Machine polyphasée à collecteur. La présente invention a pour objet une machine polyphasée à collecteur. Elle a pour but de réaliser surtout une commutation très parfaite du courant. Elle se caractérise par le fait que le bobinage du stator est disposé de manière que le pas des bobines moyen ré sultant soit plus petit que celui du bobinage au rotor, de façon que les ampère-tours du stator en sens transversal aux axes des phases deviennent plus petits que la composante ré sultant des ampère-tours aux axes de phases situés de part et d'autre et que les ampère- tours du rotor dans ce sens transversal, et approximativement transversal aux axes des balais, produisent des composantes addition nelles de champ qui correspondent à leur sens et phase, lesquelles composantes,
lorsque le rotor tourne, induisent des forces électro motrices de rotation correspondantes et ad ditionnelles clans le circuit des balais.
Le dessin schématique annexé représente, à titre d'exemple, une disposition de bobinage connue ainsi que plusieurs formes d'exécu tion de l'objet de l'invention. Les fig. 1 et 2 montrent schématiquement la répartition des ampère-tours dans la dispo sition connue; La fig. 3 montre schématiquement la ré partition générale des ampère-tours dans la disposition de bobinage du stator suivant l'in vention, et les fig. 4 à 11 montrent diverses formes d'exécution de cette disposition.
Toutes les figures sont des schémas bipo laires. Dans les fig. 1 à 3, le bobinage du stator est supposé comme simple bobinage en anneau en couplage fermé.
Dans la fig. 1, qui représente un bobi nage à trois axes de phases, le cercle exté rieur S représente le bobinage du stator sup posé d'abord comme simple bobinage en an neau avec trois bornes 1, 2, 3, le cercle inté rieur R représente le rotor ou son collecteur avec trois balais marqués ici à l'intérieur, c'est-à-dire un balai par phase, les circuits des balais étant d'abord ouverts.
La fig. 2 ne diffère de la fig. 1 que par les circuits des balais et par la disposition également connue d'une paire de balais par phase. Ces balais peuvent être fixés tous les deux, ou bien celui placé dans le sens de la rotation du moteur peut être fixe, par exem ple dans un axe de phase, tandis que l'autre est mobile ou bien ils peuvent enfin être mo biles tous les deux.
Le bobinage du stator en fig. 1 et 2 est le même bobinage normal à trois axes de phases. Les trois phases du stator résultant des bornes 1, 2, 3 sont, pour plus de clarté, indi quées par trois portions de cicronférences a b c, dessinées en traits plus forts.
Les circuits des balais étant d'abord ou verts, les ampère-tours du stator seul pro duiraient, dans les axes de phases, des champs dont la grandeur et la phase sont représen tées par les flèches N N N, et, dans l'inter valle de celles-ci, des champs n n n, dont la grandeur et la phase est la composante des N N, situés de part et d'autre.
Le rapport n/N est approximativement choisi 1/2 pour le bobinage à trois axes de phases,
EMI0002.0000
pour un bobinage à quatre axes de phases et
EMI0002.0001
pour un bobinage à six axes de phases.
Les ampère-tours produits par les circuits des balais du rotor seul sont essentiellement opposés à ceux du stator et donnent une image analogue et correspondant à la position des balais avec trois maxima dans les axes des balais qui correspondent aux flèches N N N, et, dans l'intervalle de celles-ci, des champs qui correspondent aux composantes n n n, mais qui, partout, sont essentiellement en di rection et en phase opposées à ceux du stator.
Dans la position dite de court-circuit des balais, les ampère-tours du rotor sont exacte ment opposés à ceux du stator en tous points de la circonférence et, abstraction faite des champs de dispersion, annulés par eux.
Dans la position légèrement inclinée, comme indiqué aux dessins, les composantes des deux ampère-tours produisent en général, sous une phase transversale, le champ utile du moteur. Le décalage en arrière du courant est dé terminé alors essentiellement par la compo sante nécessaire des ampère-tours magnéti- sants du stator.
