Tachymètre électrique.
La présente invention se rapporte à un tachymètre électrique comportant un petit alternateur ninîtipolaire à aimant rotatif, destiné à être entraîné par l'arbre dont on veut mesurer la vitesse, un ampèremètre magnétoélectrique et un redresseur reliant l'alternateur à l'ampèremètre.
Pour que ces tachymètres permettent de mesurer avec sécurité des vitesses angulaires variant entre des valeurs très différentes et pour que leur étalonnage reste constant, on sait qu'il faut, d'une part, que les déviations indicatrices soient proportionnelles à la vitesse à mesurer, et, d'autre part, que le facteur de proportionnalité qui dépend du flux inducteur alternatif, reste toujours constant, même si l'alternateur a été, par exemple, court circuité accidentellement.
Afin d'assurer le hon fonctionnement de ces tachymètres à partir d'une faible vitesse, on a été conduit à utiliser des alternateurs comportant un grand nombre de pôles. Plais on a constaté, notamment dans le cas où l'alternateur a dc faibles dimensions et commande un indicateur constitué par un ampère iiiètrc de consommation propre élevée, que le courant alternatif de mesure ne varie pas toujours proportionnellement à la vitesse angulaire; il progresse de plus en plus faiblement lorsque la vitesse croit et pour de grandes vitesses les déviations de l'aiguille de l'ampèremètre deviennent de plus en plus faibles et ne permettent pas d'assurer la mesure satisfaisante des vitesses élevées.
Enfin, ces tachymètres connus présentent, en outre, l'inconvénient de voir l'aimantation de leur alternateur décroître soit systématiquement en raison de l'affaiblissement résultant de l'effet démagnétisant du courant alternatif débité qui est déphasé en arrière de la force éleetromotrice alternative induite dans les enroulements du générateur, soit d'une facon fortuite lorsque l'alternateur débite sur un court-circuit accidentel.
Le tachymètre selon la présente invention ne présente pas le premier des défauts cidessus rappelés, le second défaut étant sensiblement réduit ou pratiquement évité. Ce tachymètre est caractérisé en ce que, d'une part, le circuit électrique alimentant l'ain- pèremètre comprend, monté en série, au moins un condensateur shunté par une résistance et, d'autre part, en ce que le circuit magnétique de l'alternateur comprend un aimant muni d'épanouissements polaires alternés, rapprochés les uns des autres et non démontables, et des pôles fixes collectant un flux alternatif inducteur limité par un effet de saturation magnétique, l'ensemble étant combiné de facon à ce que le courant de mesure reste pro portionnel à la vitesse angulaire,
grâce à une exacte compensation des effets de capacité et de seliquduction.
La description suivante, se référant au dessin annexé, montre, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être réalisée pratiquement. En particulier, l'alternateur multipolaire décrit comporte seulement un aimant et une bobine en forme de petits cylindres coaxiaux, l'aimant de l'indicateur est de forme identique à celle de l'aimant de l'alternateur; diverses particularités d'exécution permettent de réduire le coût de la fabrication et des opérations de réglage et d'obtenir facilement des appareils interchangeables d'un entretien facile.
La a fig. 1 représente le petit alternateur multipolaire, vu partiellement en coupe diamétrale, convenant à la mesure de la vitesse angulaire des moteurs d'avions.
La fig. 2 montre, en perspective, les pièces principales du rotor de l'alternateur.
La fig. 3 montre, en perspective, les pièces principales du stator de l'alternateur.
La fig. 4 est une vue de face, en partie schématique, de l'ampèremètre magnéto-électrique récepteur dont l'aiguille peut tourner d'environ trois quarts de circonférence.
La fig. 5 montre, en perspective, les principales pièces fixes de l'ampèremètre.
La fig. 6 est un schéma des circuits magnétiques et du circuit électrique du tachymètre, ledit circuit électrique comprenant in condensateur shunté par une résistance.
La fig. 7 montre l'allure des courbes représentant les variations du courant de mesure en fonction de la vitesse, suivant les valeurs données à la capacité et aux résistances du circuit.
La fig. 8 montre l'aspect de l'appareil indicateur.
A gauche de la fig. 1 est représentée la prise normalisée pour tachymètres que coni- portent habituellement les moteurs d'aviation.
L'entrainement est effectué par l'intermé- diaire d'im arbre à tournevis 1. La fixation doit être assurée en se servant d'nn embout fileté 2. Le sens de rotation est quelconque et la vitesse de rotation est généralement la moitié de la vitesse normale du moteur; par suite, les vitesses à mesurer correspondant à la marche au ralenti du moteur sont relativement très faibles et nécessitent un générateur multipolaire, afin d'éviter le tremblement de l'aiguille indicatrice.
