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Perfectionnements aux générateurs de courant alternatif.
La présente invention est relative à des perfectionne- ments aux générateurs de courant alternatif du type à induction dans lesquels l'aimant permanent qui fournit le champ et les enroulements d'armature se trouvent en relation fixe entr'eux, les changements nécessaires de flux pour produire la force électromotrice étant produits par des masses en substance magnétique, ou armures, qui tournent par rapport à l'aimant de champ et aux enroulements de l'armature. L'invention se rapporte plus particulièrement aux alternateurs à induction adaptés à être montés dans le moyeu de la roue d'un cycle pour fournir le courant nécessaire à l'éclairage.
Un alternateur à induction peut être construit de telle manière qu'un courant électrique est induit dans une bobine soit par commutation d'un flux magnétique par rapport à la bobine, ce qui provoque un changement de direction du flux à
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la fréquence requise, soit en faisant varier la valeur du flux entre un maximum et un minimum tout en maintenant sa direction constante. Ce dernier type présente certains avantages puisqu* il permet de réaliser une construction qui ne doit contenir qu'un aimant de construction simple à deux pôles et ayant des pièces polaires dentées, sur les faces desquelles un certain nombre de jougs en fer égal au nombre de dents peuvent tourner afin de faire varier la réluctance du circuit magnétique, une seule bobine d'induction étant adjacente à l'aimant ou entou- rant celui-ci.
Un tel aimant à deux pôles peut rester non- aimenté pendant l'assemblage, en éliminant ainsi le danger de destruction du magnétisme pendant le travail d'assemblage et des ennuis qui pourraient résulter des limailles métalliques attirées par les parties aimantées et adhérant à celles-ci.
Une telle pièce non-aimantée peut être aimantée facilement de l'extérieur après assemblage de la machine.
Il y a cependant certains désavantages associés avec le type de générateur à induction puisqu'un aimant permanent ne permet qu'à un certain pourcentage de son magnétisme de pulser lorsqu'on fait varier périodiquement la réluctance du circuit magnétique, et cela s'applique plus particulièrement au cas d'aimants anisotropiques modernes. Avec les variations pratiques de réluctance, la valeur du flux magnétique qu'on fait varier est relativement basse. Une nouvelle réduction du flux magnéti- que effectif est déterminée par les fuites naturelles, communes à tous les circuits magnétiques, qui se produisent en quantité encore plus grande dans le cas d'un alternateur à faible vitesse et haute fréquence ayant de nombreux pOles à pas étroit de pola- rités opposées.
Une telle fuite augmente limpédance inhérente de la bobine en réduisant ainsi le débit du générateur.
L'un des objets de la présente invention est de prévoir des alternateurs à induction perfectionnés, dans lesquels une partie plus grande du flux magnétique disponible émanant de son aimant permanent est utilisée pour l'induction, en améliorait
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ainsi le débit d'une machine donnée.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une nouvelle forme d'alternateur à induction qui ait un poids léger et une structure compacte, convenant ainsi pour son emploi dans le moyeu d'une roue de cycle à pédale. D'autres objets de linven tion sont de prévoir un tel alternateur ayant un débit de cou- rant qui ne varie pas de trop avec la vitesse de rotation de la roue et qui ait une fréquence telle que même aux faibles vites- ses la lumière ne vacille pas trop devant les yeux du cycliste.
Suivant la présente invention, un générateur de courant alternatif du type à induction consiste en une armature qui comprend un anneau aimanté permanent, aimanté en direction axiale, deux anneaux polaires dentés connectés magnétiquement à l'aimant et co-axiaux avec celui-ci et espacés axialement entr'eux, et une bobine d'armature coaxiale avec l'aimant et située entre les deux anneaux polaires dentés, l'armature coopérant inductivement avec des moyens comprenant une armure qui complète le circuit magnétique avec réluctance variable par une rotation relative de la dite armure et de l'armature autour de l'axe de l'aimanta
De plus, un tel générateur est monté à l'intérieur du moyeu de roue d'un cycle à pédale pour l'éclairage des lampes du cycle,
la fréquence du débit du courant étant telle qu'elle donne au cycliste une lumière stable aux petites vitesses, ce débit à titre d'exemple n'étant pas oindre que vingt pulsa- tions par révolution de roue ayant un diamètre normal. De préf rence, l'armure ou les armures est ou sont fixés au moyeu de la roue et l'armature est fixée à l'axe de la roue.
