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UN PERFECTIONNEMENT AUX MOTEURS ELECTRIQUES A COURANTS ALTERNATIFS.
Pour de nombreuses applications industrielles telles que la traction,les machines d'extraction,les laminoirs, les engins de levage etc.... les moteurs électriques à courants alternatifs monophasés ou triphasés,connus dans l'art antérieur ,présentent de sérieux inconvénients.
Dans ces applications la vitesse de rotation du moteur doit être progressivement reglable dans de très large limites.
Si on utilise des moteurs du type le plus courant, c'est à dire à champ$ tournant,qui sont des machines robustes et bon marché, on n'obtient le reglage de vitesse que dans des conditions déplorables de rendement.
Si on emploie des moteurs à collecteur,on peut obtenir le reglage de la vitesse dans de meilleures conditions mais alors on a à tenir compte du prix très élevé de ces machines ,de leur fragilité due à la présence d'un collecteur à lames multiples, des difficultés de commutation et des frais d'entretien élevés qu'ils nécessitent.
En outre ils ne peuvent être construits que pour des puissances peu élevées. Cotte dernière raison suffirait seule
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à expliquer pourquoi ils ne sont pas appliqués aux machines d'extraction.
Mais c'est principalement le prix,la fragilité de ces mo- -teurs,les difficultés de commutation et l'entretien qu'ils exigent qui sont les causes pour lesquelles ils n'ont eu que peu de succès dans leur application en général et à la traction électrique en particulier.
C'est ainsi que malgré les frais importants et les compli- -oations qu'entraine la transformation du courant alternatif en courant continu ,on a jusqu'ici continué à donner la préférence aux moteurs de traction à courant continu tant dans les réseaux de tramways que de chemins de fer électriques.
L'objet de l'invention est un moteur à courant alternatif monophasé d'une construction robuste et approximativement aussi simple que celle du moteur asynchrone monophasé à bagues de l'art antérieur,mais présentant sur ce dernier les avantages suivants! 1 ) couple de démarrage très élevé.
2 ) vitesse aisément reglable.
3 ) facteur de puissance élevé et rendement élevé.
Le moteur construit conformément à l'invention présente donc des qualités comparables à celles des moteurs à collecteur de l'art antérieur ,mais il a sur ces derniers les avantages suivants: 1 ) construction simple,robuste et peu couteuse.
2 ) bobinage très simple.
3 ) le collecteur à lames multiples y est remplacé par un commu- -tateur constitué de simples bagues isolées sectionnées chacune en deux suivant un plan diamétral .
4 ) entretien équivalent à celui du moteur asynchrone à, bagues.
5 ) une partie seulement des bobinages est en contact avec le réseau d'alimentation. Cette partie du bobinage étant fixe,elle peut être conditionnée pour des tension élevées.
6 ) La commutation est excellente même en maintenant la position des balais fixe.
7 ) Le réglage de la vitesse peut s'obtenir par diverse moyens
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n'occasionnant pas une diminution appréciable du rendement.
Dans les dessins qui accompagnent la description suivante les figures 1 et 2 représentent schématiquement les formes de réalisation préférée d'un élément de moteur monophasé construit conformément à l'invention , La figure 3 est un diagramme des l'induit dans le cas des formes de réalisation suivant fig. 1 et 2 .
Dans le cas de la forme de réalisation suivant la figure 1 le moteur élémentaire comprend deux circuits magnétiques distincts.
Le premier parte les bobines inductrices fixes A et B ainsi que la bobine mobile M N de linduit I . Le second porte les bobines fixes C et D que j'appelerai bobines motrices, ainsi que la bobine mobile U V de l'induit H .
L'induit I en forme de tambour comporte un simple enrou- -lement M N constituant une seule bobine droite dont l'axe est Z Z' .
L'induit H est semblable à l'induit I . L'axe de sa bobine est S S ' .
Les induits I et H sont montés sur le même axe X X'
L'angle que l'axe T T' des bobines A et B fait avec l'axe ZZ' de la bobine mobile M N est complémentaire de l'angle que l'axe R R' des bobines C et D fait avec l'axe S S' de la bobine U V .
Pour la clarté du dessin le oommutateur à deux demi bagues L et Q a été figuré entourant l'induit H. En réalité il est monté sur un prolongement de l'arbre comme il est d'usage pour les moteurs à bagues connus de l'art antérieur.
Les bobines inductrices A et B sont raccordées au réseau d'alimentation de tension E .
La bobine mobile M N ,la bobine mobile U V ainsi que les bobines fixes C et D et le condensateur F sont connectés en série par l'intermédiaire des balais J et K frottant sur les demi bagues L et Q .
Dans le cas de la forme de réalisation suivant la figure
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ww (yl,%Dk rt,w: bzz un mot agante
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2 le moteur élémentaire ne comprend qu'un circuit magnétique portant les bobines inductrices A et B ,les bobines motrices C et D ainsi que l'unique bobine mobile U V .
