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Transformateurs, bobines de réaction, électro-aimants, etc..
Jusqu'à présent, les transformateurs, bobines de réaction, électro-aimants et autres appareils électriques analogues sont généralement composés d'un noyau bon conducteur, en tôles de fer par exemple, portant un enroulement fait en matière bonne conductrice de l'électricité, telle que le cuivre ou l'aluminium. Or l'invention qui va être décrite a pour objet de remplacer la matière d'enroulement bonne conductrice de l'électricité et relativement coûteuse, par du fer, et le cas échéant, par une autre matière ferro-magnétique, sans réduire le rendement de l'ensemble du dispositif.
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Comme la conductibilité électrique du ferest petite, et comme sa perméabilité est grande,il est vrai qu'il n'est pas possible de conserver la construction usuelle et de faire simplement l'enroulement en fer, car on obtiendrait dans ce cas des conditions qui seraient loin d'être économiques.
La solution de ce problème est donnée par l'invention.
A cet effet (phase incomplète; le fonctionnement du noyau de fer et celui des enroulements est combine dans un élément de construction unique, qui est une bobine enroulée en spirale, bonne conductrice de l'électricité, ou un ensemble de bobines de ce genre),ces bobines étant constituées par exemple par des rubans de fer isolés. On emploie donc une seule et même matière pour conduire le flux magnétique, ainsi que pour conduire le courant électrique.
Le flux magnétique utile traverse alors les ensembles de bobines dans le sens axial et le courant électrique circule perpendiculairement à ce flux dans les spires des bobines. Il en résulte qu'il est avantageux de faire en sorte que la conductibilité magnétique soit aussi grande que possible dans le sens de l'axe des bobines, et qu'elle soit réduite autant que possible dans le sens radial, pour limiter la dispersion magnétique et le refoulement non uniforme du courant dans la section conductrice des bobines.
En conséquence, le trajet magnétique du flux principal ne doit pas être interrompu trop souvent par l'isolement électrique des différentes spires ou des différentes bobines. Il faut donc s'efforcer d'obtenir le résultat cherché avec le nombre minimum de bobines. Il est vrai que cela n'est pas le cas pour les bobines de réaction, pour lesquelles on exige un grand entrefer, c'est-à-dire dans lesquelles on peut donc aussi
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laisser avantageusement entre les différentes bobines de plus grands intervalles qui peuvent être remplis le cas échéant avec une matière isolante électrique ayant une petite conduc- tibilité magnétique. L'augmentation de la résistance magnétique dans le sens radial des bobines est aussi obtenue en soi par l'isolement des différentes spires des bobines, isolement qui est nécessaire pour d'autres raisons.
En outre, le couplage combiné d'un minimum de bobines dans le sens de l'axe entraine indirectement aussi une augmentation de la résistance magné- tique dans le sens radial, de sorte que cette mesure est également favorable pour cette raison. Pour les transformateurs, il faut des rubans,de fer d'une perméabilité aussi grande que possible, en raison du courant de magnétisation dont il faut tenir compte. Il faut aussi que la conductibilité électrique soit aussi grande que,possible pour tenir compte des pertes de résistance par le courant utile et le courant de marche à vide. Il faut également que les pertes par hystérésis soient aussi petites que possible.
Dans les transformateurs de grand rapport de transformation, il peut y avoir, dans l'enroulement à haute tension, un nombre d'entrefers tellement grand que le fer de cet enroulement ne puisse être utilisé qu'en petite partie pour conduire le flux magnétique utile, Dans ce cas on peut employer avantageusement, au lieu de l'enroulement en fer, un ruban ou un fil en matière bonne'conductrice, par exemple en fer ou en aluminium, de sorte que le transformateur ne contient alors, en plus de cet enroulement, par exemple, que l'enroulement à basse tension ou à tension moyenne en matière magnétique.
Le mode de construction décrit pour des transformateurs constitués en partie ou en totalité par une matière ayant
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une bonne conductibilité magnétique peut'aussi être employé pour supprimer partiellement ou totalement, ou même pour compenser le courant de magnétisation par les courants de capacité produits par des mesures appropriées prises entre les différents éléments de l'enroulement. Ce résultat est parti- culièrement facile à obtenir dans les auto-transformateurs et les systèmes de courant dont le point neutre est mis à la terre.