Le moyen connu, par exemple pour des moteurs série, pour obtenir en marche des fac teurs de puissance élevés, c'est-à-dire un déca lage en arrière plus faible du courant, ou un décalage en avant, consiste pour cette raison à prévoir les ampère-tours du rotor un peu plus grands due ceux du stator. Ceci est ob tenu dans ce cas par le couplage série du sta tor et du rotor et un choix convenable des nombres de tours, ou bien du rapport de transformation du transformateur placé entre les deux. Ledit moyen présente cependant différents inconvénients et, entre autres, celui de produire une communication moins par faite dans de tels moteurs.
L'obtention d'une commutation parfaite du courant est réalisée, comme on va le voir, par une disposition particulière du du stator, qui a pour conséquence que, à des endroits se trouvant entre les axes des phases, <I>.</I> -rr. ya, les donc correspondants aux flèches n n n, les ampère-tours du rotor produisent en sens de leurs phases, des composantes de champ transversalement aux axes des phases et, par conséquent aussi, à peu près transversalement aux axes des balais, lesquel les composantes induisent, lors de la rotation du rotor, des tensions additionnelles corres pondantes de rotation dans le circuit des balais.
Dans un moteur série, ces tensions qui correspondent aux phases des ampère-tours du rotor se composent ensuite avec les ten sions induites au stator, de telle façon qu'el les produisent une diminution du décalage de phase du courant en arrière relativement à la tension ou un décalage en avant.
Dans un moteur shunt, elles produisent une augmentation du courant au rotor, et sous une telle phase, que l'effet devient ana logue. Dans ce cas surtout l'augmentation du courant produit une autre augmentation des- dites composantes et une certaine auto-excita- tion du rotor de façon que, déjà pour des vi- tesses relativement plus faibles, on obtient des effets plus prononcés.
La fig. 3 montre schématiquement la dif férence de la répartition des ampère-tours du stator par rapport à la répartition normale selon fig. 1 et 2. Cette différence consiste à répartir les différentes phases sur la circon férence de telle façon que, à des endroits qui se trouvent entre les axes des phases, des ampère-tours sont formés qui se superposent à l'image totale du courant, lesquels ampère- tours sont opposés à ceux qui résultent des axes de phases situés de part et d'autre.
Dans la fig. 3, pour le bobinage du stator à trois axes de phases, le bobinage du rotor restant le même, le bobinage du stator sup posé d'abord comme en fig. 1 et 2 comme sim ple bobinage en anneau est divisé en deux parties par phase, a' et a", b' et b", c' et c" et toujours deux parties situées de part et d'autre d'un axe de phase, a' et c", b' et a", c' et b" sont, par phase, reliées en sens oppo sés. Par là, la différence de phase des cou rants résultants dans chaque groupe de deux partie situées de part et d'autre d'un axe de phase, devient plus grande, 180 au lieu de 120 , et aux endroits situés entre deux axes de phases, elle devient au contraire négative, dans ce cas - 60 .
Le résultat est que, en ces endroits, des ampère-tours opposés n' n' n' sont superposés aux composantes n n n, résultant des ampère- tours N N N, dans les axes de phases situés de part et d'autre. Ainsi, le total des ampère- tours diminue en ces points et devient égal à la différence n - n'.
Dans l'exécution pratique, cette disposi tion offre l'avantage d'être particulièrement simple, les parties reliées en sens opposés dans le schéma pouvant être bobinées directement par spire en série.
La fig. 4 montre cette exécution; S est de nouveau le stator, avec, par exemple, 18 en coches indiquées par des traits radiaux divi sionnaires, dans lesquelles les portions de bo binage a' et c", b' et a", c' et a" sont ré unies à trois bobines placées les unes à côté des autres. Les ampère-tours se supperposant entre les axes de phases sont également représen tés sur cette figure par des flèches pointillées n' n' n' et agissent dans le sens de pôles en partie consécutifs aux bobines, pôles produits par la différence de phase des courants dans les bobines voisines.
