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PROCEDE ET APPAREIL POUR L'ENTRAINEMENT D'UN OU PLUSIEURS ORGANES EN
SYNCHRONISME AVEC UN CHAMP MAGNETIQUE.
La plupart des machines électrique polyphasées sont bâties suivant le principe qui consiste à créer un champ tournant magnétique constant, dit "champ tournant".
Ce champ tournant peut, soit être créé par un système de tensions et de courants polyphasés dans un enroulement de stator, soit créer lui-même un tel système.
Dans toutes les applications pratiques de ce principe de base, on a utilisé jusqu'ici des tensions et courants sinusoïdaux d'amplitude constante, abstraction faite des distorsions involontaires de la courbe, provenant par exemple des phénomènes d'hystérésis, de la formation d'harmoniques, etc...
Un tel système de courants à n phases Il, I2, 13 ..... la peut étre représenté, comme connu, par les équations :
EMI1.1
Il = A sin w1 t 12 = A sin <% t-2 ) 4-l' n 1] = A sin <oeit 1 411) n sin fwlt - f j In = Asin/VLt- (n - 1) 2 V- 7 (1) n z
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dans lesquelles A représente l'amplitude constante, w1 la pulsation constante et t le temps.
La présente invention repose sur la découverte qu'on peut obtenir des effets particuliers et avantageux à bien des égards par l'emploi d'un système de courants polyphasés, dont l'amplitude n'est pas constante, mais varie périodiquement avec une pulsation wo différente de la pulsation de la phase w1.
Un tel système de courants à n phases::; peut être représenté par les équations suivantes :
EMI2.1
Il = A sin Wo t sin wl t I2 = A sin wo t sin ("WJ.. t-2 TT) .n 13 = A sin Wo t sin (Wlt-itID n .
In = A sin w. t si-ne - 1 t - (n - 1) 2 T7
Si un tel système de courants est créé dans un enroulement de stator à n phases, il se produit un champ tournant magnétique alternatif, qui peut être utilisé comme un champ tournant normal par exemple pour faire tourner un rotor.
Si on introduit un corps conducteur dans l'entrefer de deux pôles qui engendrent dans cet entrefer un champ magnétique alternatif, l'expé- rience montre que le corps se dispose dans un état déterminé d'équilibre stable, en restant librement suspendu en l'air sous l'influence de courant in- duits.
Si le champ alternatif est mis en mouvement, le corps est entraîné.
L'invention propose de mettre en pratique ce fait et est relative, d'une manière générale, à un procédé d'entrainement d'un ou plusieurs organes, formant un circuit électrique fermé, en synchronisme avec un champ magnétique tournant ou animé d'un mouvement.
Le procédé suivant l'invention est, comme cela résulte de l'analyse précitée, remarquable notamment en ce que ce champ magnétique est créé par des courants alternatifs polyphasés I1, I2, I3...In, dont les amplitudes varient périodiquement et qui obéissent aux équations (2).
L'invention est également relative à un appareil ou une machine, pour la mise en oeuvre du procédé, la caractéristique d'un tel appareil ou d'une telle machine consistant en ce que il (ou elle) est formé (e) de deux corps constitués par un matériau magnétique, dont l'un au moins est pourvu d'un enroulement polyphasé, ces corps délimitant un entrefer, dans lequel sont placés les organes mobiles précités, et des moyens étant prévus pour l'alimentation dudit ou desdits enroulement (s) polyphasé (s) avec lesdits courants alternatifs.
Les organes mobiles susmentionnés peuvent être constitués en particulier par le rotor d'une machine électrique et un tel rotor présente entre autres l'avantage de ne pas devoir être supporté par des paliers car il se maintient de lui-même flottant dans le champ magnétique lors du fonctionnement de la machine.
En outre ces organes mobiles peuvent s'adapter avec une grande souplesse à une foule d'usages particuliers.
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L'invention sera décrite plus en détails ci-dessousen se ré- férant aux dessins annexés, sur lesquels
La fig. 1 est une vue de bout, schématique d'un mode de réalisa tion d'une machine électrique suivant l'invention avec son circuit associé.
La fig. 2 est une coupe longitudinale du moteur de la fig, 1;
La fige 3 est une représentation graphique des courants qui sont utilisés, suivant l'invention, pour la création d'un champ magnétique en mou- vement ;
La fig. 4 est une vue de bout d'un mode de réalisation modifié, d'une machine suivant l'invention, avec son circuit associé;
La fig. 5 est une coupe longitudinale de la machine de la fig.
