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FERFECTIONNEMENTS AUX PROCEDES D'AIMANTATION & AUX APPAREILS ELECTROMAGNETIQUES.
La présente invention est relative à des procédés nouveaux d'ai- mantation et à des perfectionnements s'appliquant aux appareils électromagné- tiques tels que les électro-aimants, relais, pôles de machines électriques , transformateurs, etc.. Elle a pour but de modifier à volonté les lois de varia- tion des flux magnétiques en fonction des ampère-tours, ainsi que les lois des variations des forces électromotrices et des effets dynamiques qui en résultent.
Au lieu des variations du ou des flux ou des courants induits déterminées par les courbes de saturation des circuits magnétiques, on réalise, par les moyens décrits dans la suite, des lois de variation différentes : on
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peut obtenir des flux ou des courants croissant plus rapidement que les or- données de la courbe de saturation, des flux qui croissent moins rapidement que ces caractéristiques, des flux qui sont pratiquement indépendants du nom- bre d'ampère-tours d'excitation, et enfin des flux qui diminuent ou subissent des variations périodiques lorsque le nombre d'ampere-tours d'excitation aug- mente.
En dehors des procédés ayant pour but de réaliser ces lois de variation, la présente invention couvre les appareils qui les utilisent, ap- pareils dont il n'est, dans la suite, décrit qu'un petit nombre et indiqué qu'une partie des applications à titre d'exemple.
Les dessins joints donnés à titre d'exemple et d'une façon non limitative, exposent les nouveaux procèdes et leurs applications. la Fig.1 est relative à un circuit magnétique ramifié ayant deux branc-hes à perméabilités différentes.
La Fig.2 représente les variations des flux dans les deux bran- ches en fonction du courant d'excitation. la Fig.3est une application du schéma de la Fig.l permettant de réaliser une impédance variable. la Fig. 4 est une autre application constituée par un parafoudre. la Fig.5 est le diagramme des flux dans le parafoudre de la Fig.4.
Les Fig. 6, 7 et 8 sont relatives aux circuits électriques ana- logues aux circuits magnétiques faisant l'objet de l'invention.
Les Fig. 9,10 et 11 représentent des circuits magnétiques réa- lisant les variations du flux modifiées.
La Fig. 12 est un relais basé sur l'utilisation de ces circuits.
Les Fig. 13, 14, 15 et 16 sont relatives aux compteurs compensés utilisant les même circuits.
Les Fig. 17, 18 et 19 exposent le fonctionnement d'un multiplica- teur de fréquence conforme à l'invention.
Conformément à l'invention, on utilise des circuits magnétiques composés de plusieurs parties disposées en parallèle ou en série, ayant des courbes de saturation différentes et choisies de sorte que la répartition des lignes..
'-'-de force magnétiques dépend des variations de leurs perméabilités respectives.
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La Fig.l représente un exemple très simple d'un circuit magnéti- que aant deux branches à perméabilités différentes. En admettant que la ré- luctance de la culasse 1 est négligeable par rapport à celle des noyaux 2 et
3, on voit que ceux-ci se trouvent, pour ainsi dire, aux bornes d'une certaine force magnétomotrice déterminée par le nombre d'ampère-tours de la bobine 4.
Les flux de chacun de ces noyaux sont représentés sur la Fig.2 en fonction du courant d'excitation, et on voit que pour une certaine valeur de ce courant ils sont égaux au point N.
En disposant sur les noyaux 2 et 3 deux bobines seoondaires mon- tées en opposition et en alimentant le primaire 4 en alternatif, on conçoit que la tension secondaire aux bornes SS est proportionnelle aux différences entre les ordonnées #2 et #3 de la Fig.2. Un dispositif analogue a été décrit dans le brevet No 332.321 de la Société demanderesse et dans son premier per- fectionnement, dans lesquels il ne s'agit que de transformateurs d'intensité.
Conformément à la présente invention, on peut alimenter la bobine 4, comme le primaire d'un transformateur de potentiel, à une tension variable; les deux secondaires 2 et 3 produisent soit une tension décroissante, soit une tension qui s'inverse, soit une tension primaire. La loi de variation réa- lisée dépend des deux courbes #2 et #3 de la Big.2 et de la situation du point N. Un tel transformateur est susceptible de multiples applications. Il peut être utilisé avec les avertisseurs, les relais voltmé-triques, etc...
Il est à noter cependant qu'en fermant les bornes secondaires SS de la Fig.l par une impédance relativement faible qui permet le passage d'un courant secondaire appréciable, la répartition des flux se trouve complètement modifiée. Si la EFM de l'enroulement 2 par exemple est prépondérante, cet en- roulement débite un courant opposé à la FEM de l'enroulement 3; Les ampères- tours 2 produisent une action démagnétisante tandis que la saturation du noyau de la bobine 3 se trouve augmentée. On voit que le courant débité, dû au désé- quilibre des deux flux, tend à les équilibrer et qu'il ne peut jamais attein- dre une forte intensité.
Pour obvier à cet inconvénient et en vue de réaliser des transfor- mateurs de puissance pouvant débiter des courants appréciables dont la loi de variation peut être modifiée à volonté, on peut utiliser un dispositif repré- senté à titre d'exemple sur la Fig.3. Le circuit magnétique de cette figure
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comprend, comne précédemment, deux circuits magnétiques à perméabilités dif- férentes portant les bobines 2 et 3 branchées en opposition et fermées par une impédance R.
