que l'inégalité entre les valeurs respectives de la perméabilité dans le noyau 10 d'une part sous l'effet des enroulements 14 et 22 et dans le noyau 12 d'autre part sous l'effet des enroulements 15 et 23 est compensée.
Sur la figure 5, le champ développé par l'enroulement alter- natif 13 est nul. Le sens du courant de circulation dans les en- roulements tertiaires 22 et 23 est alors inverse de celui représenté sur la figure 4. Les ampères-tours dans les enroulements tertiaires tendent à s'opposer aux ampères-tours de saturation. Il n'y a aucune inégalité entre les valeurs respectives de l'induction dans chacun des noyaux latéraux.
Sur la figure 6, les champs respectifs développés par l'en- roulement alternatif 13 d'une part et les enroulements de saturation 14 et 15 d'autre part, s'opposent dans le noyau 12 et se superposent dans le noyau 10. En l'absence des enroulements tertiaires 22 et 23, la perméabilité serait alors plus grande dans le noyau 12 que dans le noyau la.Il se développe alors, dans les enroulements 22 et 23 un oourant de circulation dont le sens est indiqué par les flè- ches et qui est le même que celui de la figure 4. Ce oourant de cir -oulation développe un champ additionnel 26 en opposition aveo le champ 24 développé par l'enroulement alternatif 13 dans le noyau 12 et en concordance aveo ce champ dans le noyau 10.
L'effet de ce courant de circulation sera alors de diminuer la perméabilité moyenm dans le noyau 10. et dans le noyau 12, mais par suite de la courbure de magnétisme, la diminution dans le noyau 12 sera'supérieure à la
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diminution dans le noyau 10 et il en résultera encore que l'inégalité entre les valeurs respectives de la perméabilité dans les noyaux 10 et 12 sera compensée.
En résumé, il circule à chaque instant dans les enroulements 22 et
23 des ampères-tours additionnels nécessaires pour compenser les inégalités instantanées des flux respectifs des noyaux latéraux 10 et 12, inégalités dues à la cour'bure de la courbe de magnétisation. Les ampères-tours de ces enrou- lements tertiaires ont pour effet de diminuer pour chaque noyau latéral l'action des ampères-tours de l'enroulement alternatif 15 lorsqu'ils sont désaturante par rapport aux ampères-tours de saturation et d'accrôtre leur action lorsqu'ils sont saturants par rapport aux ampères-tours de saturation.,
On verra d'autre part plus loin, dans l'exposé,
que l'action des ampères-tours de ces enroulements tertiaires 22 et 23 a pour effet de diminuer la valeur de la perméabilité moyenne dans chacun des noyaux latéraux 10 et 12 pour une même valeur des ampères-tours des enroulements de saturation 14 et 15.
On se rendra encore mieux compte du mode d'action de ces enroulements tertiaires en se reportant au graphique de la figure 7 sur laquelle on a figuré en 0 A A' M B B' la courbe de magnétisme correspondant aux tôles employées, en portant en abscisse sur l'axe Om la valeur du ch amp résultant développé par des différents enroulements et en ordonnée, suivant l'axe 0 B, la valeur de l'induc- tion correspondante.
On néglige dans ce qui suit, pour plus de simplicité, l'effet de l'hystérésis; mais les conclusions atteintes restent qualitativement inchangées si l'on tient compte de l'hystérésis.
On porte en 0 P la valeur du champ constant développé par les enroile- ments de saturation 14 et 15. On suppose d'autre part que l'enroulement alterna- tif développe un champ alternatif dont la valeur maxima est représentée par les vecteurs PQ et PQ'.
La courbe représentative de ce champ alternatif est'une sinusorde représentée en 41 par un trait pointillé dans le système d'axes Ox - Ot. On voit que la valeur instantanée du champ de saturation et du champ alternatif oscille entre les valeurs extrêmes OQ et OQ'. La courbe représentative des variations de B en fonction du temps sera représentée dans le système d'axes OB-Ot' par une autre courbe 44 figurée en pointillé et dont chaque point m' correspond à un point m de la courbe 41, en prenant comme valeur de l'abscisse la même que celle ' de m et comme valeur de l'ordonnée celle correspondant à l'abscisse de m sur
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la courbe de magnétisme.
On voit que, par suite de la courbure de la courbe de magnétisme, les deux demi-ondes de la courbe 44 sont dissymétrique, les demi-ondes de l'al- ternance positive étant aplaties par rapport aux demi-ondes de l'alternance néga- tive. Il y a lieu de remarquer que cette courbe représente l'allure de l'induc- tion dans l'un des noyaux latéraux 10 ou 12. La courbe représentative de l'in- duotion dans l'autre noyau latéral différerait seulement de la précédente en ce qu'elle serait décalée d'une demi-période par rapport à la courbe 44.
Dans l'un ou l'autre des noyaux 10 ou 12, si l'on néglige le phénomène d'hystérésis, la valeur de la perméabilité moyenne sera donnée par la pente de la droite AB, A et
B étant les intersections avec la courbe de magnétisme des verticales et des horizontales tangentes respectivement aux sommets supérieur et inférieur des courbes 41 et 44.
Pour-que les deux demi-ondes de la courbe représentant l'induction soient symétriques, il est nécessaire qu'il se développe dans les enroulements tertiaires 22 et 23 une circulation d'harmoniques pairs telle que la courbe représentative du champ résultant soit déformée de manière à ce que la déformation. apportée à cette courbe; déjà déformée par la courbure de la courbe de magnétis- me, en effectuant la construction graphique déjà utilisée pour passer de la courbe
41 à la courbe 44, aboutisse à une courbe 45 dont les deux demi-ondes sont symétri -ques, Corrélativement, l'amplitude de la courbe 45 sera inférieure à celle de la courbe 44, c.à.d. que le système sera plus sensible à l'Effet de la saturation.