Pour éviter toute modification du moteur et faciliter l'adaptation du tachymètre électrique, il est utile de pouvoir employer un alternateur d'encombrement et de poids très réduits, susceptible de remplacer la prise du flexible prévu pour la commande des tachymètres mécaniques. Ces résultats sont obtenus avec le mode de construction indiqué sur la fig. 1.
Le rotor de l'alternateur comporte un petit aimant 3 en forme de bague cylindrique. Cet aimant est constitué par un alliage de force coercitive très élevée (supérieure à 600 oersteds). il est aimanté dans une direction parallèle à son axe. L'aimant est muni de deux pièces polaires 4 et 5 en tôle de fer découpée et emboutie comme le montrent les vues en perspective fig. 2. Ces pièces enserrent l'aimant et ne sont pas démontables, étant assemblées en permanence au moyen d'un manchon en matière non magnétique 6, sur lequel elles sont forcées. L'axe du rotor est solidaire de ce manchon.
On voit que les pièces 4 et 5 comportent chacune trois épanouissements polaires radiaux à 1200 dont les extrémités sont recour- bées à angle droit et disposées à faible dis tante de la surface cylindrique de l'aimant (voir coupe fig. 1). L'ensemble se comporte comme un rotor à six pôles périphériques alternativement nord et sud. Une forte aimantation permanente s'obtient facilement en appliquant les pièces 35 contre les pôles d'un électro-aimant bipolaire très puissant.
Après cette opération, on peut retirer le rotor d'entre ces pôles et une aimantation très élevée est conservée parce que les réluctances des circiiits magnétiques externes restent relativement faibles, les épanouissements polaires étant assez rapprochés des faces polaires de l'aimant interne.
Le stator présente une disposition analogue à celle du rotor; il comprend une bobine centrale 7 de forme cylindrique montée sur un noyau 8 en matière magnétique, susceptible de prendre une aimantation alternative avec de faibles pertes par hystérésis et courants de Foucault. Les extrémités du noyau portent sur deux pièces 9 et 10 en tôle magnétique douce présentant les mêmes propriétés que le noyau. Les pièces 9 et 10 comportent chacune trois bras radiaux à 120 dont les extrémités sont repliées à angle droit du côté du rotor.
Ces bras constituent des pôles fixes enchevêtrés entourant les pôles aimantés du rotor comme l'indique la vue en coupe fig. 1. On voit que, lorsque le rotor tourne, le noyau 8 se trouve traversé par un flux alternatif issu de l'aimant 3. Ce flux s'inverse six fois par tour du rotor. Il en résulte dans la bobine 7 une force électromotrice d'induction alternative qui atteint une valeur relativement élevée, même si la vitesse angulaire de l'axe est faible. La section du noyau 8 est relativement petite, de façon que, lors du passage du flux masimum, le noyau soit presque saturé. Dans ces conditions, de petites variations de l'aiman- tation permanente n'ont pratiquement pas d'influence sur les valeurs maxima dn flux alternatif traversant la bobine 7.
L'alternateur est monté et fixé sur le moteur au moyen d'un écrou à collet 11, comme l'indique clairement la fig. 1. L'alternateur est muni en 12 d'nn dispositif de connexion démontable reliant la bohine 7 à un câble souple 13 à deux conducteurs, Ce cable aboutit à l'indicateur représenté en partie sehémati cliiement sur la fig. 4.
Cet indicateur est constitué par ml ampè- remètre à cadre mobile dans le champ d'un aimant permanent. Il est, par exemple, dn type connu comportant une bobine sans fer 17, très légère, montée excentrée sur un axe 19 portant une aiguille 18 pouvant tourner d'un angle total d'environ 270 degrés.
On le réalise de préférence avec les particularités de eoiistruetion ci-après décrites (voir fig. 4 et 5):
Les pièces polaires 14 et 15, aimantées en permanence nord et sud , entre lesquelles s'établit le champ magnétique utile, sont cons- tituées par des pièces en tôle de fer doiix découpées et cintrées comme le rnontre la vue perspective, fig. 5. L'aimantation est commu- niquée par un aimant 16 en forme de bague, identique ou analogue à l'aimant 3. Cet aimant 1G, toutefois, est aimanté suivant la direction d'un diamètre et il est constitué, conidie l'aimant 3, par une matière dure de force coercitive et d'induction rémanente très élevées.