4;
La fig. 6 représente une variante de la machine de la fig. 4; .
La fig. 7 est une vue d'un appareil suivant l'invention compor- tant plusieurs éléments de rotor particuliers ou organes mobiles;
La fig. 8 est une coupe d'une partie de l'appareil de la fig.
7;
La fig. 9 est une vue en perspective d'un élément de rotor ou organe mobile destiné à être utilisé avec l'appareil de la fig. 7, et,
La fig. 10 représente une variante de l'appareil de la fig. 7.
Aux figures 1 et 2, 10 désigne un moteur, qui est constitué essentiellement par un rotor cylindrique 11 en une matière magnétique, de préférence feuilletée et par deux corps annulaires 12 et 13 qui entourent le rotor 11 et lui sont coaxiaux.
Le rotor 11 est fixé à un axe 14 qui est monté à rotation dans des paliers 15 (fig. 2).
Le corps 13 est un rotor et est pourvu d'un enroulement polyphasé, qui est représenté sur le dessin comme enroulement triphasé.
Le corps annulaire 12 qui forme un autre élément de rotor est quelque peu analogue à un rotor en court circuit classique.
Il est constitué par deux anneaux terminaux 16, qui sont reliés par des groupes équi-angulaires de tiges ou conducteurs 17, la distance entre les divers groupes étant semblable à celle d'une répartition de pôles.
Le moteur représenté à la fig. 1 comporte ainsi quatre pôles.
Les divers groupes de conducteurs peuvent être, de préférence, isolés les uns des autres. Les anneaux 16 sont pourvus de prolongements radiaux ou rayons 18, 18a, qui sont reliés à des moyeux 19 et 20 dirigés vers l'extérieur, et à l'intérieur desquels sont montés les paliers 15.
Le moyeu 19 est solidaire d'un axe de pivot 21 monté dans un palier 22 et le moyeu 20 est solidaire d'un axe 23 coaxial à l'axe de pivot 21 et monté dans un palier 24.
Le moteur qu'on vient de décrire est prévu pour être alimenté, ainsi que précisé ci-dessus, par un système de courants triphasés I1, I2, I3, ces courants pouvant être représentés par les équations suivantes :
EMI3.1
Il = A sin wot sin wlt 12 = A sin wot sin (w1 t - Z 7T) 3 13 = A sin wot sin (wlt -¯AILD 3 dans lesquelles A est une constante, t le temps et wo et w1 des pulsations.
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De tels courants sont représentés graphiquement à la fig. 3 où la courbe en traits pleins a représente le courant Il en fonction du temps pendant une période complète.
La courbe pointillée b, qui précède la courbe a d'un tiers de période, correspond au courant I2, et la courbe pointillée- c qui précède la courbe b d'un tiers de période, correspond au courant I3.
Les courbes sinusoïdales en traits mixtes x, y, et z, sont res- pectivement les courbes enveloppes des courbes a, b, c.
Les courants Il, I2, I3, sont produits par une source de cou- rants,désignés dans son ensemble par M.
Cette source se compose d'une génératrice de courant monophasé 40, reliée à une génératrice de courant triphasé 41.
La génératrice 40 comporte un enroulement induit 42 et un enrou- lement inducteur 43 relié à des bornes 44 et alimenté par du courant continu d'une source de courant appropriée non représentée.
La génératrice 41 comporte un enroulement inducteur 45, alimenté par le courant de la génératrice 40 et un enroulement induit triphasé 46.
Le courant de la génératrice 41 est conduit à l'enroulement sta- tor 25 du moteur 10.
La génératrice 40 présentant une pulsation wo et la génératrice 41 une pulsation w1, les courants produits par la source M ont la forme re- présentée et obéissent aux équations données ci-dessus.
Gomme indiqué, ces courants peuvent être interprétés comme des courants sinusoïdaux,dont l'amplitude n'est pas constante, mais varie pério- diquement avec une pulsation wo différente de la pulsation de phase w1.
Les courants produisent dans l'enroulement stator 25 un flux 1x qui tourne à la vitesse angulaire w1,p représentant le nombre de pô-
P les dans l'enroulement, et dont l'amplitude varie périodiquement avec la pul- sation wo.
Lorsque l'élément rotor tourne en synchronisme, sa vitesse an- gulaire est w1/p et il engendre un flux #2., qui tourne également à la vitesse angulaire w1/p.