Sur la figure 7, la courbe 42 représente le champ développé dans les enroulements tertiaires 22 et 23. Cette courbe a été, pour plus de simplicité, ré- duite à son onde fondamentale dont la fréquence est double de celle du champ de ' l'enroulement alternatif 13 représenté par la courbe 41. La courbe donnant l'al- lure du champ résultait, qui est la. somme du champ de saturation OP, du champ de l'enroulement alternatif 13, courbe 41; et du champ des enroulements tertiaires
22 et 23, courbe 42, est figurée en traits pleins dans le syseme d'axes Ox - ot , courbe 43. Cette courbe se déduit des courbes 41 et 42, l'ordonnée d'un point de
43 étant , pour une même valeur de l'abscisse, la somme des ordonnées correspon- à dantes des courbes 41 et 42.
On peut alors construire point par point/partir de la courbe 43, une courbe 45 déduite de la courbe 43 en employant la même cons- truction graphique que pour déduire la courbe 44 de la courbe 41, le point p'
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correspondant au point 2 de la même façon que le point m' correspondait au point m.
On voit qu'on peut toujours trouver une amplitude du champ des enrou- lements tertiaires 22 et 23, figuré en 42, telle que la déformation qui en résulte pour 43 permette de compenser, par la construction indiquée plus haut, la déforma- tion apportée à cette courbe, déjà déformée, par la courbure de la courbe de ma- gnétisme de façon à aboutir à une courbe 45 dont les demi-ondes soient symétriques.
D'après le graphique, le champ résultant, au lieu d'osciller entre les valeurs extrêmes OQ,OQ', oscille entre les valeurs extrèmes OR,OR'. Les pointe figuratifs extrêmes de fonctionnement au lieu d'être A et B deviendraient, du fait du courant de circulation dans les enroulements tertiaires 22 et 23 A' et B'. On voit de plus que la pente de la droite A B est plus grande que la pente de la droite A' B', ce qui signifie que la perméabilité apparente du système est plus faible avec un cour rant de circulation dans les enroulements tertiaires 22 et 23 que sans courant de circulation.
En effet, tandis que d'une part l'amplitude du champ résultant est restée inchangée, le segment RR' étant égal au segment QQ' l'amplitude des varia- tions de l'induction a diminué, étant passée de BC à B'C', B'C' étant plus petit que BC du fait de la courbure de la courbe de magnétisme.
Dans la réalité, par suite de l'existence de l'hystérésis, le point figuratif de fonctionnement parcourt des cycles dont la pente moyenne est plus faible que celle de A B ou de A' B'. Lesperméabilités apparentes réelles, avec ou sans enroulements tertiaires, seront plus faibles que celles qu'on déduirait respectivement de la pente de A' B' ou de A B. Mais il n'en subsiste pas moins que, même en tenant compte de l'hystérésis, la pente moyenne du cycle décrit lorsqu'on tient compte de la circulation du courant dans les enrobements ter- tiaires est plus faible que la pente moyenne du cycle décrit si l'on ne tient pas compte de ce courant de circulation.
On remarquera qu'avec la disposition du circuit magnétique de la figu- re 2 on ne peut espérer éviter l'emploi des enroulements tertiaires en connec- tant en parallèle les deux enroulements de saturation 14 et 15 de façon qu'un courant puisse sedévelopper entre ces deux enroulements. En effet, si les sens des enroulements 14 et 15 sont tels que leurs champs respectifs s'annu-lent dans le noyau central 11, le flux du courant de l'enroulement A ne développera pas une tension nulle dans l'ense-mble 14,15, Cet enroulement fonctionnerait comme un véritable secondaire en court-circuit par rapport à l'enroulement 13.
Si, au
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contraire, les sens d'enroulements 14 et 15 sont tels que leurs flux respectifs s'ajoutent dans le noyau central 11, le flux de l'enroulement 13 développera des tensions en opposition respectivement dans les enroulements 14 et 15, mais alors les harmoniques pairs , étant également en opposition, ne pourront développer au- cun courant de circulation de compensation dans l'ensemble des enroulements 14 et
15. De plus, avec cette disposition, l'entrefer 18 du noyau central 11 augmente- rait simultanément la réluctance qui s'oppose au flux développé par les ampères- tours de l'enroulement alternatif 13 et celle qui s'oppose au flux développé par les ampères-tours des enroulements de saturation 14 et 15.
De nombreux circuits magnétiques peuvent incorporer des caractéris- tiques de l'invention, qui n'est évidemment pas limitée au circuit de la figure 2 non plus qu'à celui des' figures 4, 5 et 6. A titre d'exemples, les figures 8,9 et 10 représentent d'autres exemples de circuits magnétiques incorporant des caractéristiques de l'invention. Dans ces figures également, les mêmes références numériques ont été employées pour désigner les éléments analogues à ceux des figures précédentes.
Dans la figure 8, le circuit magnétique comprend teneurs deux noyaux latéraux 10 et 12 et un noyau central 11 présentant un ou plusieurs entrefers 18, ces noyaux étant réunis par des culasses 16 et 17 comme dans la figure 2. Les enroulements de saturation en série 14 et 15 sont respectivement prévus sur les noyaux 10 et 12. Toutefois, l'enroulement alternatif est divisé en deux enrou- lements 13 et 13' disposés chacun sur l'un des noyaux latéraux 10 et 12, le noyau' central 11 étant libre de tout enroulement.
Les sens des enroulements, indiqués par les flèches, sont tels que les flux respectifs des enroulements 13 et 13' parcourus par un courant alternatif s'ajoutent à chaque instant dans le noyau central, les lignes de force des champs développés par ces enroulements 13 et 13' étant représentés en pointillé en 20 et 20' respedrivement tandis que les lignes de force du champ développé par les enroulements de saturation 14 et 15 sont indi- quées en 19. On voit par suite, qu'avec cette disposition, le flux développé par l'enroulement alternatif est bien forcé à traverser l'entrefer 18 du noyau cen- tral 11 tandis que le flux développé par les enroulements de saturation 14 et 15 circulant à travers les noyaux latéraux 10 et 12 et les culasses 16 et 17 ne ren- contre sur son parcours aucun entrefer.
Un enroulement tertiaire analogue à l'en -roulement tertiaire en deux parties des figures 4,5 et 6'peut être prévu, mais
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n'a pas été représenté pour plus de simplicité au dessin, les enroulements de saturation 14 et 15 étant encore dessiné en trait fort et les enroulements alterr tifs 13 et 13' en trait fin.