La pièce polaire 14 constitue un plongeur recourbé en forme d'anneau coupé 14a, sur lequel est engagée la bobine motrice 17 qui constitue le contrepoids d'équilibrage de l'aiguille 18. L'axe 19 pivote à ses extrémités dans un bâti démontable 20 en métal non ma- magnétique, largement ajouré. Ce bâti est représenté en perspective au bas de la fig. 5. La bobine 17 est enroulée sur nn tube en cuivre ou en aluminium et les courants de Foucault qui s'y développent ainsi que le frottement cie l'air assurent un bon amortissement des oscillation, s.
On remarquera que les organes moteurs de l'ampèremètre sont d'un faible encombrement et d'une construction facile et économique. On peut donner à la partie 14a de la pièce polaire nord 14 une largeur variable permettant d'obtenir une répartition convenable des lignes de force entre cette pièce et la pièce polaire sud 15. La partie 14a ne formant pas un anneau fermé, il est possible d'engager facilement la bobine 17 sans démonter les pièces polaires de l'aimant. On peut ainsi retirer et démonter l'équipage mobile sans modifier l'aimantation permanente. De plus, celleci peut être réglée facilement en changeant l'orientation de l'aimant 16, de facon que la ligne des pôles N S s'écarte plus ou moins de la direction verticale.
Pour ce réglage, on peut prévoir un dispositif de commande extérieure permettant de faire tourner l'aimant 16.
Le courant est amené au cadre (bobine) mobile 17 par des ressorts spiraux dont l'un au moins est isolé. (Cette disposition ne présentant aucune originalité, les spiraux n'ont pas été représentés sur les fig. 4 et 5).
Le boîtier de l'indicateur contient au moins: un petit condensateur C, un redresseur sec RED (du type cuproxyde ou d'un type analogue) et une résistance Rs, ces éléments étant branchées comme l'indique la fig. 6.
L'intérêt de l'insertion en série dans le circuit électrique reliant l'alternateur à l'ampèremètre, du condensateur shunté par la résistance Rs est mis en évidence par la courbe
III de la fig. 7, la courbe I représentant le cas où le condensateur est remplacé par un court-circuit et la courbe II représentant le cas du condensateur non shunté.
Lorsqu'on remplace le condensateur C par un court-circuit, on constate que le courant redressé im traversant le eadre 17, varie en fonction de la vitesse comme l'indique la courbe I en traits ponctués. La graduation du cadran de l'ampèremètre, dont l'aiguille dévie proportionnellement au courant serait de plus en plus resserrée pour des vitesses croissantes et les divisions seraient même con- fondues pour les vitesses élevées.
Lorsqu'on insère, en série dans le circuit, un condensateur C non shunté, d'une capacité relativement faible, choisie telle que la condition de résonance soit remplie pour une valeur de vitesse Qr supérieure à la vitesse maximum 52m à mesurer, le courant de mesure tm varie comme l'indique la courbe II.
On voit que, pour ce montage comprenant le condensateur C non shunté, les divisions du cadran seraient très rapprochées au début de l'échelle et s'écarteraient de plus en plus pour les vitesses élevées. Vu qu'on veut obtenir des tachymètres dont les cadrans ont des divisions également espacées sur toute l'étendue de l'échelle de mesure comme l'indique la fig. 8, il faut éviter les montages susdits. Le résultat désiré est obtenu au contraire en branchant aux bornes du condensateur C la résistance RS et en donnant à cette résistance Rs une valeur telle (valeur qui peut être déterminée expérimentalement au moyen d'un rhéostat), qu'on obtient la courbe caractéristique des variations de tm représentée en III dans la fig. 7.
On voit que tm varie linéairement lorsque la vitesse croît de 0 à Qm Dans ces conditions, il suffit d'établir l'ampèremètre de façon que les déviations soient proportionnelles au courant qui le traverse (problème couramment résolu dans la technique des instruments de mesure).
Pour éviter l'influence des variations de température sur les indications, on peut employer divers moyens connus (par exemple interposer dans le circuit des résistances variant avec la température; munir les aimants permanents de shunts magnétiques constitués par des alliages fer-nickel dont la perméabilité varie avec la température, etc.).
