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"Perfectionnements a,pportés aux machines électriques, notamment à courant alternatif".
L'invention est relative aux machines électriques avec un inducteur et un induit, plus spécia- lement à celles à courant alternatif (alternateurs, mo- teurs', transformateurs, etc'..,.).
Elle a pour but, surtout, de rendre ces machines telles qu'elles répondent, mieux que jusqu'à présent, aux divers desiderata de la.pratique, notamment qu'elles se prêtent à de nouvelles applications.
Elle consiste, principalement, à combiner
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aux machines du genre en question des moyens distribu- teurs mobiles, en particulier rotatifs, permettant de communiquer, à l'un au moins des champs entrant en jeu, une vitesse variable volonté, ces distributeurs étant actionnables notamment à l'aide d'un variateur de vi- tesse ; et, dans le cas de machines à courant alternatif, à utiliser en particulier une telle disposition pour créer des moteurs à vitesse variable par variation de fréquence ou variation de vitesse du champ.
Elle comprend, mise à part cette dispo- sition principale, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement parlé ci-après, notamment: une deuxième disposition consistant, sur tous en- sembles transformateurs d'énergie, notamment sur les véhicules automobiles, à entraîner par leur moteur un alternateur à fréquence variable -- la variation de fré- quence étant obtenue, comme susvisé, à partir d'un va- riateur ad hoc -- et à faire commander par cet alterna- tour un ou plusieurs moteurs électriques asynchrones ou autres, une troisième disposition -- relative aux moyens distributeurs du genre de ceux comportant des balais rotatifs en prise avec un collecteur -- consistant à incliner,
ces balais par rapport à l'axe de rotation de façon à créer une force qui tende à faire compenser les effets dûs à la force centrifuge, et une quatrième disposition -- relative d'une fa- çon générale aux moyens pour assurer la commutation des machine;; électriques -- consistant à faire coagir, avec les éléments à commuter, un balai ou frotteur à conduc- tibilité variable, cela de façon telle que, à l'une au
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moins des extrémités de la course relative du balai par rapport à chacun desdits éléments, la conductibilité soit réduite, voire annulée, en vue de limiter au maxi- mum le courant de rupture (et/ou d'établissement).
Elle visé plus particulièrement certains modes d'application, ainsi que certains modes de réali- sation, desdites dispositions ; et elle vise, plus par- ticulièrement encore et ce à titre de produits indus- triels nouveaux, les machines du genre'en question com- portant application de ces mêmes dispositions, ainsi que les éléments spéciaux propres à leur établissement et les ensembles ou installations, fixes ou mobiles, com- prenant de semblables machines.
-Et elle pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins: cï-annexés, lesquels complément et dessins ne sont, bien entendu, donnés surtout qu'à titre d'indication.
La fig. 1, de ces dessins, est un schéma illustrant le principe de l'invention, dans le cas du triphasé.
La fig. 2 montre schématiquement un moteur à courant triphasé, à-vitesse variable, établi conformé- ment à l'invention.
La fig. 3 illustre séparément, et schéma- tiquement, une variante du collecteur que comporte le mo- teur de la fig. 1.
La fig. 4, montre schématiqement l'ensem- ble d'une installationà bord d'un véhicule, cette ins- tallation étant établie conformément à un autre mode de réalisation de l'invention.
Les fig. 5 et 6 sont des schémas analo- gues à ceux des fig. 1'et 2, selon des variantes de réa- lisation de l'inventi'on.
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Les fil-, 7 et8 montrent shchématique- ment, respectivement en élévation et en coupe, par VIII- VIII fig. 7, un système de balais et collecteur établi conformément à l'invention.
La fig. 9, enfin, montre en coupe schéma- tique développée, l'ensemble d'un collecteur de machine électrique et d'un balai, établi conformément à un autre mode de réalisation de l'invention.
Selon l'invention, et plus particulière- ment selon ceux de ses modes d'application, ainsi que ceux des modes d réalisation, de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la pré- férence, seproposant, par exemple, d'obtenir desten- sions ou courants alternatifs de fréquence variable, ou d'obtenir, à partir d'une force électromotrice alterna- tive de fréquence déterminée, des champs de vitesse va- riable, on s'y prend comme suit ou de -Lagon analogue.