P La valeur maximum de l'amplitude péridodiquement variable et le retard du flux #1 par rapport au flux 2 dépendent de la charge.
Les deux flux engendrent un flux résultant 1,2, qui tourne à la vitesse angulaire w1 et dont l'amplitude varie périodiquement.
P
L'élément rotor 12 pourra donc ainsi produire un puissant mo- ment de rotation en tournant à la vitesse synchrone. L'élément rotor il ne tournera que lentement ou pas du tout, suivant l'hystérésis du noyau magné- tique. On verra que l'élément rotor 12, qui produit le moment de rotation d'entraînement, présente une inertie beaucoup plus faible qu'un rotor habi- tuel en court-circuit.
En outre,le moment de rotation développé D croitra essentiel- lement plus vite avec le déplacement des pôles Ó, c'est-à-dire avec l'an- gle du flux 1 et du flux résultant 4$1 2µ et la quantité ¯±± sera nettede,/ ment plus grande que dans un moteur synchrone correspondant de construction classique.
Les figs. 4 et 5 représentent une machine bi-polaire 10a qui se différencie de la machine des figs. 1 et 2, outre par le nombre de pôles, par le fait qu'un enroulement polyphasé 32 est prévu sur l'élément rotor 11.
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De ce fait,le moyeu 19 est remplacé par un moyeu cylindrique 31 au travers duquel passe l'axe 141 du rotor 11. Pour permettre l'alimentation de l'enroulement du rotor 32, 1-'axe 141 est pourvu à l'extérieur de moyeu 31 de bagues collectrices 33.
Par l'intermédiaire des bagues 33, l'enroulement du rotor 32 est relié à une source de courant de même type que la source M reliée à l'enroulement du stator 25.
La source L comprend donc une génératrice de courant monophasé 401 munie d'un enroulement inducteur 431, alimenté en courant continu à partir des bornes 441 et d'un enroulement induit 421 qui alimente un enroulement inducteur 451 d'une génératrice 411 de courant triphasé, dont 1.'enrou- lement induit 46 est relié à l'enroulement rotor 32 du moteur loa.
La génératrice 401 fonctionne avec la même pulsation w. que la génératrice 40, tandis que la génératrice 411 fonctionne avec une pulsation w2.
L'enroulement triphasé 32 reçoit donc un système de courant Ia', Ib', Ic qui peuvent être représentés en fonction du temps t par les équations
EMI5.1
Ia = B sin w0t sin w2t Ib = B sin wot sin (wzt- (4) 3 Ic = B sin wot sin (w2t- lt...11J 3 dans lesquelles B est une constante.
L'enroulement triphasé 32 du rotor cylindrique 11 engendre donc un flux 3 d'amplitude variable périodiquement, ce flux tournant avec une vitesse angulaire w2 par rapport au rotor 11, p représentant le nombre de
P pôles de l'enroulement 32.
Lorsque le rotor 11 se meut en synchronisme, il tourne à une vitesse angulaire N, déterminée par l'équation (5) :
EMI5.2
N +...::2.... = --1:.... ou N = l - w.2 P P P
Lorsque l'élément de rotor 12 ne tourne pas en synchronisme avec le flux l, ce dernier induit dans l'élément rotor 12 des forces électromotrices qui donnent naissance à un flux ( a' tournant par rapport à l'élément 12 et développant un couple de rotation, ayant tendance à amener l'élément 12 en synchronisme avec le flux l'
Si l'élément 12 ne tourne pas en synchronisme avec le flux 2, celui-ci induit également des forces électro-motrices qui donnent naissance à un flux b tournant par rapport à l'élément 12 et développant un couple derotation qui a tendance à amener l'élément 12 en synchronisme avec le flux
2.
Le moteur 10a est donc à démarrage automatique et sa vitesse s'accélère jusqu'à ce que l'élément de rotor 12 et le rotor 11 tournent respectivement avec les vitesses angulaires w1 - w2. et flux a
P p
Lorsque le synchronisme est atteint, les et b 1 ont quelque retard respectivement par rapport aux flux et 2' w2 l'angle de déphasage étant fonction de la charge et croissant avec elle.
Si w1, est plus petit que be rotor 11 tournera suivant l'équation (5) dans la même direction que l'élément 12.
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Si w2 est égal à w1, le rotor 11 reste au repos.
Enfin si w2 est plus grand que w1, le rotor 11 tournera en sens contraire de celui de l'élément 12.
