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BREVET D'INVENTION DISPOSITIF DE DEMARRAGE POUR MOTEURS A INDUCTION
MONOPHASES,
L'invention concerne un dispositif de démarrage pour moteurs à induction monophasés, sans phase auxili- aire, comprenant un enroulement statorique disposé dans au moins deux encoches par zône de bobinage. Une première partie de l'enroulement statorique est disposée dans la marge aval de la zône de bobinage par rapport au sens de rotation du rotor. Dans cette zône, elle est répartie dans une ou plusieurs encoches voisines. Cette première partie est fermée sur elle-même pendant le démarrage et
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induite par la deuxième partie, la partie alimentée de l'enroulement statorique. Mais pendant la marche en régi- me du moteur, la partie induite est incorporée dans l'en- roulement principal du stator.
Par zône de bobinage, on désigne la partie du pas polaire occupée par l'enroule- ment statorique. Elle peut être exprimée en degrés élec- triques. Le pas polaire mesure 180 électriques.
De tels dispositifs de démarrage sont connus:
Suivant le brevet allemand 642 627, la partie induite du bobinage remplit complètement les encoches qu'elle occupe.
Le dispositif de démarrage suivant le brevet allemand 701 248 a pour but de supprimer la troisième harmonique des ampères-tours totaux même pendant le dé- marrage, afin que la courbe couple-vitesse ne présente pas d'affaissement. De ce fait, la partie alimentée et la partie induite du bobinage sont de même importance, néces- sitent chacune la moitié de l'espace des encoches, s'éten- dent sur une largeur de 120 électriques et sont décalées l'une par rapport à l'autre de 60 électriques (Fig.1).
Par conséquent, la moitié des conducteurs de la partie induite du bobinage se trouve seule dans des encochestan- dis que l'autre moitié est disposée dans des encoches, ensemble avec autant de conducteurs alimentés.
Dans le dispositif de démarrage, suivant la demande allemande publiée 1 144 390, le bobinage induit ne constitue pas une partie du bobinage monophasé qui
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pendant la marche en régime est raccordé à ce dernier, mais constitue une phase auxiliaire sous forme de boucles de court-circuit sans connexions entre elles. Ces boucles de court-circuit sont disposées dans des encoches dans la -marge de la zône de bobinage. Puisqu'on considère com- me avantageux un bobinage principal échelonné, c'est-à- dire un bobinage principal avec un nombre différent de conducteurs par encoches, ce dispositif est exécuté avec des boucles de court-circuit dont les deux côtés sont logés dans des encoches avec des nombres différents de conducteurs alimentés.
Dans tous les dispositifs de démarrage suivant l'état de la technique, le phénomène de la dispersion dans l'entrefer est négligé. Or, il est indispensable que la partie alimentée de l'enroulement statorique in- duise la partie court-circuitée avec une dispersion mini- mum, puisque la réactance de dispersion réduit aussi bien la valeur absolue du courant induit que son angle de déca- lage vers l'avant. Les deux effets de la dispersion influ- encent défavorablement le couple de démarrage. D'un autre côté, les ampères-tours de la partie induite du bobinage, en plus du décalage spacial par rapport aux ampères-tours de la partie alimentée du bobinage statorique doit encore satisfaire à l'exigence d'un grand angle de décalage vers l'avant (dans le cas idéal 90 électriques) et d'une grande valeur absolue.
La dispersion dans l'entrefer produit ses effets
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de la manière la plus marquante dans le dispositif sui- vant le brevet allemand 642 627. Dans ce dispositif, la partie induite est disposée seule dans des encoches sé- parées. A côté de la dispersion d'encoches complète (y compris les fentes d'encoches) des deux bobinages, les sections de l'entrefer entre la partie du bobinage induc- teur et le bobinage induit - s'étendant au total sur au moins deux pas d'encoches - conditionnent une réactance notable de la dispersion dans l'entrefer. Celle-ci n'ap- paraît pas seulement ici, mais en général toujours,dans les dispositifs à induction mutuelle comprenant un entre- fer et présentant des bobinages répartis de manière diffé- rente. Cela est le cas pour tous les dispositifs de dé- marrage comprenant des bobinages induit et alimenté.