On rappellera tout d'abord, pour fixer les idées, que les machines électriques actuelles, si l'on excepte les dispositifs électroniques à glissement de fréquence, donnent des forces électromotrices de fré- quence constante. C'est ainsi que la tension à la'sortie d'un secondaire de transformateur est de fréquence inve- riable, de sorte que, si l'on alimente à l'aide de cette tension un moteur asynchrone, le champ tournant prend naissance dans l'inducteur de ce dernier demeure à même vitesse, ce qui implique pour ledit moteur une vitesse de régime également immuable, au glissement près.
Or, il existe de nombreux cas pour les- quels il y aurait intérêt à rendre Cette vitesse varia- ble, en yn particulier pour permettre d'obtenir ou d'entraî- ner un moteur à vitesse variable (bien qu'il n'y ait là qu'une application de caractère non limitatif).
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Pour atteindre ce but, on part de ce prin- cipe, conformément à l'invention, que, sur. un bobinage parcouru par exemple par un courant alternatif tel que représenté schématiquement en 50 sur la fig..l, où dans les conditions usuelles prend naissance un champ déter- miné, en l'espèce rotatif à une vitesse angulaire corres- pondant à la pulsation #, on a la possibilité de mo- difier la vitesse dudit champ si, au lieu d'alimenter ce bobinage toujours aux mêmes points tels que A, B, C, on fait varier périodiquement les conducteurs d'entrée.
C'est ainsi que (supposant, à titre d'e- xernple, le cas du triphasé), si l'on.fait arriver le' courant alternatif d'un réseau ou d'une source quelcon- que 51, à trois bornes ou balais 52 en déplacement re-
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latif pa-r rapport au %obinaée 50 ou à un collecteur re- lié aux divers conducteurs de ce bobinage (que le bobi- nage soit fixe et les balais mobiles, ou ceux-ci mobiles et le bobinage fixe, ou les deux mobiles à des .vitesses différentes), la vitesse angulaire # du champ ainsi créé ne sera plus égale à # mais à la somme algébri-
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que: aue : , ...î'\.- ""' 0 + LY' où #' est la vitesse relative de commutation desdits balais (ou autres moyens équivalents) par rapport au bobinage.
S.i maintenant, conformément à une dispo- sition plus spécialement visée dans la présente demande, on fait en sorte que la vitesse #' puisse être, à l'aide d'un système mécanique hydraulique, électrique ou électromécanique, etc. rendue variable à volonté -- par exemple à l'aide d'un moteur à'vitesse const'ante mécani- que ou électrique 53 entraînant un variateur de vitesse 54, de préférence de type continu -- on peut réaliser
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pour la vitesse # du champ toute une gamme de varia- tion.
Cette possibilité de faire variera peut être utilisée;dans le .cadre de l'invention, et entre autres nombreuses applications susceptibles d'être ima- ginées: ou bien, si l'on dispose comme ci-dessus, d'une force électromotrice alternative de fréquence détermi- née, pour fournir, dans une échine appropriée établie conformément à l'invention et travaillant en transfor- mateur, une fréquence différente, ou bien, dans ce même cas, pour utiliser le champ de pulsation dans une machine conforme à l'inven- tion et travaillant en moteur, notaient du type asyn- chrone, en vue d'obtenir un moteur à vitesse variable, ou bien pour engendrer, dans une machine conforme à l'invention et travaillant en alternateur, une force électromotrice alternative de fréquence variable, à partir d'une source d'énergie de tout type approprié,
ou bien encore pour transformer du courant continu en courant- alternatif de fréquence variable.
Il est entendu d'ailleurs que l'opération conforme à l'invention peut être réalisée, soit sur un champ inducteur, soit sur un champ induit, soit sur les deux.
On obtiendra généralement un rendement avantageux, puisque l'énergie à fournir aux balais (celle à fournir par le moteur tol que 53, ou par tout autre dispositif en tehant lieu) est relativement faible. Il est entendu que dans le cas d'un moteur l'énergie pourrait être éventuellement empruntée à l'arbre de ce moteur, ou à un régulateur, etc...