Afin que l'invention puisse être facilement comprise et réalisée dans la pratique, on se reportera aux dessins ci- joints qui montrent, à titre d'exemple, des alternateurs à induction construits suivant la présente invention et adaptés à être montés à l'intérieur du moyeu de roue de cycle à pédale de diamètre normal, par exemple d'environ vingt six pouces.
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Dans les dessins :
Fig. 1 est une vue en élévation, en partie en coupe, d'un générateur.
Fig. 2 est une vue schématique d'une partie des surfaces polaires cylindriques, montrant un seul rouleau.
Fig. 3 est une vue sectionnelle illustrant un autre générateur.
Fig, 4 est une vue sectionnelle le long de la ligne IV - IV de la fige 3.
Fig. 5 est une vue sectionnelle fragmentaire le long de la ligne V - V de la fig. 4 en regardant dans la direction des flèches.
Fig. 6 est un schéma illustrant les variations de flux dans les deux circuits magnétiques.
Fig. 7 est une vue sectionnelle illustrant une variante de construction d'alternateur à induction.
Fig. 8 est une vue sectionnelle similaire à la fige 7 mais illustrant une autre variante de construction.
Fig. 9 est une vue sectionnelle similaire à la fige 7 mais illustrant un autre mode alternatif de construction.
Fig. 10 montre en forme de développement la structure d'aimant montrée dans la fige 9, et
Fig. 11 est une vue en partie sectionnelle d'un autre mode alternatif de construction.
En se reportant aux figs. 1 et 2, le générateur qui, ainsi qu'il a été dit ci-dessus est destiné à être employé dans le moyeu d'un cycle à pédale, comprend un anneau magnétique fixe 1 disposé autour de l'axe du moyeu 3 d'un cycle. L'aimant est aimanté en direction axiale, c'est-à-dire parallèlement à l'axe 3. L'axe de moyeu est formé de préférence en substance non- magnétique et l'aimant est entouré pour protection par un cylindre en cuivre 5. Une bobine d'induction 25 entoure l'ai- mant, les extrémités de cette bobine étant connectées d'une manière appropriée aux lampes du cycle.
Une pièce cylindrique
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en fer 7 en forme de cuvette est disposée autour de l'axe 3 et se trouve en contact avec la face d'extrémité de l'aimant et fixée à celle-ci, cette face ayant par exemple la polarité sud; la pièce en forme de cuvette atteint ainsi une polarité induite sud à son bord 9. Le bord cylindrique 9 de l'élément en forme de cuvette fait saillie vers l'intérieur, parallèlement à l'axe de l'aimant, et forme une surface cylindrique polaire continue concentrique avec la surface de l'aimant et avec l'axe du moyeu.
Un anneau de pièce polaire 11 ayant un bossage 15 est dis- posé autour de l'axe en contact avec la face d'extrémité de l'ai- mant ayant la polarité nord, et lui étant fixée d'une manière rigide. Le bord de cet anneau de pièce polaire 11 présente des pièces polaires en forme de dents 15 et s'étendant à travers la circonférence externe de la bobine 25. Ces pièces polaires ou dents (dénommées ci-après "les dents internes") sont séparées par des intervalles 13, chaque intervalle étant légèrement plus large qu'une dent.