Dans la disposition normale d'un bobinage à trois axes de phases, le pas de bobinage au stator comme au rotor serait 2/3 de la di vision polaire, donc, pour 18 encoches par paire de pôles, serait correspondant à un bo binage tambour ayant au stator un pas de bo binage de six divisions d'encoches.
En fig. 4 le pas moyen de bobinage au stator, par phases, la moyenne de 1, 3, 5, de vient trois divisions d'encoches, donc égale à 0,5 du pas de bobinage normal.
Dans certains cas, le mode d'exécution dé crit selon fig. 4 donne un effet trop fort. Dans ces cas, on peut alors réduire moins fortement les ampère-tours du stator transver salement aux axes des phases. On y arrive le plus simplement en réduisant les parties du bobinage qui produisent des ampère-tours superposés et de sens opposé, ou bien en les bobinant partiellement d'une manière dif férente.
Par exemple, on peut bobiner différem ment les spires intérieures ou les spires exté rieures des bobines.
La fig. 5 montre par exemple le même schéma que la fig. 4 dans lequel les spires in térieures de chaque bobine sont remplacées par des spires placées transversalement. Les trois phases de ces seconds bobinages peuvent être reliées de différentes façons avec les bo bines courtes.
En fig. 5, le pas moyen de bobinage au stator devient, par phase, la moyenne de 3, 5, 5, égal à 4,33 divisions d'encoches, donc égal à 0,72 du pas normal de bobinage.
La fig. 6 également montre le même schéma que la fig. 4, dans lequel les spires extérieures se superposent recouvrent, em piètent ou croisent sur celles des bobines voi sines. Ces spires peuvent, comme indiqué, se trouver dans des encoches voisines ou dans les mêmes encoches, de sorte que les courants des deux phases se surperposent en ces endroits pour donner des courants résultants de phase moyenne.
En fig. 6, le pas moyen de bobinage au stator devient, par phase, la moyenne de 1, 3, 7, égal à, 3,66 divisions d'encoches, donc égal à 0,61 du pas normal de bobinage.
La fig. 7 montre un schéma analogue à celui de la fig. 6, avec un stator à 24 en coches indiquées par des traits divisionnaires, les rapports étant choisis de telle sorte que, par bobine et par phase, les spires pour cha que fois deux encoches sont bobinées de fa çon qu'elles se croisent et chaque fois deux encoches de façon qu'elles ne se croisent pas.
Dans la disposition normale, d'un bobi nage à trois axes de phases, le pas de bobi nage au stator comme au rotor serait 2/3 de la division polaire, donc pour 24 encoches par paire de pôles, serait correspondant à un bobinage tambour ayant au stator un pas de bobinage de huit divisions d'encoches.
En fig. 7, le pas moyen de bobinage au stator devient, par phase, la moyenne de 1, 3, 9, 11, égal à six divisions d'encoches, donc égale à 0,75 du pas normal de bobinage.
Dans ce cas, pour éviter les longues spires extérieure, on peut également bobiner de telle sorte que les seules moitiés des bobines cour tes et bobines longues sont interverties.
La nature du courant résultant reste la même.
La fig. 8 montre cette disposition. Le bobinage correspond alors, au schéma bipo laire, à un bobinage normal diamétral quadri polaire, mais relié en bipolaire et à trois axes de phases. Pour le couplage à trois axes de phases choisi ici, toujours deux bobines qui se suivent sont reliées dans le même sens, par phase, en série comme indiqué pour une phase par les deux flèches dessinées. La nature du courant est donc la même qu'en fig. 7.