Les inconvénients suivant des dispositifs con- nus et relevant d'autres propriétés sont à mentionner :
Suivant le brevet allemand 701 248, seulement la moitié du bobinage mis en circuit pendant la marche en régime est raccordée au réseau pendant le démarrage, ce qui donne lieu à un courant de démarrage très élevé. Ce- .pendant, les deux parties de bobinage doivent être égales puisque,lors du renversement de marche,du moteur l'une ou l'autre doit fonctionner comme partie de bobinage induit.
Suivant la demande de brevet allemend publiée 1 144 390, on donne une faible section à la partie du bo- binage induit constituée par une phase auxiliaire supplé- mentaire, non incorporée dans la phase principale pendant
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la marche en régime. De cette manière, un espace suffi- sant reste disponible pour la phase principale. De ce fait les ampères-tours induits et par conséquent le cou- ple sont faibles. ,
Suivant les deux brevets cités en dernier lieu, le rapport des sections entre le bobinage induit et le bobinage alimenté ne peut pas être choisi librement en yue d'un comportement optimum du couple ou une vue d'une limitation du courant de démarrage.
Il est possible de pallier les inconvénients des dispositifs connus et d'obtenir un couple relative- ment élevé par rapport à l'intensité du courant de démar- rage. En effet, suivant l'invention, dans toutes les en- coches où se trouve au moins un conducteur induite la par- tie induite du bobinage du stator constitue une propor- tion donnée de tous les conducteurs par encoche, de pré- férence environ 50%, tandis que le restant des conduc- teurs appartient à la partie alimentée du bobinage.
Dans le dispositif suivant le brevet allemand 701 248, les parties du bobinage sont représentées sché- matiquement en section dans la figure 1. Contrairement à cette disposition, la partie induite du bobinage (fig.4) suivant l'invention est couplée avec la partie alimentée dans la mesure où celle-ci occupe avec celle-là les mê- mes encoches. Si l'on considère seulement les encoches occupées à la fois par des conducteurs appartenant à la partie induite et à la partie alimentée du bobinage, la proportion locale des
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deux parties du bobinage reste sensiblement la même. En effet, suivant la caractéristique de l'invention, dans chaque encoche, le rapport entre les conducteurs du bobi- nage induit et les conducteurs alimentés est le même pour toutes les encoches.
De ce fait, il ne se produit pas de dispersion dans l'entrefer, mais seulement une petite dis- persion en raison de la faible distance des parties du bo- binage à l'intérieur de l'espace large de l'encoche (les fentes d'encoche n'ont pas d'importance ici) et la dis- persion des têtes de bobinage, Comme la dispersion est réduite, les ampères-tours engendrés par les conducteurs alimentés disposés dans les encoches occupées par la par- tie induite de l'enroulement jouent un rôle inductif très efficace.
Les conducteurs alimentés occupant seuls des encoches participent aussi à l'induction de la partie du bobinage court-circuitée, mais dans des circonstances dé- favorables d'une grande dispersion dans l'entrefer, comme expliqué déjà lors de la discussion du brevet allemand 642 627.
Le dispositif d'essai suivant la fig. 2 peut en fournir la preuve. Il représente le même couplage avec le même nombre d'encoches que celui suivant la figure 4. Par rapport à la figure 2, suivant la figure 4, un nombre double de conducteurs alimentés est disposé seul dans des encoches, ou le double de ceux qui occupent des encoches, ensemble avec des conducteurs induits. Malgré cela, le
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courant induit de 5,5A dans la disposition selon fig.4 est seulement de 10% supérieur à celui (5A) selon fig.2.
Ce qui signifie que les mêmes ampères-tours inducteurs réalisent un effet inductif dix fois plus grand, s'ils sont engendrés par des parties du bobinage réparties dans les mêmes encoches au lieu d'être réparties dans des en- coches voisines.