Avec les dispositions des figures 2, 4 et 8, le noyau central 11 échappe à l'influence de la. saturation, ce qui tend à diminuer la sensibilité du système . Suivant une autre caractéristique de l'invention encore, des m oyens sont prévus pour obvier à cet inconvénient. Deux exemples de dispositifs ne présentant pas ce désavantage sont représentés sur les,figures 9,10.
Dans ces figures, les enroulements n'ont pas été indiqués en détail mais leurs emplacements seuls ont été indiqués en pointillé et désignés par les mêmes références numériques que dans la figure précédente, la disposition d'en- roulements de la figure 8 étqnt prise pour exemple, c.à.d. que le noyau central
11 est laissé libre de tout enroulement, l'enroulement alternatif étant divisé en deux portions 13 et 13' enroulées avec les enroulements de saturation 14 et 15 respectivement sur les noyaux latéraux 10 et 12.
La sensibilité du système est augment-ée en prévoyant pour consti- tuer le circuit magnétique des tôles de profil particulier. D'une manière géné- rale , ces tôles sont de découpage tel que le noyau central 11 présente soit deux encoches opposées comme indiqué en 50 et 51 sur la figure 9, Boit deux évidements opposés comme indiqué en 52 et 53 sur la figure 10, mais en tout cas une section longidutinale réduite et de forme telle qu'elle entraîne un trajet des lignes de force des champs développés dans les noyaux latéraux 10 et 12 par les enroulements de saturation 14 et 15 tel qu'elles parcourent la presque totalité du circuit magnétique parcouru par le flux du ou des enroulements alternatifs 13 et 13'.
De cette manière, une portion beaucoup plhs importante du circuit magnétique parcouru par le flux des enroulements alternatifsest soumis à l'influence des enroulements de saturation; ce qui augmente appréciablement la sensibilité du système.
On remarquera que, dans la figure 10, le circuit magnétique avec tôles à profil dit binoculaire est pourvu de bobinages torordaux.
Les figures 11 et 12 désignent les parties du circuit magnétique prin- cipal séparées par les entrefers 3 et 4. Dans chacune de ces parties 1 et 2 sont pratiquées les fentes 5 et 6. Les enroulements de saturation sont représentées' en 7, 8 et 9,10, tandis que les enroulements alternatifs sont représentés en 11 et 12.
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Comme mieux visible sur la vue en plan de la figure 2, chacun des enroulements de pré-magnétisation 7 à 10 entoure une moitié de la section droite du circuit magnétique principal telles que 13,14 et 15, 16. Par contre, les enroulements alternatifs entourent simultanément la totalité de la section doite 13+14 ou 15+15 du circuit magnétique.
Sur la figure 11, on a représenté par des flèches en traits pointil- lés 17 le ,parcours des lignes de force développées par les enroulements alterna- tifs et par des flèches en traits pleins 18 le parcours des lignes de force déveloi -pées par les enroulements de prémagnétisation.
Sur la figure 12, on a représenté par des flèches 19 et 20 les sens respectifs des courants dans les différents bobinages de prémagnétisation et al- ternatifs,
En adoptant la terminologie usuelle qui consiste à désigner sous le nom de noyaux les parties verticales d'un circuit magnétique tel que celui repré- senté sur la figure 11, et par culasse les parties horizontales de ce même cir- cuit magnétique, on voit que les bobinages peuvent être répartis suivant la dis- position usuellement adoptée pour les transformateurs;- industriels de manière que ces bobinages ne couvrent que les noyaux et laissent libres les culasses de tout enroulement.
Avec une telle disposition, il est clair que l'on peut régler à vo- lonte: la longueur des entrefers 3 et 4 en écartant plus ou moins l'une de l'au- tre les parties let 2 du circuit magnétique au moyen de tout dispositif approprié de serrage des culasses (non représenté).
La disposition de la figure 11 peut d'ailleurs être simplifiée, comme indiqué sur le dessin, en supprimant les parties de la fente médiane situées au niveau des culasses et hachurées en 21 sur la figure 11. Le circuit magnétique peut alors être réalisé de manière très simple, sans découpage spécial, au moyen de bandes de tôle, comme le circuit magnétique d'un transformateur ordi- naire à quatre noyaux, ou plus exactement à deux noyaux doubles.
La suppression de la fente médiane dans la région des culasses a pour effet de soustraire la région de cesculasses situées entre les lignes 22, 22', et 23,23' à l'effet de la saturation, mais cet inconvénient e'st pratiquement négli- geable lorsqu'il s'agit de self-inductances développant une 'puissance relative- ment importante, surtout si la dimension des noyaux est grande vis-à-vis de celle des culasses.
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Il est clair que l'invention n'est pas limitée aux circuits magnéti- ques pour amplificateurs magnétiques montrés et décrits, mais qu'elle peut trou- ver des applications dans tout circuit magnétique comportant des enroulements alternatifs, des enroulements de saturation et pouvant comporter des enroulements tertiaires de compensation tels que décrits dans l'exposé précédent. Elle peut plus particulièrement s'appliquer à des dispositifs polyphasés, etspécialement triphasés, dans lesquels l'annulation des tensions induites dans le ou les enrou- lements de saturation par un courant parcourant le ou les enroulements alterna- tifs sera réalisée par des montages en triangle ouvert.
D'autres applications et modifications encore de l'invention peuvent être envisagées sans sortir de son domaine.
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MAGNETIC SATURATION SYSTEMS? The present invention relates to magnetic saturation systems and more particularly to magnetic amplifiers and the like.
The essential part of magnetic amplifiers, and more generally a large part of magnetic devices, usually consists of an induotanoe provided with one or more windings traversed by direct or rectified current and one or more windings traversed by alternating current. The purpose of the continuous or rectified current windings is to give the magnetic circuit of the inductor a variable premagnetization which has the effect of making the apparent permeability of this circuit variable and the alternating current windings are used to insert into the circuit to be controlled has a variable impedance, since the average permeability of the magnetic circuit varies according to the ampere-turns flowing through the saturation windings.