Sur la fig. 2, on a représenté, toujours à titre d'exemple, un moteur à vitesse variable, du type
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à cage d'écureuil ou à rotor bobiné, avec un inducteur . du type à bobinage réparti (et à huit pôles sur le des- sin) représenté en 50, et un induit ou rotor 55.
Les divers conducteurs de l'inducteur,, numérotés syr' le dessin, sont reliés aux lames 56 d'un collecteur supposé ici être fixe (le dessin montrant les liaisons entre quatre conducteurs 1, 2, 3, 4, et les lames correspondantes), collecteur avec lequel coagis- sent les trois balais 52 por..tés par un système rotatif
57 entraîné par le dispositif variateur de vitesse. Le courant alternatif venant de la source 51 est reçu sur trois bagues 58, 59, 60 entraînées avec l'ensemble et reliés aux trois balais.
Dans ces conditions, le système induc- teur donne lieu à un champ de vitesse variable #, cette vitesse étant commandée en 61. Bien entendu, tous autres moyens de réglage, notamment par rhéostats, peu- .vent être prévus concurremment.
L'appareil variateur 54,peut'être agencé de façon à donner #' deux sens de rotation, ce qui pourrait d'ailleurs être obtenu également en inversant les connexions.
Le collecteur 56,,qui n'est.pris qu'à titre d'exemple, pourrait être remplacé par tous moyens équivalents.
C'est ainsi que les lames 56 pourraient être disposées dans le;plan comme représenté fig. 3, latéralement à l'inducteur .ou en tout autre endroit.
Il est entendu aussi que le collecteur. pourrait être rotatif, notamment s'il est entraîné par le rotor.
Ces éléments 56 peuvent être disposés à l'aplomb des encoches, à proximité immédiate des conduc-
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On pourrait aussi, plus simplement, avec des bobinages adéquats, laisser les conducteurs partiel- lement à nu dans les encoches des inducteurs de manière que les balais 52 viennent s'appuyer directement sur les- dits conducteurs.
De semblables dispositions pourraient être utilisées dans les machines pour lesquelles les balais 52 coagiraient, non plus avec l'inducteur, mais avec l'induit.
S'il s'agit maintenant d'établir un trans- formateur, on procédera d'une manière toutà faitana- logue, l'induit et l'inducteur étant ici fixes. Dans ce cas, les balais pourraient être d'ailleurs fixes, l'un des deux enroulements étantfixe etl'autre rotatif, ou les deux étant rotatifs.
S'il s'agit enfin d'établir un alternateur on procédera encore d'une manière analogue, par exemple de façon telle: ou bien que le courant inducteur soit distribué de façon mobile aux conducteurs correspondants, cette solu- tion devant généralement donner'un voltage variable, mais due l'on peut compenser en agissant concurremment sur le courant, ou bien que les balais rotatifs recueillent le cou- rant sur l'induit, lesdits balais coagissant alors avec un collecteur qui sera fixe ou mobile, selon que l'induit estlui-même fixe ou rotatif.
Les forces électromotrices de fréquence variable fournies par de tels alternateurs pourront être utilisées dans tous buts appropriés, et notamment pour entraîner des moteurs asynchrones ou autres, à vitesses de régimes: variables.
Il semblé avantageux d'appliquer une telle disposition '(entre'autres applications à des transforma-
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teurs d'énergie), à des engins.de transport, notamment des véhiculées automobiles, ainsi que représenté schéma- tiquement sur la fig. 4.
On voit sur ce.tte figure que le moteur 'thermique 62 du véhicule entraîne l'inducteur 63 d'un alternateur dont¯l'induit 64 coagit conformément à l'in- vention avec un collecteur 56 et des balais rotatifs 52 solidaires d'un système 57 entraîné à partir d'un varia- teur 54.
Le courant recueilli.par le système de balais sur des bagues 65,, alimente alors un ou plusieurs moteurs asynchrones M, entraînant les roues du véhicule, moteurs auxquels l'alternateur est relié par des câbler ries appropriées, avec. commande à distance.