De plus, il faut tenir compte du fait important que dans toutes les encoches occupées par des parties in- duites du bobinage est disposée une quantité proportion- nelle de conducteurs alimentés. Pour s'en convaincre, il suffit de comparer les dispositions suivant fig.1 et 2 Bien que suivant fig.2, le même couplage soit réalisé dans autant d'encoches communes, le courant induit J z s'élève à 5A tandis qu'il n'est que de 2,lA dans le dispositif suivant figure 1. La raison de ce faible courant et d'un angle de décalage vers l'avant plus mauvais réside dans le fait que les conducteurs du bobinage induit occupent seuls les encoches. Il s'ensuit que la résistance est doublée et que de plus ces conducteurs introduisent encore une réac- tance de dispersion d'encoche (y compris l'effet des fen- tes d'encoches).
Les résultats suivants de mesures faites sur un moteur d'essai, témignent, à l'aide des figures 1 à 4, de l'avantage de l'invention. La partie alimentée du bo- binage statorique à deux pôles est reliée à une source de courant et la partie induite est représentée par une
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liaison de court-circuit en diagonale. Si dans ces exem- ples, une encoche est occupée par des conducteurs des deux parties du bobinage; chaque partie en occupe la moi- tié de l'espace. Dans tous les exemples le même courant J parcourt la partie alimentée du bobinage; Jest le cou- rant induit. Les parties de bobinage représentées en poin- tillé et en traits interrompus conduisent des ampères- tours opposés. Jz est décalé vers l'avant par rapport à J.
Les parties de bobinage sont subdivisées en zones de 60 d'un bobinage triphasé intéressant la moitié de l'es- pace des encoches. De ce fait les courants J et Jrepré- sentent les ampères-tours agissant dans ces parties de bobinage mesurant 60 électriques fois la moitié de la section des encoches. On peut donc prétendre que dans tous les exemples (Fig. 1 à 4, 5 à 7 et 9) on se trouve en présence d'une répartition non-asymétrique des ampères- tours des trois phases triphasées I, II, III, composée par les ampères-tours de parties de bobinage avec une lar- geur de zône de 60 et une partie de la section des enco- chez.
Dans les figures 1 à 4 toutes les parties de bobi- nage sont de même grandeur, l'espace des encoches occupé étant la moitié,tandis que dans les figures 5 à 7 et 9 les parties avec une largeur de zône de 60 comprennent des couches de conducteurs de hauteurs différentes. Les vecteurs des trois ampères-,tours de phases différentes définissent un triangle dont l'aire est fonction du cou- ple de démarrage.
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La fig,1 correspond au diagramme des ampères- tours suivant le brevet allemand 701 248 où deux bobina- ges,monophasés décalés de 60 l'un par rapport à l'autre occupent chacun une zône de 120 électriques, un des bo- binages étant alimenté par le réseau, l'autre étant court- circuité. Pendant la marche en régime du moteur, la partie induite du bobinage pendant le démarrage est incorporée dans le bobinage principal de sorte que la zone de bobi- nage s'étend sur 180 électriques dont le tiers médian comprend le double des ampères-tours par rapport au reste.
Le courant induit Jt = 2,1 A est relativement petit par rapport au courant alimentaire J = 7,5A. De ce fait, le couple de démarrage est relativement petit C = 2,8cmkg.
Le dispositif suivant figure 2 correspond à l'invention puisque la partie induite du bobinage stato- rique comprend dans toutes les encoches la même propor- tion de conducteurs induits et alimentés par encoche.
Cependant cette exécution est pratiquement inutilisable, parce que le bobinage total pour la marche en régime n'utilise pas tout l'espace de bobinage et parce qu'une troisième harmonique apparaît qui engendre des pertes.
Le courant induit Jz = 5A est sensiblement plus élevé et l'angle de décalage vers l'avant est sensiblement plus grand que dans le cas suivant la figure 1. De ce fait, le couple de démarrage reste le même C = 2,8 cmkg, malgré la réduction de un quart du poids des conducteurs et malgré un décalage spatial de seulement 30 entre les
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deux parties du bobinage c'est-à-dire la moitié de celui suivant la figure 1,
La disposition suivant figure 3 produit, comme celle suivant la figure 1, seulement un faible courant induit Jz = 2,2A parce que la partie induite du bobinage est disposée en partie dans des encoches sans conducteurs alimentés. Cependant elle fournit un couple de démarrage de C = 4,8 cmkg, sensiblement plus élevé que la disposi- tion suivant figure 1.