In a magnetic amplifier system, the amplifying effect is obtained by the fact that the variation of the reactive energy controlled in the circuit in which the alternating windings are inserted
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can be K times greater than the corresponding variation of the energy sent to the saturation windings. K then represents the amplification coefficient of the system.
One of the objects of the present invention is in particular to improve the functioning of self-induotanoes with saturation windings forming part of magnetic saturation systems such as magnetic amplifiers.
It is also an object of the invention to provide saturation self-inductance devices in which the field developed by the alternating ampere-turns is reduced with respect to the field developed by the saturation ampere-turns.
Another object of the invention is to provide arrangements of saturation self-inductors which are free from asymmetries caused by the asymmetry of the hysteresis cycle to which the magnetic circuit is subjected.
Another object of the invention is to provide arrangements of saturation self-inductors which are capable of enabling a reduction of the alternating field with respect to the saturation field, without leading to a reduction. exaggerated number of turns of the alternating winding, nor to an exaggerated increase in the right sec 1 -tion of the magnetic circuit.
Other objects of the invention also reside in the provision of magnetic saturation systems, in the saturation circuit of which no residual AC component is introduced and the sensitivity of which is appreciably increased by suitable arrangements. windings and magnetic circuit.
An inoorporant magnetic circuit of the characteristics of the invention is such that the reluctance opposed to the magnetomotive force developed by the alternating ampere-turns is greater than the reluctance opposed to the magneto-motrioe force developed by the saturation ampere-turns.
According to one characteristic of the invention, such a magnetic circuit is produced by arranging the cores oomposing the magnetic circuit and the alternating and continuous windings in a manner
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such that an input made in a suitable region of the armature of the magnetic circuit increases the first reluctance while not influencing the value of the second.
According to another characteristic of the invention, the saturation windings and the alternating windings are arranged in such a way that in the absence of any saturation current, the flux developed by the current through the alternating windings induces a resulting zero voltage. in the set of saturation windings.
According to another characteristic of the invention, one or more tertiary windings are provided in addition to the alternating and continuous windings, this or these tertiary windings being wound in such a way that they oppose the appearance of. harmonics of even order of voltage in all the saturation windings, this or these tertiary windings being able to be omitted on themselves and being such that they oppose the differences between the instantaneous voltages which can occur. develop between the different parts of the complete saturation winding and reduce the apparent permeability of the magnetic circuit vis-à-vis the alternating winding for the same value of the ampere-turns perouring the saturation windings.
According to still other characteristics of the invention, the sheets of the magnetic circuit have such a profile and the alternating and continuous windings are arranged in such a manner that the almost. The entire magnetic circuit traversed by the flux developed by the AC windings is subjected to saturation due to the flux developed by the saturation windings.
Following a modification, the reluctance opposite to the magneto-motive force developed by the alternating ampere-turns can be increased with respect to the reluctanoe opposed to the magnetomotive force developed by the saturation ampere-turns by means of a magnetic circuit and coils of a self-inductance combined so that the lines of force of the field developed by the alternating windings have to pass through one or more air gaps' provided
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on their path while the lines of force of the field developed by the saturation windings do not have to cross any,
and a middle slot is provided transforming each part not interrupted by an air gap of the main magnetic circuit into an independent secondary magnetic circuit not including an air gap.
In this way, the main magnetic circuit is thus broken down into as many independent secondary magnetic circuits without an air gap as there are air gaps on the passage of the mean line of force of the main magnetic circuit.
According to another characteristic of the invention, the windings-saturation elements pass inside the aforementioned slot and are wound in such a way that they develop a field whose line of force closes on itself to . inside a secondary magnetic circuit without encountering any air gap. The fluxes of these windings only pass through the right segment of these secondary circuits, i.e. half of the right segment of the main -pal circuit.
With such an arrangement according to the present invention, the resulting flux developed by all of the saturation windings acting on a secondary magnetic circuit is zero through the part of the alternating winding wound on this secondary magnetic circuit considered as part of the main magnetic circuit. Conversely, the resulting flux developed by the part of the alternating winding wound on this part of the main magnetic circuit through the saturation windings which it covers is also zero. This achieves one of the conditions which a premagnetization self-inductance must satisfy, namely that the resulting electromotive force induced by the alternating winding in the saturation or premagnetization winding must be zero.
It should also be noted that, during an alternation of the current, the field developed by the AC winding is added to the field developed by the saturation windings in one half of a secondary circuit while it is subtracted in the other half.
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which ensures practical compensation of the voltages at the fundamental frequency without, however, ensuring a compensation of even harmonics of these voltages which may possibly develop but which, in general, are not sufficiently large to cause operating disturbances. However, when these harmonic voltages become troublesome, it is also possible to use the short-term tertiary winding arrangements mentioned above.
These characteristics and others will become apparent from the following description of exemplary embodiments, shown in the accompanying drawings, in which:
Figure 1 shows the magnetism curve of a magnetic saturation system circuit and the considered hysteresis cycle;
FIG. 2 represents an example of inductance for a magnetic amplifier incorporating some of the characteristics of the invention;
FIG. 3 shows the curves of the induction developed respectively in the lateral cores of the circuit of FIG. 2 as well as the curves of the voltages developed in the corresponding windings;
Figures 4, 5 and 6 are diagrams faoilitant the presentation of the operation of a device inoorporant characteristics of the invention and using in particular tertiary windings;
Figure 7 shows graphs facilitating the explanation of the action of tertiary windings;
Figures 8, 9 and 10 show modifications, according to certain features of the invention, of the previous figures.
Figures 11 and 12 respectively represent a vertical and horizontal section of a modified form of the magnetic circuit which can replace that of figure 2.
It is known that, in inductors having direct current saturation windings and alternating current windings, such as in particular the inductors used in magnetic amplifiers, iron or substance of the circuit
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magnetic field is subjected to the superposition of a constant field created by the saturation windings and an alternating field developed by the ampere-turns of the winding (s) traversed by the alternating current.