Un tel ensemble'paraît particulièrement avantageux, en raison notamment: de la suppression des dispositifs de changement de vitesse, tous moyens pouvant', être alors prévus (sérvo- moteur, commande par force centrifuge, etc.) pour régler le moteur thermique de façon qu'il tourne toujours au 'même régime optimum, de l'augmentation de rendement résultànt justement de ce que le moteur thermique travaille toujours au même régime optimum, la souplesse de fonctionnement de l'en- semble étant obtenue entièrement par voie électrique, et de la simplification de l'embrayage, celui-ci, s'il existe, servant seulement à la mise en route du moteur thermique.
L'ensemble de ces divers avantages appa- raît clairement, en particulier, sur les camions pour lesquels, les manoeuvres sont difficiles et les conditions d'utilisation des moteurs thermiques généralement mau- vaises. Il y aura à la fois économie de combustible, amé-
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lioration des performances, moins de fatigue du moteur thermique, et plus grande facilité de manoeuvre pour le conducteur, du fait de la suppression du changement de vitesse, avec seulement deux pédales, celles de l'accélé; rateur et celle du frein.
L'invention s'étend encore aux disposi- tions suivantes, à utiliser ensemble ou séparément.
On a montré plus haut que l'on pouvait obtenir, grâce à l'invention, un moteur à vitesse varia- ble et à puissance demeurant peu près constante ou va- riable, dans des limites restreintes.
Mais on pourrait aussi, conformément à certaines desdites dispositions, agir concurremment sur d'autres facteurs intervenant dans le fonctionnementdes moteurs du. type en question (disposition qui pourrait, comme les suivantes, s'appliquer à des machines autres que des moteurs, notamment à des génératrices, transfor- mateurs, etc...).
On pourrait notamment agir sur la tension d'alimentation, par exemple à l'aide d'un transformateur réglable 70, dont la commande 71 peut être manuelle, ou couplée automatiquement en 72, à la commande 61 du varia- teur de vitesse (fig. 5).
De cette manière, on réalisera par exemple une marche à couple constant, ou toute autre combinaison en particulier intermédiaire entre couple constant et puissance constante.
On pourra aussi passer, avec un système commutateur approprié d'un courant polyphasé à un autre courant ayant un nombre de phases différent, par exemple du bi ou triphasé, ou monophasé et vice-versa.
Selon une autre disposition', de l'invention on applique les moyens distributeurs sus-visés à des ma-
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chines comportant un accrochage électrique entre le rotor' et le stator, c'est-à-dire à des machines du genre des moteurs' synchrones,.avec toutefois la possibilité, grâce auxdits moyens, d'assurer le démarrage aisé, et de faire varier la vitesse de synchronisme.
Si on considère en effet un moteur syn- chrone avec rotor (ou stator) alimenté en courant continu et stator (ou rotor) alimenté en courant alternatif, on sait que ce moteur possède une vitesse de synchronisme qui est rigoureusement fonction de la fréquence du cou- rant alternatif. Mais si,on distribue ce dernier à l'aide de balais r,otatifs tels que susvisés, on peut modifier la vitesse du champ tournant @réé par le bobinage du stator )et, partant, la vitesse d'accrochage. Il en résul- te qu'en communiquant aux balais des vitesses angulaires variables on peut, d'une part, obtenir le démarrage pro- gressif du moteur en fonctionnement synchrone et, d'au- tre part, faire varier, dans toute gamme désirée la vites- se de synchronisme.
Des résultats analogues seront obtenus si, comme représenté sur la fig.-6, on alimente en alternatif à la fois le rotor et le stator.
Dans ce cas, on peut démarrer en moteur asynchrone. Il suffit par exemple d'alimenter en alter- natif le rotor 55 à partir d'un dispositif 73 -- qui peut comporter un tranformateur délivrant une tension pouvant être différente de celle à distribuer au stator - tandis que le bobinage du stator est, à ce moment,' fermé sur lui-même avec, éventuellement, des résistances inter- calées.
Puis, lorsque le rotor a atteint la vi- tesse correspondant à celle d'un moteur synchrone -- par exemple 5.000 tours s'il s'agit d'une disposition bipo-
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laire à la fréquence 50 '-- on peut obtenir le synchronise en envoyant du courant alternatif dans le stator mais en faisant tourner les balais en sens inverse du champ tour- nant qui serait obtenu en l'absence desdits balais, de sorte que l'on obtienne un champ de vites se angulaire substantiellement nulle, l'ensemble étant alors équive- lent à un moteur synchrone à stator alimenté en continu.