Cela est dû d'une part à l'augmen- tation des ampères-tours de 50% de la partie alimentée du bobinage et d'autre part à l'augmentation de 60 à 70 électriques de l'angle de décalage spatial (Centres de - gravité des sections de bobinage).
A la figure 4, est représenté un exemple très avantageux suivant l'invention. Le bobinage principal pour la marche en régime du moteur occupe une zône de bobinage de 1200 électriques. Les encoches sont unifor- mément remplies, ce qui est habituel. Un quart. de ce bo- binage forme un bobinage en court-circuit pendant le dé- marrage, Cette partie du bobinage n'occupe que la moitié de l'espace des encoches, soit la moitié des encoches par . z6ne de bobinage aux marges de ces zônes. Dans l'espace restant de ces encoches se trouvent des conducteurs de la partie alimentée du bobinage - dans l'exemple: de même nombre que les conducteurs induits par encoche.
Le couple de démarrage obtenu vaut C = 6,4 cmkg ce qui est sensiblement plus que dans les cas précédents
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et ce malgré une partie induite du bobinage ne présentant que la moitié de celle suivant la figure 3. Des conduc- teurs de la partie induite du bobinage qui se trouvent seuls, sans conducteurs alimentés, dans des encoches ne sont presque pas induits et apportent seulement une réac- tance supplémentaire avec une composante inductive assez importante qui réduit le courant induit Jz et réduit son angle de décalage vers l'avant. Comparas avec la dispositi- on suivant figure 2, les ampères-tours de la phase I sont doublés ainsi que ceux de la phase II suite au fait que Jz= 5,SA est un peu plus grand que Jz = 5A suivant la figure 2, ce qui explique que le couple ait plus que dou- blé.
A la disposition suivant figure 1, les ampères- tours ne contiennent pas de troisième harmonique. Cet avantage se perd dans la disposition suivant la figure 4.
Dans ce cas, il existe le danger d'un affaissement de la courbe couple-vitesse qui dans certaines circonstances peut rendre caduc l'avantage du couple de démarrage élevé.
Des expériences ont prouvé cependant que dans le cas où la partie induite du bobinage comprend autant de conduc- teurs par encoche qu'il existe de conducteurs alimentés., un affaissement de la courbe couple-vitesse tombant en- dessous du couple de démarrage à la vitesse de un tiers de la vitesse nominale n'est pas à craindre.
D'un autre côté, des essais ont prouvé que le couple maximum de démarrage par rapport à l'intensité du
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courant de démarrage est presque atteint lorsque 50% de conducteurs induits se trouvent dans chaque encoche. Un accroissement sensible du nombre de ces conducteurs n'a donc pas de sens.
Dans un moteur d'essai suivant figure 4, on a mesuré le couple de démarrage qui valait 42% du couple maximum en régime. Le courant de démarrage mesurait 1,7 fois le courant de court-circuit du circuit pour la mar- che en régime du moteur monophasé. L'affaissement de la courbe couple-vitesse suite à l'existence de la troisiè- me harmonique restait encore un peu supérieur au couple de démarrage. Pour des caractéristiques couple-vitesse qui doivent être croissants, l'affaissement peut devenir critique. Dans ce cas un nombre plus faible que 50% de conducteurs induits par encoche doit être choisi, afin que le couple de démarrage et le couple à l'endroit de l'affaissement soient plus élevés que les couples néces- saires.
En réduisant le nombre de conducteurs induits, le couple de démarrage baisse et le couple à l'endroit de l'affaissement augmente; il est donc possible de faire correspondre le couple du moteur à une courbe couple- vitesse donnée.
Comme le montrent les mesures mentionnées, l'effet de l'invention est un couple de démarrage relati- vement élevé par rapport à l'intensité du courant de dé- marrage grâce au fait que l'on évite une dispersion dans l'entrefer entre les parties induites et alimentées du
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bobinage. Par rapport au dispositif suivant le brevet allemand 701 248 (fig.1), le couple de démarrage d'un dispositif suivant l'invention, est plus grand d'un fac- teur 2,3 et encore davantage par rapport au dispositif suivant le brevet allemand 642 627. Le bobinage statori- que est à disposer en deux couches comme cela se fait suivant le brevet allemand 701 248, mais sans décalage spatial. Les couches peuvent comprendre un nombre de con- ducteurs différents, suivant le nombre choisi de conduc- teurs induits.