Assuming that the alternating current is traversed by a. o sinusoidal current developing in the iron an alternating field Ha whose maximum value is (Ha) M and that the saturation winding is traversed by a direct current developing a constant field Ho, the resulting ofield oscillates between the two extradas Ho - ( Ha) M and Ho + (Ha) M and the figurative point representing the state of magnetization of the iron moves on a hysteresis cycle whose shape is indicated in 1, in figure 1. Curve 2 is the curve d induction of iron or magnetic substances. In this figure the ordinates B denote the inductions and the abscissas H of the magnetic fields.
This oyol is tangent to the verticals passing through the abscissas Hc- (Ha) M and Hc + (Ha) M and surrounds the point G which is the figurative operating point when the iron is subjected only to the premagnetization of the continuous field Hc . This point G is found on the magnetism curve shown in dotted lines. It is noted that during negative alternans, the alternating ampere-turns have a desaturation effect since they are subtracted from the continuous ampere-turns. This first results in a decrease in the effect of saturation, o.à.d. a decrease in the sensitivity of the system and then an asymmetry in the hysteresis cycle leading to an asymmetry in the voltages developed in the alternating winding.
Indeed, the average slope of the hysteresis cycle is greater in the region corresponding to the interval Hc- (Ha) M to Ho than in the interval Ho to Hc + (Ha) M.
This decrease in sensitivity of the system and this asymmetry of the voltages developed in the AC winding are reduced and practically eliminated in devices incorporating features of the invention by reduction of the field developed by the AC ampere-turns vis-à-vis your system. field developed by saturation ampere-turns.
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It is clear, by considering Figure 1, that the smaller the value of (Ha) M compared to that of Ho, the less the asymmetry of the hysteresis cycle is marked and the more the variations of the mean permeability of iron. or magnetic substance used are large for the same variation of the saturation field Hc.
It is possible to reduce the value of (Ha) M relative to that of Ho by decreasing the number of alternating ampere-turns relative to the number of ampere-turns of the saturation circuit. However, since the current which traverses the alternating winding is determined and the voltage which must develop across this winding is also determined, it is necessary, in order to use only a small number of turns, to employ significant iron seotions, which can lead to the creation of abnormal magnetic circuits of difficult construction.
One of the objects of the invention is to produce magnetic saturation systems giving the same results as a system with a small number of turns traversed by an alternating current, but having a magnetic circuit of such dimensions that it is easily achievable. .
For this purpose, according to certain characteristics of the invention, instead of significantly and detrimentally reducing the alternating ampere-turns with respect to the saturation ampere-turns, a magnetic circuit such as reluctance opposite to the magneto-motive force developed by the alternating ampere-turns is greater than the reluctance opposite to the magnetomotive force developed by the saturation ampere-turns.
An example of an inoorporant device of the characteristics of the invention is represented in FIG. 2, which shows a magnetic outlet in section along the plane of the sheets, This magnetic circuit includes three cores 10, 11 and 12, the yokes 16 and 17 , the central core 11 being of double section of that of the lateral cores which have identical segments. The alternating winding 13 is wound on the central core 11 and the saturation windings 14 and 15 on the side cores 10 and 12 respectively. The direction of the two saturation windings 14 and 15 is such that the
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flux which they develop in the magnetic circuit cancel each other out inside the central core 11.
In the central core 11 are formed one or more air gaps such as 18.
The phantom line 19 shows the edges of the lines of force corresponding to the field developed by the saturation windings 14 and 15. It can be seen that this phantom line runs through the lateral cores 10 and 12 and the yokes 16 and 17.
The dotted lines 20 and 21 represent the paths of the lines of force developed by the reciprocating winding 13. It can be seen that these, on the contrary, cross the air gap of the central core 11.
The directions of the currents in the various cent windings are indicated by the arrows drawn on these windings, the two saturation windings 15 and 14 being supplied in series with continuous or rectified current. To facilitate reading of the drawings, the DC circuits have been drawn in strong lines both in FIG. 2 and in the following figures.
With such an arrangement, the reluctance opposed to the magneto-motive force developed by the alternating ampere turns is higher than the reluctance opposed to the magneto-motive force developed by the saturation ampere-turns. In addition, the flux developed by the alternating winding gives rise in the saturation windings 14 and 15 to equal and opposite voltages. In this way, the resulting voltage developed by the flux due to the AC winding 13 in the saturation windings 14 and 15 is zero.
As a result, the field developed by the AC winding is small compared to the field developed by the saturation windings. Consequently, this device does not have the drawback of an undesirable desaturation due to the influence of the negative half-wave of the current which passes through the alternating winding 13, the term negative half-wave being taken here to denote the half-wave. during which the alternating ampere-turns subtract from the saturation ampere-turns.
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Note that, while the resulting ofield changes from H to H - (H) M in one of the lateral nuclei, this ofield changes from c Hc to Ho + (Ha) M in the other nucleus. In other words, when there is desaturation in one of the lateral nuclei there is supersaturation in the other and vice versa.
The average permeability in the two lateral cores is the same for a given value of the saturation current but the instantaneous permeability is different: it is greater for the core in which the alternating ampere-turns are subtracted from the saturation ampere-turns and more low in the case where the alternating ampere-turns are added to the saturation ampere-turns. The flux developed by the alternating winding will therefore only be distributed between the two lateral cores for a zero saturation current.
On the contrary, for a certain value of the saturation current it will tend to depart unevenly, o. to.d. that less than 50% of the flux from the central nucleus will pass through the nucleus in which the instantaneous permeability is greater and more than 50% in the nucleus in which the instantaneous permeability is lower. At each period this inequality is reversed so that the average value of the flow in the lateral cores is indeed 50% of the average value of the flow in the central core.
This inequality of the instantaneous fluxes in the lateral cores results in an inequality of the instantaneous values of the opposing voltages developed in the two saturation windings, so that the resulting voltage developed in the saturation winding is zero only in the case where the saturation current is zero.
When the saturation current has a given value, a resulting alternating voltage develops in the saturation windings, the value of which is equal to the difference between the instantaneous values of the alternating voltages which develop in each of the two saturation windings. Due to the fact that in each of the lateral nuclei the average permeability is lower
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during one half-period than in the other, it results that the induction which develops in each of the lateral nuclei presents two unequal half-waves, o. to.d. that the wave representing the course of induction during a period is asymmetrical with respect to the time axis.