Un autre anneau de pièce polaire 17 est disposé autour d'un axe en contact avec le bossage de l'anneau 11 et fixé à celui-ci sur la face polaire nord de l'aimant. Cet anneau 17 est similaire à l'anneau 7 et présente sur son bord des pièces polaires en forme de dents 19 qui s'étendent sur toute la cir- conférence externe de la bobine 25. Ces pièces polaires ou dents (dénommées ci-après "les dents externes") sont séparées par des intervalles 21, chaque intervalle étant légèrement plus large qu'une dent. Les anneaux polaires 17 et 11 ont tous deux une polarité nord induite, et sont disposés de telle sorte que les dents internes 11 et les dents externes 19 s'interpénètrent, étant séparées entr'elles par un petit espace d'air.
Les diamètres des anneaux 11 et 17 et de l'élément 9 sont égaux de sorte que les dents 15 et 19 qui ont la polarité nord, avec le bord de l'élément 9 qui a la polarité sud, se trouvent tous virtuellement sur une seule surface cylindrique, qui est coaxiale avec l'aimant et avec l'axe du moyeu, les deux séries
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de dents 15 et 19 étant séparées entr'elles par un espace d'air et les dents internes 15 étant séparées du bord de l'élément 9 par un espace d'air. Un nombre approprié de dents est trente-deux, c'est-à-dire seize dents sur chacun des an- neaux 11 et 17.
Pour le roulement et pour la connexion des dents internes et externes de polarité nord avec le bord de polarité sud, on prévoit une série (par exemple 16) de pièces d'armure sous forme de rouleaux ferromagnétiques 27 ayant environ la même longueur que l'aimant et disposées parallèlement à son axe.
Ces rouleaux sont montés de manière lâche, par exemple avec un jeu de un trente-deuxième de pouce, sur des axes 29 faisant partie d'une cage (non montrée) fixée de manière à pouvoir tourner avec le moyeu de la roue. A mesure que ce moyeu tourne, les rouleaux 27 tournent sur le chemin de roulement formé par les dents 15 et 19 et par le bord de l'élément 9, les rouleaux ayant tendance à adhérer au chemin de roulement sous l'action des forces magnétiques qui émanent du chemin de roulement, Si les rouleaux sont en contact à l'une des extrémités avec les dents externes 19 et ne sont pas en contact avec les dents internes 15 à cause des espaces 23, l'espace d'air entre le pôle induit nord et le pôle induit sud est mis en court-circuit et le flux de l'aimant circule à travers l'anneau 17, les dents externes 19, les rouleaux 27 et l'élément 9,
étant ainsi connec- té avec la bobine. A mesure que les rouleaux viennent en contact avec les dents internes 15 et quittent les dents extern 19, l'espace d'air entre les pôles induits nord et sud reste encore en court-circuit mais maintenant le flux circule à tra- vers l'anneau 11, ses dents 15, les rouleaux 27 et l'élément 9 et contourne de cette manière la bobine. Ainsi, tout le flux magnétique (excepté les fuites) est connecté avec la bobine et les variations périodiques constantes de cette connexion de flux d'un maximum à un minimum produisent l'induction d'une force électromotrice alternative dans la bobine, proportionnelle
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au taux de changement de flux.
Le flux total émanant de l'aimant permanent restera substantiellement constant, mais le flux connecté avec la bobine est à son minimum pendant la période de contact des rouleaux avec les dents internes 15 et quand les rouleaux quittent les dents internes 15 et viennent en contact avec les dents externes suivantes 19 le flux connec- té avec la bobine augmente jusqu'à sa valeur entière.Ainsi l'on verra qu'à mesure que les rouleaux roulent sur le chemin de roulement formé par les bords 9, 15 et 19, une force électrc motrice alternative est produite et que la fréquence et l'am- plitude de cette force électromotrice augmente avec le nombre de dents et des rouleaux correspondants.