Cela permet de disposer d'une borne de raccordement nécessaire pour le raccordement au réseau et pour court-circuiter la partie bobinée induite.
Une partie de l'enroulement statorique occupant une partie de l'espace des encoches n'est pas alimenté pendant le démarrage et reste ainsi sans courant. De ce fait, le courant de démarrage et par conséquent les am- pères-tours peuvent être augmentés pour gagner davantage de couple de démarrage, Comme le montre la figure 5, une variante de la figure 4 conservant la répartition des ampères-tours, une couche de bobinage 3 s'étendant sur toute la zone bobinée est déconnectée et sans courant.
Concernant les conditions discutées à l'endroit de la figure 4, le bobinage doit être considéré à l'exception de la partie qui reste sans courant pendant le démarrage.
Suivant la figure 6, la partie du bobinage sans courant s'étend seulement sur une moitié de la zône de bobinage et est disposé dans des encoches dans lesquelles
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se trouvent les conducteurs de la partie induite du bo- binage. Cette disposition renforce l'effet de l'augmenta- tion du couple qui a été constatée lors du passage de la Cen figure¯µ., figure 2 Cependant une limite est posée, car on renforce également la troisième harmonique et l'affaisserient de la courbe couple-vitesse.
Si dans la disposition suivant la figure 4 on désire affaiblir la troisième harmonique en maintenant dans la mesure du possible le couple de démarrage, on pro- cède suivant figure 7. Selon cette figure 7, la partie du bobinage sans courant qui s'étend sur la moitié de la zône de bobinage est disposée dans des encoches dans les- quelles se trouvent seulement des conducteurs de la partie du bobinage alimenté. De ce fait, les conditions de démar- rage changent comme lors du passage de la figure 4 à la figure 2. Cependant, la diminution du couple de démarrage est compensé par une diminution du nombre de conducteurs de la partie alimentée du bobinage.
La figure 8 représente le schéma de câblage d' une disposition suivant la figure 5. Les parties du bobi- nage sont représentées comme phases de trois bobinages triphasés dont seulement les phases I et II sont réalisées, Au moyen d'un commutateur à 3 pôles, on réalise en positi- on A le démarrage et en position L (Lauf) la marche en régime ou la partie induite fermée en elle-même pendant le démarrage est incorporée dans le bobinage principal du stator. Si on n'utilise pas de parties de bobinage
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sans courant, un commutateur monopolaire suffit pour en- clencher et déclencher et pour réaliser le circuit de dé- marrage et le circuit de la marche en régime. Bien enten- du, ce commutateur doit maîtriser le courant J et Jz (somme vectorielle).
Suivant une autre exécution, la partie induite du bobinage 2/III est séparée du bobinage au moyen de contacts; dans ce cas J et Jz sont séparément commuta- bles.
Dans les exemples de dispositifs de démarrage décrits ci-dessus, on n'a pas besoin de plus de cuivre pour les bobinages que la quantité nécessaire pour la marche en régime du moteur. Suivant la figure 9, une aug- mentation de la quantité de cuivre entraine un couple de démarrage plus élevé par rapport à l'intensité du courant de démarrage. Suivant cet exemple, le bobinage statorique alimenté possède une zône de bobinage plus large pendant le démarrage que pendant la marche en régime. Pendant la marche en régime tous les conducteurs, les alimentés et les induits, d'une ou de plusieurs encoches dans la marge de la zône de bobinage agrandie, sont déconnectés.
Dans l'exemple suivant figure 9, la zone de bo- binage agrandie s'étend sur 180 électriques tandis que pour la marche en régime une zone uniformément bobinée de 120 électriques est prévue. La partie induite du bobinage s'étend sur deux tiers de la zone de bobinage de 1800 é- lectriques soit 120 . Le bobinage statorique est composé de 6 phases de deux enroulements triphasés remplissant chacune une partie 1 et 2 de l'espace des encoches.