FIG. 3 shows at 31 the curve representative of the induction developed in one of the lateral cores and at 32 the curve representative of the induction developed in the other core. On the other hand, curve 33 represents the voltage developed in the saturation winding wound on the core in which the induction varies according to 31. Curve 34 represents the voltage developed in the other wound saturation winding. on the core in which the induction varies along 32. Of course the ordinates of odds 33 and 34 are, for each value of the abscissa, respectively proportional to the angular coefficient of the tangent to curves 31 and 32, the voltage being proportional to the derivative of the induction.
These two windings being in series, there develops in all of these windings a resulting voltage shown at 35, which contains only even harmonics. In other words, as soon as the saturation current takes on a finite value, the current of the alternating winding develops in the saturation windings not only voltages at the fundamental frequency which are in opposition and which cancel each other out, but also even harmonics of these voltages which are in oonoordanoe and create a residual voltage, at a frequency twice the fundamental frequency, in the saturation winding.
The invention, according to other characteristics, also aims to provide arrangements which no longer have this drawback of developing a residual voltage resulting from the asymmetry in the half-waves of the curve representative of the induction in each of the cores. lateral, but which comprising means for compensating in the lateral nuclei, the inequality between the mean value of the permeability during a half-period and its
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average value during the other half-period.
A device provided with such means will prevent the introduction of a residual AC component into the saturation circuit which may, in certain cases, for example in the case of oompounded rectifiers, form part of the utilization circuit. It will also present an increased sensitivity under the effect of the pre-magnetization of the saturation winding by the fact that the compensation of the inequality between the average permeability during one half-period and the average permeability during the other. half-period leads, for the same value of the saturation ampere-turns, to a decrease in the mpyenne permeability during the entire period.
Now, it is known that a saturation magnetic system is all the more sensitive as the average permeability of the magnetic circuit subjected to the action of the alternating field decreases more rapidly as the saturation current increases.
These means oonsist, according to a characteristic of the invention, in a system of windings which will be referred to as tertiary in the present description. This winding system is associated with the saturation winding system used, o.à, d. that these tertiary windings can be wound on the same cores and in the same direction as the said saturation windings but, instead of being inserted into the saturation circuit, they can be short-circuited on themselves.
Such tertiary windings are shown in Figures 4, 5 and 6, in which the same references as in Figure 2 are assigned to identical elements, the tertiary windings being designated by the references 22 and 23 respectively, these two windings 22 and 23 being sayotement interconnected so as to constitute a system of short-circuited windings.
Referring again to Figure 3, it can be seen that the curves 33, 34 and 35 represent respectively the two component voltages which develop in each of the tertiary windings 22 and 23 as well as the resulting voltage which develops in the assembly. of these tertiary windings. This tension
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resultant 35 gives rise to a quadrature flow current with it, the fundamental wave of which is shown at 36.
It can be seen that the ampere-turns corresponding to this circulating current tend to compensate for the dissymmetries of the half-waves of curves 31 and 32, o.à.d. to compensate for the inequalities which would appear in the respective instantaneous values of the induction inside each of the lateral cores 10 and 12 if the tertiary windings 22 and 23 did not exist.
The operation of such a device will be better understood by referring now to FIGS. 4, 5 and 6. In these figures, the lines of force corresponding to the fields created by each of the windings are represented by lines in lines of the same nature as the lines. lines of the windings themselves, the lines of force of the fields of the alternating winding in thin line 13 being indicated in thin line at 24, the lines of force of the fields of the saturation windings in heavy line 14 and 15 being indicated in strong line at 25, and the lines of force of the fields of the tertiary windings 22 and 23 in dotted lines being indexed in dotted lines at 26.
FIG. 4 represents the directions of the currents and fields at the moment when the alternating current flowing through the winding 13 passes around its maximum of the positive half-wave.
FIG. 5 represents the directions of the currents and of the fields at the moment when the alternating current flowing through the winding 13 is canceled to pass from the positive half-wave to the negative half-wave.
FIG. 6 shows the directions of the currents and the fields at the moment when the alternating current flowing through the winding 13 passes around its minimum of the negative half-wave.
In FIG. 4, the fields 24 and 25 developed by the windings 13 on the one hand and 14,15 on the other hand are opposed in the core 10 and are superimposed in the core 12. The permeability in 1 'absenoe of the tertiary winding 22,23, would then be greater in the core 10 than in the core 12. A circulating current develops in the windings-22 and 23, the direction of which is
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indicated by the arrows, which gives rise to an additional field 26 in opposition to the field 24 developed by the alternating winding 13 in the core 10 and in agreement with this field 24 in the core 12. The effect of the circulating current in windings 22 and 23 is therefore to reduce the average permeability in core 10 and in core 12.
But, as a result of the curvature of the magnetism curve, the current circulating in the windings 22 and 23 causes a decrease in the mean permeability -ne of the core 10 greater than the decrease in the mean permeability -ne of the core 12 , and it follows that the inequality between the respective values of the permeability in the core 10 on the one hand under the effect of the windings 14 and 22 and in the core 12 on the other hand under the effect of the windings 15 and 23 is compensated.
In FIG. 5, the field developed by the alternating winding 13 is zero. The direction of the current circulating in the tertiary windings 22 and 23 is then the reverse of that shown in FIG. 4. The ampere-turns in the tertiary windings tend to oppose the saturation ampere-turns. There is no inequality between the respective values of induction in each of the lateral nuclei.
In FIG. 6, the respective fields developed by the alternating winding 13 on the one hand and the saturation windings 14 and 15 on the other hand, oppose in the core 12 and overlap in the core 10. In the absence of the tertiary windings 22 and 23, the permeability would then be greater in the core 12 than in the core 1a. There then develops, in the windings 22 and 23, a current of circulation, the direction of which is indicated by the arrows. ches and which is the same as that of figure 4. This cir -oulation current develops an additional field 26 in opposition to the field 24 developed by the alternating winding 13 in the core 12 and in concordance with this field in the core 10.