L'augmentation de l'amplitude du courant produit dans les lampes par cette force électromotrice à mesure que la vitesse du cycle augmente depuis par exemple 16 Kms à l'heure, est maintenue substantiellement constante à cause de la haute impédance de la bobine 25 due à l'espace d'air entre les dents 15 et les dents 19 qui permet au flux de réaction interne pro- duit par le courant alternatif induit de compenser une grande partie de la variation de flux primaire produite par les rou- leaux. Ainsi, à mesure que la vitesse augmente, la forne élec- tromotrice induite augmente mais une force contre-électromotri- ce est produite qui augmente également avec la vitesse à une allure similaire à celle de la force électromotrice induite.
La valeur nette du courant dans les lampes auxquelles la bobine est connectée reste ainsi relativement constante au- dessus d'une certaine vitesse minimum, par exemple 16 kilomètre à l'heure, de sorte qu'une nouvelle augmentation de vitesse ne provoque pas l'endommagement des filaments de lampe.
La valeur du courant fourni par le générateur décrit à titre d'exemple peut être rendue appropriée à l'éclairage des lampes en choisissant un nombre approprié de tours de bobine, en tenant compte de la résistance totale externe au générateur.
L'on comprendra aisément que les dents 15 et 19 feules
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participent aux variations de flux puisque les rouleaux 27 font contact constant avec le bord de l'élément 7 et avec l'une ou l'autre, ou avec les deux séries de dents 15 et 19 et que par conséquent le flux total reste substantiellement constant. A cause du petit volume des dents l'hystérésis et les pertes Foucault sont faibles même si les pièces polaires sont faites en substance pleine, c'est-à-dire non feuilletée.
Un cylindre en cuivre 5 entoure l'aimant et le protège du dans champ produit par le courant alternatif XI/1a bobine, en empêchant ainsi également une démagnétisation excessive de l'aimant. Afin d'arriver à un roulement silencieux, les dents 15 et 19 et le bord 9 de l'anneau 7 peuvent être recouverts d'une mince couche (c'est-à-dire 2-3 millièmes de pouce) d'une substance élastique d'amortissement de chocs telle que du caoutchouc.
Dans une modification d'alternateur, l'anneau 7 est remplacé par une paire d'anneaux polaires similaires aux an- neaux 11 et 17. Une deuxième bobine connectée soit en série, soit de préférence en parallèle, avec la première bobine 25, est prévue pour coopérer avec ces éléments. La position relative des dents dans les deux paires d'anneaux peut être telle que chaque rouleau relie une dent externe d'une paire avec une dent interne de ltautre paire ou bien les dents externes peuvent être connectées avec les dents externes et les dents internes avec les dents internes.
Dans une autre variante de l'invention, la cage à rou- leaux est maintenue fixe tandis que l'aimant avec les anneaux polaires et les bobines est connecté avec le moyeu et de cette manière on le fait tourner.
Une autre variante de l'invention comprend, au lieu d'un aimant central fixé sur l'axe de la roue de cycle, un anneau aimanté dans le creux duquel on dispose la bobine ou les bobines, les anneaux polaires et les rouleaux, c'est-à-dire que le dispositif est renversé.
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En se reportant aux figs. 3, 4, 5 et 6, un anneau aimanté permanent 30 est monté sans pouvoir tourner, à l'inté rieur d'une partie fixe 31 du moyeu, et fixée à celle-ci, et se trouve disposé concentriquement autour de l'axe de moyeu 32, avec son axe magnétique parallèle à l'axe de l'essieu et deux faces polaires 33 et 34 pour l'extension des polarités nord et sud, Des éléments 35 en forme de disque, constituant les pièces polaires, sont fixés en contact intime avec les faces polaires plates de l'aimant, les dites pièces polaires étant prévues avec un nombre égal de dents périphériques inter- nes et externes 36 et 37, qui sont espacées uniformément et disposées en alignement axial. Il y a vingt dents internes et externes vingt @ dents/sur chaque élément 35.
Une bobine d'induc- tion 38 se trouve disposée dans l'espace entre les dents péri- phériques externes 37 des pièces polaires et entourant l'aimant 30, laquelle bobine avec les pièces polaires et l'aimant, cons- tituent les éléments fixes du générateur,
Le circuit magnétique est complété par deux anneaux d'armure 39 et 40 qui comprennent les éléments cylindriques.