En fig. 8, le pas moyen de bobinage au stator devient, par phase, la moyenne de 5, 7, 5, 7, égal à six divisions d'encoches, donc de nouveau 0,75 du pas normal de bobinage. La fig. 9 représente schématiquement un moteur à bobinage à six axes de phases. Au schéma bipolaire, le pas de bobinage au sta tor correspond, dans ce cas par exemple, à celui d'un bobinage normal diamétral quadri polaire couplé de façon connue en bipolaire et à six axes de phases de manière que deux bobines placées diamétralement sont réunies en sens bipolaire en une phase comme indiqué pour une phase par les deux flèches dans la fig. 9. Le bobinage du rotor est, dans ce cas, un bobinage normal diamétral bipolaire.
Dans la disposition normale d'un bobinage à six axes de phases, le pas de bobinage au stator comme au rotor serait égal à la divi sion polaire, donc, pour 24 encoches par paire de pôles, serait correspondant à un bobinage tambour ayant au stator un pas de bobinage de 12 divisions d'encoches.
En fig. 9, le pas moyen de bobinage au sta tor devient, par phase, la moyenne de 5, 7, 5, 7, égal à six divisions d'encoches, donc égal à 0,5 du pas normal de bobinage.
La disposition selon la présente innovation amène donc dans toutes les exécutions prati ques à ce que le pas moyen au stator doit être plus petit qu'au rotor, et plus petit que le pas normal de bobinage du couplage.
Le résultat est obtenu partout par le fait que les différentes phases du stator sont cou plées de telle manière qu'elles produisent, non pas une image de courant analogue à celle produite par les circuits des balais au rotor, comme dans des moteurs normaux à champ tournant, mais une image essentiellement dif férente. Dans les moteurs normaux à induc tion, par exemple, l'effet devrait être désigné, à la manière habituelle, comme effet de dis persion et produirait des champs nuisibles de dispersion. Dans ces moteurs à collecteur par contre cette disposition produit l'effet utile décrit.
Dans certains cas, il peut être utile, pour obtenir un effet renforcé, d'augmenter encore cet effet de dispersion entre stator et rotor, par exemple, en bobinant les différentes phases dans une seule encoche par phases, comme le montrent la fig. 10 pour couplage à six axes de phases, et la fig. 11 pour cou plage à trois axes de phases. Dans les dents qui se trouvent entre les différentes phases cet effet de dispersion, indiqué de nouveau par des flèches pointillées, intervient dans une mesure encore plus forte.
L'invention repose essentiellement sur la conception de l'effet utile de ces composantes de champ additionnelles qui, pour tout mo teur normal à induction, serait, de façon usuelle, considéré comme effet nuisible de dispersion, aussi bien utile comme exposé plus haut dans son effet sur les facteurs de puis sance que et surtout dans son effet en géné ral pour des machines à collecteur, produisant une commutation parfaite du courant.
Ce second effet mentionné au début sur l'obtention d'une commutation parfaite est basé sur le fait que lesdites composantes de champ additionnelles produisent dans les zones des balais un champ de la phase d'un champ de commutation.
Les balais sont en général placés en des endroits où les ampère-tours du stator, qui suivent la position des balais dans le sens de rotation ont un retard de phase relativement plus élevé que pour les couplages normaux des différentes phases du stator. Ces ampère- tours induisent, sous les balais, des courants qui leur sont approximativement opposés et, par suite, également en retard sur les cou rants dans le rotor et qui se superposent aux courants des balais. Le résultat est que, es sentiellement, les courants résultants totaux sous les balais sont refoulés vers les arêtes antérieures des balais, et par contre sont affai blis aux arêtes postérieures des balais où se produisent les ruptures du courant.