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En utilisant tous les conducteurs du bobinage statorique pour le démarrage, le nombre de conducteurs de la partie alimentée du bobinage est égal à celui du bobi- nage statorique pendant la marche en régime, à la condi- tion que la partie induite du bobinage remplisse la moitié de l'espace des encoches occupées par elle (Rapport des conducteurs 50%) Dans ce cas, le courant de démarrage n'est que légèrement plus élevé que le courant de court- circuit du moteur monophasé pendant la marche en régime, Le petit accroissement est dû au fait que le facteur de bobinage est un peu plus petit en raison de la zône de bobinage plus large et que la partie induite du bobinage augmente la consommation de courant.
Dans ce cas, bien que le couple de démarrage soit plus grand par rapport au cou- rant de démarrage, le couple de démarrage est plus petit que suivant la disposition selon fig.4 où le courant de démarrage est plus grand à cause du plus petit nombre des conducteurs alimentés.
Si par contre un couple de démarrage maximum est souhaité pour une limite supérieure du courant de démarrage, une partie de l'enroulement statorique par espace d'encoche est déconnecté. Ceci est décrit dans l'exemple suivant fig.
9 et 10. Le bobinage statorique est ici composé de trois couches de bobinage 1, 2, 3 (fig.9) subdivisées en bobi- nages triphasés (largeur de zone 60 électriques).
A la figure 10, la commutation de démarrage "A" à la marche en régime "L" est réalisée au moyen d'un
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commutateur à plots tripolaire, possédant aussi une posi- tion "0". La phase 3:11 du bobinage triphasé (espace des encoches 3, phase II) n'est pas utilisée. En position "A" la répartition des ampères-tours suivant fig.9 est obte- nue. En position "L" tous les conducteurs de chaque en- coche des phases I et II sont raccordés en un bobinage mopophasé avec un pas polaire de 2/3.
Grâce à l'agrandissement de la z8ne de bobinage suivant figure 9, le couple de démarrage augmente par' rapport au courant de démarrage. En effet, comparé à la figure 4, le nombre d'encoches contenant des conducteurs induits est doublé, tandis que le nombre d'encoches con- tenant des conducteurs alimentés reste le même; de plus, l'angle de décalage entre partie alimentée et partie in- duite du bobinage augmente.
Cependant, le couple mesuré de 7,5 cmkg ne com- ble pas les espérances. La raison en est que le moteur d'essai a été bobiné avec des bobinages triphasés dont les couches 1,2 et 3 ont été raccourcies de 30 électri- ques. De ce fait les zônes de bobinage qui atteignent 210 électriques se recouvrent de 30 électriques. Dans les encoches de la zone de recouvrement se trouvent la moitié des conducteurs de la partie induite et la moitié des conducteurs de la partie alimentée correspondante ; à cela s'ajoute le nombre double de conducteurs alimentés engendrant les ampères-tours antagonistes. Le courant induit et son angle de déphasage vers l'avant sont
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diminués si des conducteurs induits se trouvent seuls dans les encoches.
Cette diminution est encore plus im- portante lorsque des conducteurs alimentés engendrant des ampère-tours antagonistes sont présents, car en lieu et place des ampère-tours normaux dans les encoches de re- couvrement, des ampère-tours opposés sont créés. Malgré cette déviation de la caractéristique de l'invention qui entraine un courant induit Jz (fig.9) sensiblement moins intéressant que celui suivant figure 4, l'élargissement de la zône de bobinage permettait d'augmenter le couple de démarrage de 6,4 cmkg à 7,5 cmkg.
Le bobinage statorique nécessaire pour les dis- positions suivant figures 4 à 7 et figure 9 est obtenu par une superposition de deux ou trois bobinages tripha- sés dont certaines phases inutiles pour le démarrage ou la marche en régime sont omises.
Lors d'un tel procédé de fabrication, les bor- nes nécessaires pour les raccords suivant figures 8 et 10 se trouvent aux endroits coutumiers. Pour le disposi- tif suivant figure 4, une borne supplémentaire est néces- saire, Les bobines du bobinage triphasé peuvent être exé- cutées en deux couches et avec réduction du pas, mais le recouvrement décrit par rapport à figure 9, comprenant des zônes à ampère-tours opposés, ne peut pas se produire.
En effet, dans ce cas la caractéristique de l'invention, en ce qui concerne les rapports de conducteurs dans tou- tes les encoches contenant des conducteurs induits, n'est plus respectée,