L'anneau externe 39 présente un diamètre interne légèrement plus grand que le diamètre externe des pièces polaires 37 mesuré aux extrémités des dents externes, tandis que l'anneau interne 40 présente un diamètre externe légèrement plus petit que le diamètre interne des pièces polaires 35 mesuré aux extrémités des dents internes. Ces anneaux 39 et 40 présen- tent le même nombre de dents que les pièces polaires et font saillie axialement de sorte qu'ils sont perpendiculaires aux dents des pièces polaires. Les deux anneaux sont fixés à une partie mobile 41 du moyeu de roue, et grâce à cela ils tour- nent dans la même direction par rapport aux pièces polaires fixes.
Quand le générateur développe de l'énergie électrique l'anneau externe 39 est momentanément mis en position telle que ses dents sont en face des intervalles vides entre les
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dents externes sur les pièces polaires 35, en établissant ainsi une réluctance maximum du premier circuit magnétique ou circuit principal. Dans cette position de l'anneau externe, les dents sur l'anneau interne 40 sont disposées de manière à se trouver en face des dents internes sur les pièces polaires 35, en éta- blissant ainsi une réluctance maximum-du second circuit magné- tique ou shunt. Ainsi, le flux magnétique passe alternativement sur les deux circuits magnétiques en induisant ainsi des forces électromotrices dans la bobine.
Ainsi qu'il a été dit ci dessus, le rendement du généra* teur peut être augmenté davantage par l'addition d'une deuxième bobine qui utilise les pulsations de flux du second circuit magnétique ou shunt. Ainsi qu'on peut le voir de la fig. 7, la seconde bobine 42 est logée à l'intérieur de l'aimant 30, et peut se trouver soit en parallèle soit en série avec la bobine d'induction externe 38.
Dans une variante, ainsi que montré dans la fig. 8, l'aimant et la bobine peuvent être divisés en deux parties, chaque aimant 43 et 44 étant en alignement axial et ayant une pièce ferro-magnétique 45 qui fait pont entre eux et les bobines 46 et 47. Dans ce cas, deux bobines d'induction externes 46 et 47 sont montées concentriquement avec les aimants entre les pièces polaires dentées 48, et forment les parties fixes du générateur. Un anneau rotatif externe d'armure 45 prévu avec des dents supplémentaires comme décrit précédemment conduit le flux magnéti que d'une pièce polaire à l'autre, mais dans ce cas les dents sont en quinconce de sorte que lorsque les dents sur les anneaux d'armure sont en face des dents sur l'une des pièces polaires, elles sont en face des intervalles entre les dents de l'autre pièce polaire.
Il y a vingt dents sur chaque pièce polaire 48. En conséquence, le flux passe dans les deux sens sur les anneaux d'armure, tandis que le flux différentiel est absorbé par la dite pièce 45. Les deux bobines d'induction peuvent être connectées entr'elles soit en série, soit en
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parallèle,
Afin de prévoir un shunt avec une réluctance constante, une paire d'anneaux fixes en fer 146 formant une troisième pièce polaire auxiliaire peut être incorporée, ces anneaux étant de préférence situés à l'intérieur et disposés autour de la zone neutre des aimants.
Dans une autre variante, ainsi que montré dans la fig.9, les dents périphériques internes des pièces polaires qui, dans les constructions connues, sont disposées à l'intérieur de l'ai- mant entre le dit aimant et un anneau d'armure interne, sont d'après cette variante disposées dans l'espace occupé par les dents périphériques externes des pièces polaires et entourant l'aimanta Ces dents 47 sont disposées entre les dents externes 148 et les dents 147 sur l'une des pièces polaires sont en alignement axial avec les dents 148 de l'autre pièce polaire.