L'invention peut donc être utilisée égale ment avec grand avantage même pour des machines dans lesquelles, par exemple, la pro duction de facteurs de puissances élevées n'est pas en question. Dans tous les cas, la disposi tion objet de l'invention permet, comme pour les machines à courant continu, de bobiner le rotor avec un nombre plus élevé de spires en tre lames et de réduire les dimensions des col lecteurs d'une manière correspondante. Les dispositifs connus pour obtenir une bonne commutation dans les machines à pôles fixes, comme les machines à courant continu, enroulements de compensation et pôles de commutation sur le stator, n'ont pas trouvé d'application pratique dans le cas des moteurs à champ tournant.
Les enroulements de compensation, qui sont couplés en série avec le rotor, sont bobi nés de telle sorte qu'ils produisent dans le stator une image de courant presque identi que à celle au rotor, mais de phase opposée, correspondant ainsi au schéma de la fig. 1, par exemple. De plus, le rapport d'enroule ment, dans le but d'obtenir une bonne com mutation, est établi de telle façon que le nom bre des ampère-tours dans le stator devienne plus grand que celui au rotor. Ces ampère- tours plus grands au stator auraient précisé ment sur les facteurs de puissance l'effet op posé à celui de la présente disposition et don neraient des facteurs de puissance plus bas, de sorte qu'ils seraient plutôt nuisibles pour les moteurs à champ tournant.
Les pôles de commutation qui doivent également être couplés en série avec les balais du rotor et, dans les machines à pôles fixes, remplissent avec leur bobinage la place libre entre les pôles, n'ont pas rencontré d'applica tion pratique pour les moteurs à champ tour nant, car on constate que les divisions po laires ne suffisent pas à leur placement. On a proposé, pour gagner de la place sur la cir conférence pour le champ principal, de pré voir des pôles de commutation seulement dans la moitié des zones de commutation et de ne pas en placer dans l'autre moitié. Malgré cela on arrive, pour les fréquences usuelles et les petites divisions polaires à des pôles de com mutation très étroits qui, en raison de diffé rents inconvénients, n'ont pas trouvé d'appli cation pratique.
Les couplages selon l'invention ont, au point de vue de l'effet sur la commutation, une certaine ressemblance avec l'effet des pôles de commutation. Ils évitent cependant les inconvénients de ces derniers parce qu'ils n'intercalent pas, dans le champ principal, un champ de commutation en des points où la place est particulièrement mesurée, mais qu'ils superposent au champ principal tout entier une composante de champ de forme multipolaire, au schéma bipolaire, c'est-à-dire de la forme d'un champ harmonique dont la phase aux endroits situés entre les axes de phases produit sur les facteurs de puissance l'effet déjà expliqué plus haut, et dont la phase, aux axes des phases de couplages, cor respond à la phase d'un champ de commu tation.
Ceci devient particulièrement clair dans les modes d'exécution indiqués où, au lieu de rendre le pas de bobinage de toutes les bo bines plus petit que le pas normal de bobi nage du couplage, le pas moyen de bobinage est fait plus petit en utilisant par phase des bobines séparées plus longues et plus courtes, comme par exemple dans la fig. 7.
En fig. 7, avec un couplage à trois axes de phases et 24 encoches dans le stator, le pas normal est égal à huit encoches. Les pas de bobinage des quatre bobines par phases sont ici 1, 3, 9, 11, donc leur pas moyen de bobi nage devient 6 = 0,75 du pas normal.
L'image du courant est la même qu'en fig. 8, avec des bobines égales. Les bobine indiquées par des flèches appartenant à une phase ont ici les pas 5, 7, 5, 7, soit également 6 comme pas moyen.
En fig. 7, les dents intérieures avec les bobines courtes agissent sur les balais placés à ces endroits de façon semblable à des pôles de commutation. Si l'on réduisait le nombre d'encoches de moitié, de telle sorte que les deux bobines courtes par phase soient réunies en une seule bobine courte, la ressemblance serait encore plus grande. L'effet serait ana logue pour la fig. 8 où deux groupes de bo bines voisines par phase se superposent pour produire la même image de courant.