The effect of this circulating current will then be to decrease the average permeability in core 10. and in core 12, but as a result of the curvature of magnetism, the decrease in core 12 will be greater than the
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decrease in core 10 and it will further result that the inequality between the respective values of the permeability in cores 10 and 12 will be compensated.
In summary, it circulates at all times in the windings 22 and
23 additional ampere-turns necessary to compensate for the instantaneous inequalities of the respective fluxes of the lateral cores 10 and 12, inequalities due to the curvature of the magnetization curve. The ampere-turns of these tertiary windings have the effect of reducing for each lateral core the action of the ampere-turns of the alternating winding 15 when they are desaturating with respect to the ampere-turns of saturation and of increasing their. action when they are saturated with respect to the saturation ampere-turns.,
On the other hand, we will see later, in the presentation,
that the action of the ampere-turns of these tertiary windings 22 and 23 has the effect of reducing the value of the average permeability in each of the lateral cores 10 and 12 for the same value of the ampere-turns of the saturation windings 14 and 15.
The mode of action of these tertiary windings will be even better understood by referring to the graph of FIG. 7 on which the magnetism curve corresponding to the sheets used has been shown at 0 AA 'MBB', bearing on the abscissa on l 'axis Om the value of the resulting ch amp developed by different windings and on the y-axis, along the axis 0 B, the value of the corresponding induction.
In what follows, for the sake of simplicity, the effect of hysteresis is neglected; but the conclusions reached remain qualitatively unchanged if one takes into account the hysteresis.
The value of the constant field developed by the saturation windings 14 and 15 is brought to 0 P. On the other hand, it is assumed that the alternating winding develops an alternating field, the maximum value of which is represented by the vectors PQ and PQ '.
The curve representative of this alternating field is a sinusord represented at 41 by a dotted line in the system of axes Ox - Ot. It can be seen that the instantaneous value of the saturation field and of the alternating field oscillates between the extreme values OQ and OQ '. The curve representative of the variations of B as a function of time will be represented in the system of axes OB-Ot 'by another curve 44 shown in dotted lines and each point m' of which corresponds to a point m of curve 41, taking as value of the abscissa the same as that of 'm and as the value of the ordinate that corresponding to the abscissa of m on
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the magnetism curve.
We see that, as a result of the curvature of the magnetism curve, the two half-waves of curve 44 are asymmetrical, the half-waves of positive alternance being flattened with respect to the half-waves of alternation negative. It should be noted that this curve represents the shape of the induction in one of the lateral cores 10 or 12. The curve representative of the induction in the other lateral nucleus would differ only from the previous one. in that it would be offset by half a period with respect to the curve 44.
In one or the other of the cores 10 or 12, if we neglect the phenomenon of hysteresis, the value of the mean permeability will be given by the slope of the line AB, A and
B being the intersections with the magnetism curve of the verticals and the horizontals tangent respectively to the upper and lower vertices of the curves 41 and 44.
So that the two half-waves of the curve representing the induction are symmetrical, it is necessary that a circulation of even harmonics develops in the tertiary windings 22 and 23 such that the curve representative of the resulting field is deformed by so that the deformation. brought to this curve; already deformed by the curvature of the magnetism curve, by performing the graphic construction already used to pass from the curve
41 to curve 44, leads to a curve 45 whose two half-waves are symmetrical. Correlatively, the amplitude of curve 45 will be less than that of curve 44, ie. that the system will be more sensitive to the effect of saturation.
In FIG. 7, curve 42 represents the field developed in tertiary windings 22 and 23. This curve has been, for the sake of simplicity, reduced to its fundamental wave, the frequency of which is double that of the field of the. alternating winding 13 represented by curve 41. The curve giving the shape of the field resulted, which is. sum of the saturation field OP, of the field of the alternating winding 13, curve 41; and the field of tertiary windings
22 and 23, curve 42, is shown in solid lines in the system of axes Ox - ot, curve 43. This curve is deduced from curves 41 and 42, the ordinate of a point of
43 being, for the same value of the abscissa, the sum of the corresponding ordinates of curves 41 and 42.
We can then construct point by point / starting from curve 43, a curve 45 deduced from curve 43 by using the same graphic construction as to deduce curve 44 from curve 41, point p '
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corresponding to point 2 in the same way that point m 'corresponded to point m.
We see that we can always find an amplitude of the field of the tertiary windings 22 and 23, shown at 42, such that the deformation which results from it for 43 makes it possible to compensate, by the construction indicated above, the deformation brought about. to this curve, already deformed, by the curvature of the magnetism curve so as to end in a curve 45 whose half-waves are symmetrical.
According to the graph, the resulting field, instead of oscillating between the extreme values OQ, OQ ', oscillates between the extreme values OR, OR'. The operating extreme figurative points instead of being A and B would become, due to the current circulating in the tertiary windings 22 and 23 A 'and B'. It can also be seen that the slope of line AB is greater than the slope of line A 'B', which means that the apparent permeability of the system is lower with a current of circulation in the tertiary windings 22 and 23 that without circulation current.
Indeed, while on the one hand the amplitude of the resulting field has remained unchanged, the segment RR 'being equal to the segment QQ', the amplitude of the variations of the induction has decreased, having passed from BC to B ' C ', B'C' being smaller than BC due to the curvature of the magnetism curve.
In reality, due to the existence of the hysteresis, the figurative operating point goes through cycles whose average slope is lower than that of A B or of A 'B'. The real apparent permeabilities, with or without tertiary windings, will be lower than those which one would deduce respectively from the slope of A 'B' or of A B. But the fact remains that, even taking into account the hysteresis, the average slope of the cycle described when taking into account the current circulation in the tertiary coatings is lower than the average slope of the cycle described if this circulation current is not taken into account.
It will be noted that with the arrangement of the magnetic circuit of FIG. 2 one cannot hope to avoid the use of tertiary windings by connecting the two saturation windings 14 and 15 in parallel so that a current can develop between these two windings. Indeed, if the directions of the windings 14 and 15 are such that their respective fields cancel each other out in the central core 11, the flow of current from the winding A will not develop a zero voltage in the en-mble 14 , 15, This winding would function as a true secondary in short circuit to winding 13.