Sur chaque pièce polaire il y a quatorze dents 147 et quatorze dents 148, Disposées dans l'espace annulaire entre les dents 147 et 148, et entourant l'aimant 149, se trouvent deux bobines d'induction 50 connectées soit en série soit en parallèle et montées concentriquement avec l'aimant entre les pièces polaires les dits bobines, aimant et pièces polaires constituant les éléments fixes du générateur.
Le circuit magnétique est complété par un seul anneau externe 51 de sorte que, lorsque le générateur développe de l'énergie électrique, deux trajets magnétiques sont créés en dehors de l'aimant. Cela est en contradiction avec les arrange- ments connus jusqu'à présent, où l'un des circuits magnétiques passe en dehors de l'aimant tandis que l'autre circuit passe à l'intérieur du dit aimant. Les mêmes conditions cependant exis- tent en ce qui concerne l'alimentation de flux dans ces deux circuits magnétiques parallèles externes car une augmentation de la réluctance d'un circuit produit une diminution de la réluctance de l'autre circuit.
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Tandis que dans les constructions de générateur décrites ci-dessus à titre d'exemple, l'anneau ou les anneaux d'armure est ou sont les seuls éléments rotatifs de la structure, le générateur fonctionnerait évidemment avec le même rendement en montant l'aimant, les pièces polaires et la bobine de telle sorte qu'ils participent à la rotation par rapport à un anneau d'armure fixe, mais l'arrangement précédent est préférable afin d'éviter la nécessité de prévoir des anneaux de friction et des brosses, et afin de réduire au minimum les masses en rotation.
En se reportant à la fig. 11, un anneau aimanté 52 est porté par un manchon non-aimanté 53 qui est fixé solidairement à l'axe 54. L'aimant est aimanté axialement, et en contact avec une face polaire 55 se trouve un élément convoyeur en forme de plaque de pôle 56 qui présente une périphérie continue 57. En contact avec l'autre face polaire se trouve un anneau polaire 58 qui est connecté magnétiquement au moyen d'un anneau d'espace ment 59 à un autre anneau polaire 60. Les anneaux polaires 58 et 60 sont prévus respectivement avec des dents 61 et 62 qui s'interpénètrent. Il y a quatorze dents sur chaque anneau. Une armature ou bobine d'induction 63, ayant également la forme d'un anneau, est embrassée par l'anneau polaire 58 et 60.
Entourant l'aimant 52 et supporté par celui-ci se trouve un anneau 64 fait en une substance bonne conductrice d'électricité, par exemple en cuivre ou en aluminium, et qui protège l'aimant 52 d'une action démagnétisante de la part de la bobine d'armature 63.
Une enveloppe 65, formant partie du moyeu, est faite en substance ferromagnétique et supporte un anneau de protection 66, également fait en substance ferromagnétique. L'anneau de protection présente des encoches 67 afin de former des barres 68 espacées périphériquement mais l'anneau peut être construit de toute manière appropriée, par exemple les barres pourront être formées par des insertions,
Quand l'enveloppe de moyeu 65 tourne et que l'anneau 66 tourne avec elle, les encoches 67 et les barres 68 font couper
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la bobine 63 par un flux magnétique variable et un courant alternatif ayant 28 pulsations par révolution y est induit.
De cette manière, l'enveloppe est doublement utilisée, non seulement mécaniquement pour la formation du moyeu de la roue mais également comme support du flux magnétique.
Alternativement la plaque de transporteur peut être supprimée et l'enveloppe conduit l'entièreté du flux magnétique.
Il est bien entendu que les générateurs qui viennent d'être décrits, quand ils sont employés pour l'éclairage des lampes des cycles à pédale, devraient avoir un débit de courant d'une fréquence telle qu'ils donnent au cycliste une lumière stable aux faibles vitesses. Quand on emploie des roues d'un diamètre normal, un courant n'ayant pas moins de vingt pulsa- tions par révolution de la roue est considéré suffisant et par conséquent si des roues d'autres dimensions devraient être employées, la fréquence du courant par révolution de la roue devra être réglée en conséquence en modifiant le générateur.