A partir de ce stade de fonctionnement, il sera possible de réaliser toutes les vitesses possi- bles -- tout en maintenant le synchronisme -- en agissant sur la vitesse des balais. Dans l'exemple envisage plus haut, on amènera progressivement le rotor à la vitesse de 6.000 en réduisant jusqu'à zéro la vitesse des balais.
Puis, en actionnant ceux-ci en sens inverse, on dépasse- ra la vitesse de 6.000, par exemple jusqu'à 9.000 tours,
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pour une vitesse dessalais de 500QG tours en sens inverse d.e celle communiquée en premier lieu.
On pourraitprévoir des balais rotatifs également sur le rotor, ce qui permettrait, par la manoeu vre de ces balais, d'étendre encore la gamme des vitesses
Il est à noter enfin-que le démarrage en asynchrone n'est nullement nécessaire. On pourrait démar-
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rer p #.> e g r <9 s <: 1 ;1 e .; > e i= t , p8' exeinple en 3men2D rbcd les balais du stator a. la vitesse de 6.000 au lieu de 3.000, dans l'exemple ci-dessus, le fonctionnement étant dans ce cas synchrone dès le démarrage.
Le courant est supposé, sur la fige 6, arriver aux balais à travers un dispositif de commande 74. L'organe de manoeuvre 75 de ce dispositif permet, dans une position, d'assurer la marche del'appareil au démarrage et, dans l'autreposition, d'alimenter le sta- tor en courant alternatif à un voltage convenable, éven- tuellement variable.
Selon une autre disposition de 1-'invention,
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illustrée sur les fig. 7,et 8 et relative au cas où l'on fait coagir les balais avec un collecteur, notamment un anneau collecteur plan établi de façon analogue à elle illustrée sur la fig. 3,, on s'arrange pour que lesdits balais, au lieu d'être perpendiculaires ou parallèles à l'axe de rotation, soient légèrement inclinés par rapport à celui-ci. On évite ainsi, dans le premier cas, l'effet de projection des balais dû à la force centrifuge, dans le deuxième cas, le coincement ou le blocage des balais dans leur support sous 1'.effet du frottement dû à la force centrifuge.
On voit en effet que, grâce à ladite disposi- tion, la force centrifuge donne lieu à une composante qui tend à diriger les balais 52 vers l'anneau collecteur 56 ; cette action peut' être réglée, bien entendu, par des mo- yens appropriés 76. Le support 77 peut être monté de façon appropriée sur le bâti tournant 57.
L'angle d'inclinaison A sera choisi de fa- çon appropriée, voire réglable, en fonction des coeffi- cients de frottement, des vitesses de rotation entrant en jeu et des pressions désirées sur le collecteur.
Il est entendu que cette disposition pour- rait s'appliquer à des,collecteurs cylindriques (en par= ticulier avecbalais intérieurs), dans le but de modérer ou compenser l'action de la force centrifuge ou dans tout autre but
L'invention s'étend encore aux dispositions suivantes,qui sont relatives à des moyens commutateurs et qui s'utilisent de préférence avec des machines telles que sus-spécifiées, bien qu'elles puissent également être uti- .lisées séparément.
Selon l'une de ces dispositions, on agence les balais de façon telle qu'ils présentent, tout au moins dans le sens où s'effectuenla commutation, une conducti- bilité variable, cela de façon à permettre que, lorsque
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lesdits balais viennent en contact avec une nouvelle lame collectrice ou, au contrsire, viennent à quit- ter l'une de ces lames, la conductibilité soit considé- rablement réduite; d'où le possibilité de limiter ou de supprimer les étincelles et d'amener une commutation aussi parfaite que possible.
A cet effet, on peut précéder de diverses manières, étant entendu qu'il y a intérêt à rendre la variation de résistance aussi progressive que possible.
C'est ainsi que l'on peut, par exemple: soit agencer les calais à le manière habituelle, mais disposer sur au moins l'un des côtés du balais con- ducteur principal, une série de lames ! conductrices iso- lées entre elles et reliées à l'arrivée 'de courant par des résistances ou selfs rigoureusement calculées, le tout de Manière obtenir une conductibilité décroissant vers l'extérieur, soit disposer, sur l'un au moins des cotésde l'âme du balai,
des lamelles aussi minces et aussi nombreuses que possible et progressivement isolantes, ces lamelles pouvant être conçues et établies de toute manière appro- priée, notamment par un mélange de poudre conductrice et de matière isolante (matière plastique, verre, etc...