Les extrémités U et V de cette bobine mobile sont raccordées aux demi bagues L et Q sur lesquelles frottent les balais J et K .
Les bobines inductrices A et B sont raccordées au réseau d'alimentation de tension E . Les bobines motrices C et D , la bobine induite U V ainsi que le condensateur F sont connectés en série par l'intermédiaire des balais J et K frottant sur les deux demi bagues L et Q .
Sans sortir du cadre de l'invention on peut modifer l'ordre des bobines et condensateur raccordés en série,reporter sur la partie fixe la ou les bobines mobie et inversement sur la partie mobile les bobines fixes.
On peut accoupler un nombre plus ou moins grand de moteurs élémentaires pour obtenir un ensemble moteur présentant un couple plus régulier pendant la rotation ou pour obtenir un ensemble susceptible d'être alimenté en courant polyphasé . On peut égale- -ment remplacer les induits de forme tambour par des induits annû- -laires ou en forme de disque ,modifier le nombre de bobines d'un élément moteur,réaliser des moteurs multipolaire d'une vitesse de régime moindre que le moteur élémentaire bipolaires c'est à dire ne oomportant que deux pôles inducteurs et duex pôles moteurs.
Quelle que soit la forme de réalisation adoptée,le fonc- -tionnement du moteur construit conformément à l'invention s'ex- -plique comme suit :
Les pôles inducteurs munis des bobines inductrices indui- -sent dans l'induit un courant alternatif dont l'amplitude dépend à chaque instant de la position de l'induit par rapport aux pôles inducteurs.
Au moment du démarrage ce courant est nul si l'axe de la bobine induite est perpendiculaire à l'axe des bobines inductrices L'amplitude de ce courant est maximum pour un certain angle entre ces deux axes, qui dépend de la capacité du condensateur intercalé dans le circuit induit ,c'est à dire des constante de ce circuit.
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-1 \NI.. '( ne 1 (YWJ un anot agoute
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Les poles moteurs pourvus dE bobines motrices réagissent sur l'induit de la même façon que dans le moteur sérié connu dans l'art antérieur . Les balais sont situés dans une position telle que la commutation s'effectue au moment ou le flux induc- -teur embrassé par la bobine de l'induit est nul . Il en résulte un couple,variable suivant la position de l'induit, mais toujours de même sens .
Comme dans le cas du moteur série le sens de ce couple dépend du sens de l'enroulement mobile par rapport à celui de l'enroule- -ment fixe.
Le-sens de rotation du moteur est donc inversé en permutant les raccordements aux deux extrémités de l'un des enroulements.
Le condensateur intercalé dans le circuit du courant induit @ a pour but de permettre la suppression ou 1 atténuation de la réaction)des pôles inducteurs sur l'induit pendant une révolution complète de celui ci En outre il annule partiellement l'effet de self induction du circuit induit ce qui amplifie le courant induit et le couple du moteur.
Ce dernier dépend essentiellement de la capacité du conden- -sateur .Pour obtenir un couple maximum ,cette capacité ne doit être ni trop petite ni trop grande. Théoriquement)pour un couple de démarrage maximum,la capacité doit être calculée pour ,qu'il y ait résonnance dans le circuit induit lorsque l'axe de la bobine mqbile ooinoide avec l'axe des bobines inductrices ,ou ce qui revient au même lorsque l'axe de la bobine induite est perpendi- -oulaire par rapport à l'axe des pôles moteurs.
En se reportant à la figure 1 qui représente schematiquement une forme de réalisation du moteur construit conformément à l'in- -vention on constate que les bobines 0 et D avec la bobine mobile U V constituent une self inductance variable dont le coefficient peut être exprimé par L1 + L2 ( 1 - cos#)
En désignant par R la résistance ohmique totale du circuit induit et par 0 la capacité du condensateur F l'impédance de ce circuit est égale à
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V'R1.+ [wL.1+",L'\. (L-c..>vOC)¯cJ1.
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Al' arrêt eu est égal à '!. 11' F) F étant la fréquence du coù- -, .',1-' bzz
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-rant d'alimentation de tension E.
A l'arrêt également la tension efficace induite peut approximativement s'exprimer par :a @@@
Le courant dans le circuit induit peut donc s'écrire :
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0...4 lN'- oe.. ¯¯¯¯¯ -"-r [wL, ;-wL1. ('"Î ' Si 0 est choisi de telle sorte qu'il y ait résonnance pour cette expression devient
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if1< 1. + [LV L.. et.J ...
Cette expression permet de se rendre compte que l'in- -tensité du courant induit à l'arrêta est la même pour tout angle de l'axe Z Z' de la bobine induite avec l'axe T T' que cet angle soit à droite ou à gauche de ce dernier .