L'axe 23 de l'élément de rotor 12 peut ainsi fournir de l'énergie mécanique à une vitesse de rotation prédéterminée et simultanément l'axe 141 du rotor 11 peut fournir de l'énergie mécanique à une vitesse différente, le sens de rotation pouvant être semblable ou opposé au précédent, suivant les valeurs relatives de w1 et w2.
La fig. 6 représente un moteur 10b qui se distingue de celui des figs 4 et 5 par le fait que son élément de rotor 12 est pourvu d'un enroulement triphasé 171, qui est relié par des bagues non représentées à un rhéostat de démarrage constitué par une résistance R intercalée sur chaque phase.
Les trois résistances sont réunies l'une à l'autre à une extrémité, de sorte que le rhéostat forme un circuit électrique fermé.
Il est en outre prévu dans le circuit du rotor 11 un interrupteur en série 54 et un interrupteur en dérivation 53.
Lorsqu'on doit faire démarrer le moteur lOb, ses enroulements 25 et 32 étant alimentés par des sources de courant respectives M et L, on ouvre l'interrupteur 53, on ferme l'interrupteur 54 et les résistances R sont mises à leur valeur maxima dans le but d'obtenir un couple de démarrage puissant.
On abaisse alors progressivement la valeur des résistances lorsque la vitesse du moteur croit et que la vitesse de synchronisme est atteinte,on ferme l'interrupteur 53 et on ouvre l'interrupteur 54, de sorte que toutes les phases de l'enroulement 17 à l'exception d'une seule sont mises hors circuit.
Les conducteurs de la seule phase active de l'enroulement sont répartis en groupes équiangulaires de même que les conducteurs des éléments de rotor des moteurs 10 et 10a.
Les sources de courant M et L fournissent aux deux moteurs 10a et lOb de l'énergie. L'énergie totale apportée par ces sources de courant est, aux pertes près, égale à l'énergie mécanique développée par le moteur.
Le rapport entre les effets produits par les sources de courant dépend du rapport entre les tensions alimentant les enroulements 25 et 32.
Si on accroit la tension dans l'enroulement 32 en maintenant constante la tension dans l'enroulement 25, l'effet fourni par la source L croit essentiellement proportionnellement au carré de la tension.
L'énergie prise par le moteur demeurant constante, en supposant que le moment résistant est demeuré constant, l'effet fourni par la source M diminue de la même quantité dont l'effet de la source L a crû.
Si l'on continue à élever la tension sur l'enroulement 32, on atteint un point où toute l'énergie consommée par le moteur est fournie par la source L. Si l'on dépasse ce point, le moteur transportera de l'énergie de la source L à la source M tout en fonctionnant comme moteur. Si w2 est différent de wl, l'effet transmis aura une fréquence différente de celle apportée, de sorte que le moteur fonctionne alors comme transformateur de fréquence.
Les tensions amenées aux enroulements 25 et 32 ou éventuellement à un seul de ceux-ci peuvent être réglées de plusieurs façons pour l'obtention du rapport de tensions désiré.
A la fig. 4 un autotransformateur triphasé 34 est intercalé entre l'enroulement 25 et la génératrice 41.
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Un transformateur analogue ou un autre appareil de réglage de tension peut être intercalé dans le circuit de l'enroulement 32. Une autre possibilité également illustrée à la fig. 4 consiste à intercaler dans le circuit inducteur de la génératrice 40 une résistance variable 35.
Aux figs. 7 à 10, l'appareil d'entraînement suivant l'invention est représenté en liaison avec un métier à tisser pour l'entraînement de la navette.
On a proposé antérieurement d'entraîner la navette électro-ma- gnétique, mais les difficultés pratiques qui y sont liées, de maintenir la navette sur une voie déterminée et de conserver un écart déterminé entre les navettes d'un métier à plusieurs navettes, n'ont pu jusqu'à présent être surmontées de manière satisfaisante.
Le dispositif représenté à la fig. 7 consiste en deux anneaux pleins, cylindriques et coaxiaux 55 et 56 en matériau magnétique feuilleté, qui délimitent un entrefer 57.
Chaque anneau comprend un enroulement triphasé respectivement 58 et 59 et ces enroulements sont reliés chacun à une série de prises de courant mobiles 60 et 61 respectivement d'un autotransformateur 62, qui à son tour est relié à une source de courant M analogue à celles des-figs. 1, 4 et 6.
Les deux anneaux 55 et 56 constituent une partie d'un métier à tisser qui comporte dans l'entrefer 57 des organes de guidage du mouvement de la navette de manière connue et qui, de ce fait, n'a pas besoin d'être décrite.