L'enroulement est alors établi de façon que les différents éléments correspondants de l'enroulement aient de grandes surfaces de contact réciproques et de très petits in- tervalles que l'on remplit avec une matière ayant une constante de diélectricité aussi grande que possible. Dans ce cas il faut naturellement a.ussi que la matière isolante satisfasse à des conditions plus rigoureuses, relativement à l'angle de perte, que celles qui seraient nécessaires dans d'autres conditions. Il est également avantageux que les différences de tension entre les éléments d'enroulement montés les uns dans les autres, et appartenant à des systèmes différents, soient aussi grandes que possible, résultat que l'on obtient par un monta.ge approprié des groupes de bobines.
. La construction de transformateursde ce genre se ra.pproche alors de plus en plus de celle des condensateurs statiques, surtout lorsqu'on emploie des rubans de fer n'ayant que l'épaisseur de feuilles minces. Dans ces confitions, l'addition de feuilles minces de grande conductibilité électrique peut avoir une importance multiple. On constate parfois aussi qu'il est particulièrement avantageux d'appliquer une couche bonne conductrice, par exemple par galvanostégie, sur les rubans de fer dont les bobines sont faites.
La fabrication des parties actives de transformateurs; bobines de réaction, d'électro=aimants, etc... conformes à la
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présente invention peut avoir lieu mécaniquement à l'aide d'un matériel de fabrication relativement simple.
On décrira maintenant des exemples de réalisation correspondants de l'invention, exemples dans lesquels les bobines en ruban de fer sont utilisées pour la fabrication.'des dispositifs qui viennent d'être cités, ces bobines en ruban de fer étant juxtaposées dans le sens axial ou disposées en cercle.
Dans ces conditions toutes les bobines en ruban de fer, prises successivement deux à deux, sont enroulées avantageusement dans des sens opposés. Les bobines sont montées en série alternativement, une fois à l'intérieur et une autre fois à l'extérieur de la bobine.
Quelques exemples de réalisation de l'invention'sont représentés dans les figs. 1 à 18 des dessins ci-joints.
La fig. 1 est une coupe partielle et une élévation d'un transformateur conforme à l'invention.
La fig. 2 représente une colonne composée de bobines superposées dans le sens axial.
La fig. 3 est une vue du transformateur ou de la bobine de réaction de type annulaire.
La fige 4 est une vue de la pièce intermédiaire servant à remplir l'entrefer cunéiforme de l'exemple de réalisation de la fig. 3.
Les figs. 5 à 10 représentent des types de culasse en forme de cylindres creux, notamment pour des bobines de réaction, d'une part en coupes axiales et d'autre part en coupes perpendiculaires à l'axe.
La fig. 11 est une coupe axiale d'un mode de réalisation d'un enroulement de transformateur ayant une garniture intérieure en ruban de fer et des spires de tension en fil métallique.
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La fig. 12 est un plan de cet enroulement.
La fig. 13 est un diagramme montrant l'évolution, d'une part du champ magnétique, et, d'autre part, de la force magnétomotrice le long des enroulements représentés dans les figs. 11 et 12.
La fig. 14 est un schéma de connexions, et
La fig. !5 est une coupe schéma tique de la colonne du transformateur conforme à la présente invention, avec des enroulements cylindriques en fer ou en aluminium ajoutés aux bobines en ruban de fer.
La fig. 16 est un plan schématique d'une bobine en spirale double en forme d'S.
La fig. 17 est une vue des bobines oblongues au moyen desquelles on peut faire les culasses.
La fig. 18 représente enfin schématiquement l'opération de fabrication pour l'isolement et l'enroulement des bobines.
La fig. 1 montre comment le noyau magnétique usité jusqu'ici et comprenant un enroulement de transformateur indépendant peut être remplace suivant la présente invention par un élément de construction unique constitué par une ou plusieurs bobines en spirale en matière ayant une bonne conductibilité magnétique. Cette figure représente un transformateur constitué par deux colonnes 6 composées de bobines de ce genre, les faces extrêmes des colonnes étant reliées magnétiquement par des culasses 5. La colonne 6 est constituée par des enroulements formés de bobines en spirale du côté à basse tension 1 et par des enroulements formés de bobines en spirale du côté à haute tension 2.
Les transformateurs à plus de deux tensions, par exemple les transformateurs ayant un enroulement tertiaire,,
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peuvent avoir naturelement un plus grand nombre de systèmes de bobines en spirales. Comme le montre la figure, les enrou- lements des différents côtés de tension, dans le cas présent par exemple' .1' enroulement primaire et l'enroulement secondaire, sont bobinés l'un dans l'autre, ce qui limite beaucoup la dis- persion magnétique, Lorsqu'une plus grande dispersion peut être tolérée, les différents enroulements'peuvent aussi être séparés, les bobines à basse tension pouvant alors se trouver avantageu- sement à l'intérieur et les bobines à haute tension à l'exté - rieur.