Pour assurer, dans une fabrication en série, l'interchangeabilité des alternateurs, on peut procéder de la façon suivante:
On désaimantera légèrement l'aimant 3 de façon que, pour une certaine vitesse de l'alternateur, la force électromotrice obtenue soit toujours la même. Pour cela, il suffit d'entourer l'alternateur terminé d'un solénoïde et d'y faire passer un courant continu réglable suffisamment intense pour produire un champ de désaimantation convenable. Les effets des courants de désaimantation seront déterminés à l'avance par des essais sur prototypes. Pour fixer la valeur permettant de parachever le réglage de chaque appareil, on se basera sur une première mesure de la force électromotrice obtenue avec l'alternateur aimanté à saturation.
Le procédé ci-dessus décrit permet aussi de régler exactement la force magnéto-motrice de l'aimant du rotor inducteur.
L'étalonnage d'une série d'indicateurs se trouve simplifié par le fait que les cadrans, dont les divisions sont également espacées, peuvent être imprimés d'avance. Pour régler chaque appareil, il suffit de faire tourner le tachymètre à une vitesse connue et de recti- fier au besoin la position de l'aiguille en agissant sur l'orientation de l'aimant 16 de l'ampèremètre.
L'arbre de commande des appareils portatifs peut être muni d'embouts amovibles (pointes prismatiques, cônes ou rondelles de caoutchouc) permettant d'effectuer des mesures variées (vitesses angulaires, vitesses circonférentielles et linéaires, vitesses de coupe d'outils, etc.). Les faibles dimensions de l'alternateur facilitent les applications multiples du tachymètre; d'ailleurs la sensibilité de l'ampèremètre indicateur peut être modifiée par des moyens électriques analogues à ceux qu'on utilise dans les boîtes de contrôle pour les mesures électriques variées.
On remarquera aussi que, par le simple cliangement des pièces polaires 4, 5 et 9, 10, on peut construire divers modèles d'alternateurs tacbymétriques présentant des nombres de pôles différents, convenant aux usages spéciaux prévus. En particulier, on peut augmenter considérablement le nombre des bras radiaux recourbés, ce qui permet de réaliser très simplement un petit alternateur multipo- laire de grande puissance massique convenant spécialement à la mesure des très faibles vitesses.
Lorsque l'ampèremètre-indicateur présente la sensibilité des bons instruments de mesure de laboratoire usuels, les dimensions de l'alternateur fig. 1 peuvent être estraordinairement réduites. Par exemple, on peut adopter un aimant 3 et une bobine 7 d'un diamètre inférieur à quinze (15) millimètres et d'une longueur inférieure à six (6)
lilillimètres. On peut aussi donner aux pôles péripliériques des pièces 4 et 5 une forme telle que les lignes limitant latéralement ces pôles soient un peu obliques par rapport à l'axe de rotation de façon à uniformiser la réluctance magnétique pour toutes les positions angulaires du rotor et à obtenir un couple résistant pratiquement constant et très faible.
Cette forme particulière donnée aux pôles périphériques 4 et 5 se justifie par le phénomène hien connu suivant lequel les modifications brusques de la réluctance des systèmes magnéto-électriqües provoquent le développement des couples de rappel vers la position de réluctance ininhua, couples qui sont d'autant plus élevés que la variation de la réluetance par rapport à l'angle de rotation est plus grande.
Si donc l'on employait des pôles rectangulaires très étroits et que les pôles du rotor se trouvent en face des vides entre les pôles du stator, le rotor se trouverait dans une position d'équilibre instable et ses pôles tendraient à se placer brusquement devant les pôles du stator (position de réluctance minima) pour être ensuite retenus dans cette position par une attraction magnétique intense provenant de l'ai aimantation permanente de la pièce 3 de sorte que la réluctance des entrefers entre pôles fixes et pôles mobiles serait modifiée par éche lons brusques.
Cette variation par échelons brusques de la réluetance est transformée en une variation progressive en inclinant comme indiqué ci-dessus, les bords latéraux des pôles par rapport à l'axe de rotation. En même temps, le couple d'entraînement de l'alternateur est réduit de sorte que ce mode d'exécution permet de réaliser des tachymètres convenant spécialement à la mesure de la vitesse de machines de très faible puissance, dont la mar elle ne doit pas être troublée par l'entraînement de l'alternateur fig. 1.
Un tachymètre suivant l'invention peut entrer dans la eonstitution de tout appareil de mesure basé sur l'indication de la vitesse an angulaire d'un organe sensible à la grandeur à mesurer. Par exemple, l'organe sensible associe au tachymètre pourrait être un monlinet actionnant l'alternateur ttachymétrique, l'ensemble eonstftuant un anémomètre.