If at
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on the contrary, the directions of windings 14 and 15 are such that their respective flows add up in the central core 11, the flow of the winding 13 will develop opposing voltages in the windings 14 and 15 respectively, but then even harmonics , being also in opposition, will not be able to develop any compensating circulation current in all the windings 14 and
15. Moreover, with this arrangement, the air gap 18 of the central core 11 would simultaneously increase the reluctance which opposes the flux developed by the amperes-turns of the alternating winding 13 and that which opposes the developed flux. by the ampere-turns of the saturation windings 14 and 15.
Many magnetic circuits can incorporate features of the invention, which of course is not limited to the circuit of Figure 2 nor that of Figures 4, 5 and 6. By way of example, Figures 8,9 and 10 show other examples of magnetic circuits incorporating features of the invention. In these figures also, the same numerical references have been used to designate elements similar to those of the preceding figures.
In FIG. 8, the magnetic circuit comprises two side cores 10 and 12 and a central core 11 having one or more air gaps 18, these cores being joined by yokes 16 and 17 as in FIG. 2. The saturation windings in series 14 and 15 are respectively provided on the cores 10 and 12. However, the alternating winding is divided into two windings 13 and 13 'each arranged on one of the side cores 10 and 12, the central core 11 being free. of any winding.
The directions of the windings, indicated by the arrows, are such that the respective flows of the windings 13 and 13 'traversed by an alternating current are added at every moment in the central core, the lines of force of the fields developed by these windings 13 and 13 'being represented in dotted lines at 20 and 20' respectively, while the lines of force of the field developed by the saturation windings 14 and 15 are indicated at 19. It can therefore be seen that with this arrangement, the flux developed by the alternating winding is indeed forced through the air gap 18 of the central core 11 while the flux developed by the saturation windings 14 and 15 circulating through the side cores 10 and 12 and the yokes 16 and 17 does not return - against on its course no air gap.
A tertiary winding similar to the tertiary winding in two parts of Figures 4, 5 and 6 'can be provided, but
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has not been shown for simplicity in the drawing, the saturation windings 14 and 15 still being drawn in strong lines and the alternating windings 13 and 13 'in thin lines.
With the arrangements of Figures 2, 4 and 8, the central core 11 escapes the influence of. saturation, which tends to decrease the sensitivity of the system. According to yet another characteristic of the invention, means are provided to obviate this drawback. Two examples of devices not having this disadvantage are shown in Figures 9,10.
In these figures, the windings have not been indicated in detail but their locations alone have been indicated in dotted lines and designated by the same numerical references as in the preceding figure, the arrangement of the windings of figure 8 being taken for example, i.e. than the central core
11 is left free of any winding, the alternating winding being divided into two portions 13 and 13 'wound with the saturation windings 14 and 15 respectively on the side cores 10 and 12.
The sensitivity of the system is increased by providing for the magnetic circuit of sheets of particular profile. In general, these sheets are cut such that the central core 11 has either two opposite notches as indicated at 50 and 51 in FIG. 9, or two opposite recesses as indicated at 52 and 53 in FIG. 10, but in any case a reduced longitudinal section and of such shape as to cause a path of the lines of force of the fields developed in the lateral cores 10 and 12 by the saturation windings 14 and 15 such that they traverse almost the entire circuit magnetic through which the flux of the alternating winding (s) 13 and 13 'passes.
In this way, a much larger portion of the magnetic circuit traversed by the flux of the AC windings is subject to the influence of the saturation windings; which appreciably increases the sensitivity of the system.
It will be noted that, in FIG. 10, the magnetic circuit with so-called binocular profile sheets is provided with torordal coils.
Figures 11 and 12 designate the parts of the main magnetic circuit separated by the air gaps 3 and 4. In each of these parts 1 and 2 are formed the slots 5 and 6. The saturation windings are shown at 7, 8 and 9,10, while the alternating windings are shown at 11 and 12.
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As best seen in the plan view of Figure 2, each of the pre-magnetization windings 7 to 10 surrounds one half of the cross section of the main magnetic circuit such as 13, 14 and 15, 16. On the other hand, the AC windings simultaneously surround the entire right section 13 + 14 or 15 + 15 of the magnetic circuit.
In Figure 11, there is shown by arrows in dotted lines 17 the course of the lines of force developed by the alternating windings and by arrows in solid lines 18 the course of the lines of force developed by the pre-magnetization windings.
In FIG. 12, arrows 19 and 20 are represented by the respective directions of the currents in the various pre-magnetization and alternating coils,
By adopting the usual terminology which consists in designating under the name of cores the vertical parts of a magnetic circuit such as that represented in figure 11, and by yoke the horizontal parts of this same magnetic circuit, we see that the windings can be distributed according to the arrangement usually adopted for transformers; - industrial so that these windings cover only the cores and leave the yokes free of any winding.
With such an arrangement, it is clear that it is possible to adjust the following: the length of the air gaps 3 and 4 by separating more or less one of the other parts let 2 of the magnetic circuit by means of any suitable cylinder head tightening device (not shown).
The arrangement of FIG. 11 can moreover be simplified, as indicated in the drawing, by eliminating the parts of the median slot located at the level of the cylinder heads and hatched at 21 in FIG. 11. The magnetic circuit can then be produced in such a manner. very simple, without special cutting, by means of sheet metal strips, like the magnetic circuit of an ordinary transformer with four cores, or more exactly with two double cores.
The removal of the median slot in the region of the yokes has the effect of subtracting the region of these yokes situated between the lines 22, 22 ', and 23,23' from the effect of saturation, but this disadvantage is practically neglected. - geable in the case of self-inductors developing a relatively large power, especially if the size of the cores is large compared to that of the yokes.
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It is clear that the invention is not limited to the magnetic circuits for magnetic amplifiers shown and described, but that it can find applications in any magnetic circuit comprising alternating windings, saturation windings and which may include tertiary compensation windings as described in the previous description. It can more particularly be applied to polyphase devices, and especially three-phase, in which the cancellation of the voltages induced in the saturation winding (s) by a current flowing through the alternating winding (s) will be carried out by delta connections. open.
Still other applications and modifications of the invention can be envisaged without departing from its scope.