) un ..'iode de réalisation pratique consistant par exemple à empiler ou superposer des nappes ou épaisseurs successi- vesde substances de conductibilité différente, nota..:ment
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y^re=Nivc, 1: le;-; ..coder, pui à lac éi.lcav.pei;. ;>v.J: di- ..1Y¯:10i1t 1!.<:;i:I,:'e::;
VC,i;i. oL: ::p;>é 5 la cuisson ou oP'l'u,ion si:r:il ¯ i e s'il y 3 lieu.. soit réaliser des ba12is ou. ,:1 :;:en N de b;:1=1,s à z<1;;1=t.:mce progressive à Mesure que l'c;n va vers les bords celé par exemple à l'aide d'un mélange )de poudre conduc- trice et de liant isolant, dont la proportion est choisie de façon variable vers l'extérieur ou par un procédé
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analogue au:précédent, soit procéder de toute autre manière permettant de réaliser une commutation progressive et aussi parfaite que possible.
, Dans le cas où l'on a recours àdes la- melles conductrices avec résistances on selfs intermé- diaires, le courant passera successivement dans lesdites résistances ou selfs et dans les lamelles, tandis que, dans les autres;cas, le courant passera d'une lame du collecteur à la voisine à travers des lames ou épaisseurs progressivement isolantes.
Sur la fig. 9, où 1!on voit en 100 les lames du collecteur, on a représenté en 200 l'âme du charbon et en 300 la portion extérieure de conductibi- lité variable. Cette portion,peut s'étendre seulement dans le sens de la commutation, par exemple dans le cas
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où le charbon a une forme parallélipipédique ou st'é'te-n- dre dans toutes les directions, notamment si le charbon est de formée cylindrique, .
Si l'on a recours aux modes de réalisa- tion susvisés, on peut mélanger, par exemple, à la pou- dre de graphite, une matière isolante du genre de cer- , tains des liants connus ou de matières plastiques. Il suffit, dans le troisième mode, lors du moulage, d'in- troduire dans le mode des proportions variables d'iso- lants, de façon à réaliser les couches de conductibili- t'é pouvant être, déterminée de façon appropriée, en fonc- tion de l'impédance des circui.ts.
Bien entendu, on choisit pour l'épaisseur e calculée dans le sens de la commutation une valeur .convenable eu égard à la vitesse de commutation, à la largeur d des lames et à l'impédance des circuits en- tre lames.
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Des éléments de balais établis comme in- diqué peuvent être, bien entendu, ac.colé ou non au balai principal.
Il est entendu d'ailleurs que le procédé peut être utilisé en combinaison avec tous moyens de type connu, (notamment utilisant des condensateurs) pour améliorer les conditions de commutation.
En suite de quoi, et quel que soit le inode de réalisation adopté, on obtient un ensemble dont le fonctionnement ressort suffisamment de ce qui précè- de pour qu'il soit inutile d'insister à son sujet et qui présente, par rapport aux ensembles du genre en ques- tion,déjà existants, de nombreux avantages, notamment:
celui de permettre d'obtenir des gammes de vitesses très étendues, celui de se prêter à toutes applications, étant entendu notamment, que la plupart des dispositions sus- visées, y compris celles relatives aux balais rotatifs inclinés, pourraient être appliquées à tout autre type de machine ou dispositif (commutatrice, permutatrice, etc.), rhéostats, commutateurs à plots multiples, celui de maintenir une bonne commutation.
avec étin- celles moins importante que jusqu'à pré'sent, du fait que le courant de rupture et/ou le courant d'établissement aux extrémités de la course relative des balais peuvent être considérablement réduits ou même annulés, et celui d'améliorer le rendement, grâce au fait que la courbe à la sortie du collecteur est plus régu- lière.
Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ses modes d'application, non plus qu'aux modes de réalisation de ses diverses parties ayant été plus spécialement 'envisagés; elle en embrasse,
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au contraire, toutes les variantes.