Mentionnons que, dans ces dispositifs qui sont représentés avec une paire de balais par phase, seul le balai postérieur a une commu tation sensible et se trouve dans le meilleur champ de commutation, alors que le balai an- térieur a une commutation déjà meilleure sans champ de commutation.
Pour les dispositions avec un seul balai par phase, le champ de commutation agit sur tous les balais, comme montré en fig. 9, par exemple.
En fil. 9, avec un couplage à six axes de phases et 24 encoches au stator, le pas diamétral normal est de 12. Les pas de bobi nage sont ici 5, 7, 5, 7, donc le pas moyen de bobinage devient 6 = 0,5 du pas diamétral normal.
Si l'on disposait ce bobinage en bobines séparées plus longues et plus courtes, on ob tiendrait, par phase à deux balais diamé traux, des bobines courtes et, concentrique ment à elles, des bobines longues. On obtient, par exemple, la même image de courant avec, par phase, huit bobines bobinées par demi-en coche dont les pas seraient 1, 3, 11, 11, 9, 3, 1, donc avec Lin pas moyen qui serait de nou veau 6, ou bien avec, par phase, quatre bo bines bobinées par encoches et dont les pas seraient 1, 11, 11, 1, donc avec pas moyen 6.
Dans ces cas, les petites bobines, avec le pas 1, embrasseraient une seule dent. Dans les trois phases, les bobines courtes se trou veraient aux six endroits où se trouvent les balais dans la fig. 9, et la ressemblance exté rieure avec des pôles de commutation serait ici très grande.
La différence extérieure essentielle avec la disposition usuelle des pôles de commuta tion est toutefois déjà celle-ci que les ampère- tours des bobines courtes couvrent ici la moi tié de la circonférence totale. Par contre, pour les pôles de commutation usuels et en particulier d'après la voie envisagée jusqu'ici pour les moteurs à champ tournant, dans le but de gagner de la place sur la circonférence pour le champ principal, une petite fraction seulement de la circonférence entrerait en question pour leur placement.
La raison de cette différence est que pour ces couplages il ne s'agit pas de la, voie en visagée pour les pôles de commutation, mais bien du fait de la superposition au champ principal exposée plus haut, de composantes de champ qui, dans les axes des phases, sont décalées de la phase du champ principal d'en viron 90 en avant et entre les axes, d'envi ron 90 en arrière et qui, par conséquent, ne causent aucune perte de place sensible pour le champ principal.
Tout cela se manifeste aussi déjà par le fait que des pôles de commutation doivent être couplés en série avec les balais, tandis que les effets exposés plus haut deviennent les plus forts lorsque les balais sont court- circuités sur eux-mêmes. Ces effets devien nent également très forts quand le rotor est couplé en shunt au stator ou également les circuits du stator et du rotor sont indépen dants l'un de l'autre.
On peut aussi, pour produire des effets spéciaux, coupler les bobines en série rotor, ce qui est même naturellement le cas quand on emploie le moteur comme moteur série. En couplage série, pour obtenir les effets expo sés, dans une mesure encore suffisante, si on emploie soit seulement des bobines à pas plus courts que le pas normal du couplage, soit des bobines plus longues et plus courtes, par phase, placées séparément, les spires des bo bines courtes doivent couvrir au total une partie de la circonférence, qui, mesurée dans les encoches, peut comprendre la circonfé rence entière ou plus que la moitié de la cir conférence, comme dans la fig. 6 par exem ple 2/3 ou la moitié - comme par exemple la fig.
7 - mais en tous cas pas moins que près de la moitié, au minimum environ le 1/3 de cette circonférence, donc une partie qui ne serait pas de loin admissible pour les ma chines à champ tournant, avec des pôles de commutation comme proposées jusqu'ici.
Dans la description, on parle plus sou vent de moteurs, mais comme déjà dit, la dis position se rapporte également à toutes autres machines (par exemple aux génératrices) avec stator et rotor.