Les organes mobiles sont formés par les navettes qui sont consti- tuées par des éléments cylindriques isolés 63 (fig. 9) comportant une cour- bure sensiblement identique à la courbure de l'entrefer.
Sur les faces latérales opposées des éléments 63 sont prévus des conducteurs électriques 64 formant chacun une spire en court-circuit.
Les éléments sont en outre creux de manière à pouvoir recevoir la canette. Lorsque les éléments 63 sont amenés dans l'entrefer 57, ainsi que représenté aux figs. 7 et 8, cette dernière figure étant une coupe suivant la ligne VIII-VIII de la fig. 7, les lignes de force magnétique traversent perpendiculairement les deux spires en court-circuit.
Lorsque les enroulements 58 et 59 sont alimentés par l'autotrans-- formateur 62, il se produit dans l'entrefer 57 un flux tournant à la vitesse angulaire w1 et dont l'intensité varie'avec une pulsation wo, wl représen- p tant comme précédemment la pulsation de la génératrice de courant triphasé, wo celle de la génératrice de courant monophasé et 2p le nombre de pôles des enroulements.
Ce flux variable et tournant induit des courants dans les spires en court-circuit des éléments 63, ce qui a pour effet que ces éléments flottant librement suivant le flux en rotation.
La dimension des spires en court-circuit dans la direction circulaire de l'élément cylindrique doit être essentielllement égale à une dis- tance polaire des enroulements triphasés 58 et 59.
Pour des enroulements déterminés, on peut utiliser un nombre quelconque d'organes mobiles, à la condition que ce nombre soit un diviseur entier du nombre de pôles.
Si par exemple, les enroulements ont douze pôles, on peut utiliser douze, six, quatre, trois, deux ou un organes mobiles. Dans les métiers à tisser où l'on doit prévoir en vue du mouvement du fil de chaîne un écart donné entre les navettes, on peut utiliser un, deux, trois, quatre ou six navettes.
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Les forces qui agissent sur les navettes lorsque celles-ci' sont poussées de leur position, d'équilibre vers l'intérieur sont proportionnelles aux tensions amenées aux enroulements 58 et 59.
Par le réglage de la position des prises de courant sur l'autotransformateur 62, on peut ainsi compenser l'action de la force centrifuge sur les navettes.
Afin de pouvoir amener les navettes à l'arrêt, un interrupteur 65 est intercalé sur l'une des phases de la source M.
Lorsqu'on ouvre cet interrupteur,le système se transforme en système monophasé et le champ magnétique alternatif devient fixe. Dans ces conditions les organes mobiles sont freinés, mais se maintiennent toujours flottant dans l'entrefer 57.
L'enroulement triphasé 59 de l'anneau intérieur 56 peut, éventuellement, être supprimé et il en est de même de l'anneau intérieur 56, mais dans ce cas, il est nécessaire de prévoir un effet d'entrée nettement plus grand pour l'enroulement afin de produire un champ suffisamment fort.
A la fig. 10 est représentée une variante de l'appareil de la fig. 7 dans laquelle les anneaux 55 et 56 sont remplacés par des corps rectilignes 66 et 67 qui sont disposés parallèlement au voisinage l'un de l'autre, de manière à délimiter un entrefer 68 et ces corps sont pourvus chacun d'un enroulement triphasé respectivement 69 et 70.
Les organes mobiles 71 peuvent être disposés de la même manière qu'à la fig. 9, exception faite toutefois qu'ils sont, bien entendu, plats au lieu d'être courbes.
Afin de pouvoir freiner les organes 71 à un endroit déterminé de l'entrefer 68, par exemple à ses extrémités, les corps 66 et 67 sont pourvus à ces endroits d'enroulements disposés en face l'un de l'autre, respectivement 72-73 et 74-75. Ces enroulements sont reliés à une source de courant continu non représentée de manière telle qu'ils produisent aux endroits correspondants de l'entrefer 68 un champ magnétique constant.
Un tel champ magnétique constant exerce sur les organes mobiles une action de freinage. -
Après que les organes aient été freinés, ils sont manoeuvrés et de nouveau introduits dans l'entrefer où ils commencent à se mouvoir dans la-direction opposée.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation représentés et décrits, mais peut être utilisée d'une manière générale partout où l'on doit entraîner en synchronisme un ou plusieurs éléments sur une voie déterminée qui peut prendre maintes formes différentes.