Dans le type de construction représenté dans la fig. 1 on fait passer les extrémités intérieures 3 des bobines 2 à travers des évidements 4 ménagés dans l'une des deux culasses 5 ou dans les deux, et on les relie d'une façon appropriée aux extrémités des bobines de la même colonne ou de l'autre co- lonne 6, pour obtenir le montage correspondant des différentes bobines. Une telle construction est particulièrement avanta- geuse pour les transformateurs dont le rapport de transforma- tion est 1 : 2et davantage. On peut simplifier la réunion des extrémités des bobines de la façon représentée dans la fig. 16, où les colonnes voisines sont constituées par des bobines doubles en forme d'S enroulées dans des sens opposés.
La fig. 2 représente une colonne de transformateur composée de bobines 7 superposées dans le sens axial. Les extrémités intérieures des bobines voisines sont reliées-élec- triquement deux à deux, d'une façon appropriée, par une con- nexion à contact flexible ou à ressort. Pour maintenir le sens de passage du courant, il faut naturellement que les spirales des bobines voisines soient enroulées en sens con- traire. Les connexions conductrices peuvent être largement simplifiées par l'emploi des bobines doubles en forme d'S de la fig. 16.
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La fig. 3 représente une disposition qui convient particulièrement bien pour des bobines de réaction, où l'on peut s'attendre à de nombreux entrefers entre les différentes bobines. Dans ce cas les bobines en spirale 8 en ruban de fer sont disposées de façon que leurs axes 9 forment des tan- gentes à. un cercle, l'ensemble de la bobine de réaction res- semblant alors à un transformateur annulaire. Toutefois l'en- semble de l'entrefer constitué par les différents entrefers , cunéiformes 10 existant entre les plaques de base circulaires* des bobines 8 serait presque toujours trop grand; c'est potar- quoi l'on intercale, dans les entrefers 10, des pièces intermédiaires 11 constituées en totalité ou en partie par une matière de bonne conductibilité magnétique.
La fig. 4 repré- sente une pièce intermédiaire 11 de ce genre. Il convient de faire ces pièces intermédiaires en matière isolante comprimée.
Pour augmenter la conductibilité magnétique on peut ajouter de la poudre de fer ou des copeaux de fer à cette matière ou introduire, da.ns celle-ci, des corps en fer 12 ou des paquets de tôle 13 que l'on comprime en même temps de façon appropriée (fig. 3).
Les figs. 5 à 10 représentent des types de culasse en forme de cylindres creux, qui ont donné de bons résultats: notamment dans la construction des appareils de couplage en série avant pour des appareils d'éclairage à lumière mixte de
Hg, à vapeur de sodium,des tubes luminescents et d'autres appareils d'écla.irage à décharge. Dans les cas représentés la culasse en forme de cylindre creux en matière ferro-magné- tique de grande perméabilité entoure comme une boîte toutes les bobines conductrices en fer, de sorte que les lignes de force sortant des bases des bobines extrêmes sont conduites ,par la voie la plus courte d'une extrémité de la bobine.à
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1'autre.
L'enveloppe magnétique de la culasse en forme de cylindre creux peut être constituée par un ruban de fer enroulé ou faite en fer de bonne conductibilité magnétique, en fonte ou en matière ferro-magnétique comprimée.
La fig. 5 est une coupe axiale et la fig. 6 une coupe transversale montrant la fabrication d'une pareille bobine de réaction, constituée par quatre bobines en spirale 13 entourées par une culasse. La culasse est composée des rubans de fer qui forment un cylindre creux 14 et par les tôles de fer qui forment les bases circulaires 15. Un boulon 16, qui traverse les bobines 13 et les bases 15 en leur milieu porte, à ses extrémités, des écrous 17 maintenant l'assemblage de toute la bobine de réaction.
Ce dispositif peut aussi servir facilement pour faire varier l'inductivité de la bobine de réaction, lorsque l'isolant électrique entre les.bobines est constitué par une matière élastique..Dans ce cas, en tournant convenablement les écrous 17, on peut faire varier les entrefers entre les bobines 13 et régler aussi le courant par la variation de l'inductivité. Pour augmenter l'étendue du réglage du courant, les deux plaques de base 15 peuvent être faites en tôles élastiques superposées, cintrées et concaves du côté des bobines en fer, comme cela est représenté en tireté dans la fig. 5.