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En effet : 0- 4o<. t::).. 1 150-"" \r'R'+ [wL. ""'o(J 'R' +- ["'L. 1 gD- "-
Par conséquent dans des positions symétriques de la bobi -ne induite par rapport à l'axe T T' des bobines inductrices ,le courant induit est le même et les couples de réaction exercé sur l'induit par les pôles inducteurs sont donc égaux et de signes contraires . La réaction moyenne pour un tour complet est par conséquent nulle.
Il est donc possible d'annuler complètement ces reac- -tions dans n'importe quelle position de l'induit en accouplant deux moteurs élémentaires avec les induits calés de telle sorte que le couple de réaction négatif sur l'un soit annulé par le couple de reaction positif sur l'autre .
Dans ce cas il ne subsiste donc que l'action des pôles moteurs sur les induits et par conséquent un couple moteur ré- -sultant assez uniforme quelle que soit la position des induits.
Sur la figure 3 les courbes A et B représentent l'allu- -re des couples de reaction des pôles inducteurs de deux moteurs élémentaires ainsi accouplés et les courbes C et D l'allure des couples moteurs utiles. Les angles indiqués en abcisse correspon- -dent aux diverses valeurs de # pour le rotor dont le couple moteur utile est figuré par la courbe C .
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Dès que le moteur tourne,il se développe dans les induits des
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tensions de formes : t <b3*x )t.-:1Vvv (40+( ) et (W- )l14M-.-V
Les courants de fréquence élevée (w+8/2#) sont amplifiés tandis que ceux de fréquence basse w-8/2#) sont plus ou moins étouffés . Ce sont principalement les premiers qui circulent dans les circuits induits et qui produisent donc le couple moteur utile . D'autre part le point de résonnance est déplacé et il en résulte l'apparition d'un couple moyen négatif de réac- -tion entre les pôles inducteurs et l'induit . De ce fait la vitesse maxima du moteur est limitée.
Le reglage de la vitesse du moteur faisant l'objet de la présente invention s'obtient en modifiant les constantes du circuit induit .
Un moyen simple est par exemple de faire varier la capacité en utilisant à la place d'un condensateur unique une série de condensateurs plus petits,de capacité totale équivalente et pouvant être mis en eircuit en nombre plus ou moins grand .
On peut également intercaler dans le circuit induit une @ self inductance variable,on branche@cette inductance en paral- -lèle sur le condensateur. Enfin on peut intercaler entre les bobines motrices et l'induit,un transformateur à rapport variable ou encore brancher en parallèle sur les bobines motrices des capacités ou self inductances variables.
Il est à remarquer que le moteur faisant l'objet de la présente invention peut,après avoit été amené en vitesse,être transformé en moteur asynchrone monophasé connu de l'art an- -térieur. Il suffit dès qu'une vitesse de rotation est suffisante de déconnecter les balais des bobines motrices et de les mettre en court circuit . Les bobines motrices peuvent en même temps être raccordées au réseau d'alimentation de manière à constituer suivant la polarité qu'on leur donne un moteur '.bipolaire ou tetrapolaire.
Au lieu de mettre les balais en court circuit on peut mettre directement en contact les deux demi bagues par un
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T3j!-- dent @@@@ @@@@@@@@
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par un dispositif analogue à celui qu'on utilise dans les moteurs asynchrone de l'art antérieur et.dits à relevage des balais et mise en court circuit des bagues.
Il est également à remarquer que dans le moteur faisant l'objet de la présente invention la commutation électrique peut être remplacée par une commutation electro magnétique .
Les pôles inducteurs et la bobine induite qu'ils influencent sont alors disposés de telle sorte qu'il n'y a courant induit que pendant la moitié d'une révolution complète.
Ce résultat sera par exemple obtenu si l'induit est en forme de disque et si la bobine induite occupe sur celui ci un secteur de 90 son axe étant perpendiculaire au plan du disque .Les pôles inducteurs sont disposés de part et d'autre du disque et émettent un flux traversant celui ci perpendiculairement sur un secteur de 90 . Ces pôles inducteurs et cette bobine induite constituent le commutateur electro magnétique du moteur. Le reste de celui ci est analogue à la partie du moteur schematique figure 1 et comportant les pôles moteurs et le rotor H .Ce dernier est oalé sur le même arbre que le disque.
Le courant induit dans la bobine montée sur le disque traverse la bobine U V,les bobines C et D ainsi que le condensateur F .
Au lieu des deux demi bagues L et Q le moteur est pourvu de deux bagues entières. Le couple est évidemment nulle pendant la moitié de chaque tour du rotor. Il faut donc pour obtenir un couple assez régulier pendant une révolution complète du rotor accoupler ensemble un grand nombre de moteurs élémentaires sem- -blables.
L'avantége de la suppression de la commutation électrique est par conséquent fort attenué dans cette dernière forme de réalisation de l'invention par la grande quantité de matière nécessaire.