Une bobine de réaction composée également de quatre bobines 13, mais avec une culasse 18 en matière ferro-magnétique comprimée, est représentée d'une manière analogue à la précédente dans les figs. 7 et 8.
Les fig. 9 et 10 représentent une construction analogue dans laquelle on a encore introduit dans la matière comprimée 18, pour augmenter la perméabilité de la culasse,
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des tôles de fer au silicium, d'une part, des tôles 19 en forme d'enveloppe cylindrique, et, d'autre part, des tôles 20 en forme de plaques de base circulaires.
Un autre perfectionnement permettant une meilleure utilisation des rubans de fer conduisant le courant est représenta dans les figs. 11 et 12. Les bobines en spirale 21 sont enroulées normalement du rayon r de la garniture intérieure centrale 22 au rayon extérieur R. Pendant le passage du courant à travers une telle bobine les ampères-tours augmentent de la surface au centre de la bobine le long du rayon R jusqu'au rayon r, comme cela est représenté par la ligne I dans la partie de droite du diagramme de la fig. 13. Cela signifie toutefois que les spires intérieures de la bobine en spirale sont aimantées plus fortement et que de fortes pertes par hystérésis et par des courants de Foucault peuvent se produire à cet endroit,
tandis qu'il semble que les spires plus rapprochées de la périphérie ne sont pas suffisamment utilisées magnétiquement. On peut remédierà ce défaut par l'insertion de quelques spires commençant sur le rayon r, allant à peu près jusqu'à la moitié de la distance (R-r) et faitesen ruban de fer au silicium 23 de plus grande épaisseur et de plus grande perméabilité, comme.cela est représenté dans les fig. 11 et 12.
On peut ainsi éviter l'augmentation excessive des ampèrestours à proximité du centre des bobines; c'est ce que l'on peut remarquer, dans le diagramme des ampères-tours de la fig. 13, par le remplacement de la partie supérieure de la ligne I par la ligne I'.
Pour mieux utiliser magnétiquement aussi les spires extérieures des bobines en spirale, il est avantageux de disposer a.utour de la bobine en spirale 21 un enroulement supplémentaire 24 (qu'on appelle les spires de tension) en fil métal- lique isolé enroulé dans le même sens et monté en série avec
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la bobine. En conséquence, les ampères-tours commencent immé- diatement, sur le rayon R, avec la valeur PZ, comme celle qui est indiquée dans le diagramme et à laquelle la valeur anté- rieure Z vient encore s'ajouter au cours de la progression vers les spires intérieures, de sorte qu'il se produit déjà une haute induction magnétique au centre de gravité des spires et que la majeure partie de la bobine semble être bien utilisée magnétiquement.
Dans la moitié de gauche du diagramme la courbe
Bi indique l'évolution de la saturation magnétique (en gauss) dans le sens radial de la bobine sans spires supplémentaires
24, et la courbe B2 désigne l'évolution correspondante de la . saturation après l'enroulement des spires de tension supplémentaires. Le diagramme, montre le grand avantage de cette dis- position.
Comme il suffit, pour atteindre les conditions favo- rables, que l'enroulement supplémentaire contienne une fraction seulement du nombre des spires des spirales en fer, il suffit généralement de disposer les spires de tension en deux.ou trois couches, ce qui permet de charger le conducteur sensiblement davantage que dans les transformateurs usuels ou les bobines de réaction usuelles.
Ces spires supplémentaires ne pèsent presque toujours que quelques pourcents du poids des bobines en fer, de sorte qu'on peut les faire en fil isolé de cuivre, d'aluminium ou de zinc ou même en fil de fer isolé. L'applica- tion des spires supplémentaires permet non seulement de réduire considérablement le poids total des bobines en fer mais aussi de déterminer avec, précision .le courant de court-circuit, qui dépend d'une saturation magnétique déterminée du fer, ce qui est particulièrement important, par exemple pour les appareils montés en série avant.
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Les colonnes 6 de la. fige 1, qui sont composées de spires primaires et de spires secondaires 1 et 2, peuvent aussi être entourées d'une ou plusieurs bobines enroulées normalement, connue le montre la, fig. 15. Dans cette figure la. colonne composée des spires en fer 1 et 2 est entourée par des bobines 25 et 26 qui sont par exemple en fil de cuivre ou d'aluminium isolé. La bobine extérieure peut être montée en série ou en parallèle avec les spires en fer.
La fig. 14 représente schématiquement des exemples d'un montage en parallèle ,et en série de la bobine supplémentaire 26 avec la spire principale 2. Le montage de la. bobine supplémentaire 26 en parallèle (côté gauche de la figure) permet de maintenir exactement le rapport de transformation du transformateur, même que ce rapport n'est pas un nombre entier.
D'autre part la bobine supplémentaire a encore une influence sur la répartition du flux magnétique à l'intérieur de l'en-- roulement, d'une façon analogue à celle qui a déjà été expliquée plus haut relativement aux spires de tension. I,orsqu'on emploie une bobine supplémentaire indépendante, contrairement' aux spires de tension à une à trois couches, on peut obtenir une saturation magnétique presque uniforme dans la. section transversale;, magnétiquement conductrice, des bobines en spirale et une utilisation complète de la. matière. Pour les transforme leurs il convient de disposer la bobine supplémentaire sous la. forme d'une bobine d'excitation et de la monter en parallèle avec les bobines en fer.
Comme cette bobine n'a besoin d'être calculée que pour le courant de marche à vide, elle n'exige pas une grande dépense de matière et on pourrait par conséquent 1a faire aussi en fer.
Toutes les parties électriquement actives des transformateurs et autres appareils conformesà la présente invention.
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peuvent être fabriquées avec un matériel de fabrication rela- tivement simple. Les rubans dont les bobines sont faites peuvent être isolés électriquement comme d'habitude, Lorsqu'on emploie un isolant.en papier ou en feuille mince, l'isolement et l'en- roulement des rubans peuvent se faire avantageusement en une seule et même opération combinée à l'aide d'un ruban isolant dont la largeur correspond à peu près à l'étendue de la section transversale du ruban de fer. Un pareil mode de fabrication est indiqué dans la fig. 18.
Avant d'enrouler le ruban de fer
27, on l'entoure de ruban isolant 28, avantageusement de telle façon que le joint de fermeture 29 du ruban isolant soit tou- jours sur le côté extérieur de la bobine. Pendant l'opération il convient de faire passer le ruban de fer 27 et le ruban iso- lant 28 sur des galets et des chariots appropriés. Le rabatte- ment du ruban isolant peut avoir lieu par exemple à l'aide de plusieurs galets dont les axes de rotation sont de plus en plus inclinés par rapport aux galets d'apport, de façon qu'ils replient graduellement les bords 30 et 31 du ruban isolant 28 autour des bords du ruban de fer jusqu'à 1800 ou à.peu près cette valeur, comme cela est indiqué dans la figure citée.
Au lieu de galets on peut aussi employer, pour replier les bords du ruban isolant, une forme semblable à un ajutage et dans la- quelle le ruban isolant'est replié sur les bords par des arêtes disposées de façon appropriée. Le repli des bordq peut encore être facilité par un pliage partiel préalable avant l'assem- blage des bords avec le ruban de fer ; ce cas on n'a pas besoin de dispositifsde pliage sur la bobineuse, ou bien ces dispositifs peuvent être très simples.
Un autre isolant très avantageux pour le ruban de fer est une couche isolante homogène appliquée chimiquement ou autrement qui protège le fer en même temps contre la rouille.
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On. obtient ce résultat par exemple au moyen d'une couche de phosphate ou d'oxyde. De pareilles couches isolantes assurent non seulement l'isolement électrique des rubans mais préservent aussi le fer en le mettant à l'abri des intempéries.
Dans les cas particuliers, lorsqu'une plus grande résistance électrique aux décharges disruptives est exigée, on peut augmenter le pouvoir isolant de la couche de phosphate ou d'une autre couche en appliquant sur cette couche après coup, des matières isolantes telles qu'un vernis isolant ou une matière analogue. Un isolant ainsi appliqué après coup sur son support adhère beaucoup mieux et forme avec'le support une couche homogène dont Inaction est beaucoup plus avantageuse que lorsque l'isolant est appliqué directement sur le fer nu.
La construction de transformateurs, de bobines de réaction, d'aimants et d'autres dispositifs conformes à la présente invention n'est nullement limitée aux exemples cités.
C'est ainsi par exemple que l'on ne sort pas du cadre de l'invention en employant, pour faire les bobinesen spirale, au lieu de fer, une autre matière ferro-magnétique appropriée, telle que le nickel, le cobalt, etc...