L'un des deux circuits est excité par l'enroulement primaire
4, l'autre par l'enroulement primaire 5 produisant un flux de même sens que celui de 4. la bobine 5 est connectée en série avec quelques spires S qui créent un champ de direction opposée à celle du flux de la bobine primaire 4 qui, par conséquent, peut avoir un nombre de spires légèrement supérieur à celui de la bobine 5. Si les deux flux et #3 sont égaux, les forces élec- tromotrices des bobines et 3 sont égales, en admettant qu'elles ont le même nombre de spires et l'impédance R n'est parcourue par aucun courant.' En augmentant la tension primaire P, les flux #2 et #3 ne sont plus égaux, la FEM de la bobine 3 devient pas exemple prépondérante et l'im- pédance R est traversée par un certain courant secondaire.
Les bobines pri- maires étant alimentées en parallèle par le réseau, l'action démagnétisante de la bobine 3 est compensée par l'accroissement de l'intensité primaire de la bobine 5, tandis que les spires 5 compensent la tendance de la bobine ; d'augmenter le flux #2. On voit que cette disposition permet d'utiliser la différence des caractéristiques de saturation même pour les débits assez forts
Au point N, la bobine 5 n'est parcourue que par un courant magné- tisant très faible et son impédanc eest très grande; en s'écartant de ce point, cette impédance diminue fortement, et elle peut varier beaucoup pour des faibles variations du voltage primaire.
En situant le point N près de l'o- rigine ou plus loin vers les fortes saturations, on peut réaliser des ipédan- ces croissantes ou décroissantes en fonction de la tension primaire, et en constituant l'impédance R par une résistance ohmique, une self ou une capacité on peut varier à volonté la nature de l'impédance primaire 5 ainsi réalisée.
Un dispositif du même genre peut etre employé comme parafoudre par exemple, destiné à écouler automatiquement les surtensions d'un réseau.
La Fig.4 représente schématiquement un exemple d'une telle application. Les enroulements primaires 4 et 5 sont branchés entre la ligne L et la terre, éven- tuellement en série avec la résistance 6 ; l'ensemble analogue à celui de la Fig.3 est dimensionné de sorte qu'en dessous de la valeur normale de la tension les FEM des enroulements a et 3 mis en courtcircuit et en opposition se com- pensent pratiquement, les deux courbes de saturation ayant la forme représen-
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tée Fig.5. Jusqu'au point N, qui correspond à la tension normale de la ligne à protéger, le courant secondaire de court-circuit est négligeable,
mais au-delà de la zone OM il devient très fort et l'impédance primaire tombe ravinement à une valeur faible qui permet l'écoulement de la surtension.
Des dispositifs semblables peuvent être employés comme nelais qui ne fonctionnent qu'au dessus d'une certaine valeur d'excitation, comme bo- bines de déclenchement à maxima, comme avertisseurs, etc.. On peut les utiliser comme démarreurs, comme limiteurs automatiques de surcharges intercalant des fortes réactances, etc.. la répartition des flux considérés dans les exemples précédents peut être assmilée à la répartition des courants électriques dans deux résistan- ces de la fig.6.
En admettant que R1 est une résistance métallique qui croît avec la température, et que R2 est em charbon par exemple dont la conductibilité aug- mente avec la température, on conçoit que les intensités qui passent par les ré- sistances sont représentées par les courbes de la Fig.7 analogues à celle de la Fig.2 et qué chacun de ces courants ne dépend que des valeurs respectives des résistances. Mais il est évident que si l'on dispose en série avec les deux ré- sistances Rl et R2 une résistance beaucoup plus forte R, comme il est représenté dans la Fig.8, de sorte que le courant total I est surtout détekminé par la va- leur de cette résistance R, chacun des courants partiels dépend non seulement de sa résistance, mais aussi de la valeur de la résistance voisine.
Il en résulte qu'en faisant varier les deux résistances R1 et R2, comme précédemment, dans les sens opposé-s, on obtient dans chacune d'elle une variation plus forte de l'in- tensité. Dans l'exemple de la Fig.8 on obtient, en augmentant la tension d'ali- mentation E,dans la résistance R1, un accroissement moins rapide que celui de la courbe lR1 et dans R2 un accroissement plus rapide que celui de sa carecteristin- que normale IR2
Conformément à l'invention, on peut réaliser des phénomènes ana- logues dans les circuits magnétiques, en utilisant la forte réluctance d'un entre- fer par exemple qui joue le rôle de la résistanc-e R.
Une telle disposition est représentée schématiquement sur la Fig.9, Dans cette figure, les noyaux 2 et 3 ayant des perméabilité-s différentes sont disposés dans le circuit magnétique 1 et 9 à très faible réluctance, en série avec un entrefer. En constituant le noyau 2 en fer dynamo ordinaire par exemple et le noyau 3 en un alliage qui a une per-
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méabilité très grande aux faibles valeurs du champ, tel que le "permalloy" par exemple, ou en utilisant tout simplement une qualité de tôles dont la courbe de saturation monte plus rapidement, on peut faire passer la plus grande partie du flux par le noyau 3 tant que le courant de la bobine 4 est faible, et, au contraire, faire passer presque la totalité du flux par le noyau 2 lorsque les ampères-tours 4 augmentent.
On conçoit, en se basant sur l'analogie avec le schéma de la Fig.8, que le flux dans le noyau 3 croit moins rapidement que sa courbe normale de saturation, tandis que l'augmentation du flux dans le noyau 2 est plus rapide que d'après sa courbe de saturation. Il est évident qu'on ob- tient, qualitativement tout au moins, les mêmes résultats en disposant l'entre- fer d'une façon différente, comme dans les Fig. 10 et 11 par exemple.
Cette croissance accélérée ou ralentie des flux peut être utili- sée dans de très nombreuses applications. On peut par exemple réaliser, confor- mément au schéma de la Fig.12 , un relais voltmétrique par exemple, basculant dans un sens lorsque son excitation est au-dessous d'une certaine valeur, et dans un autre sens lorsqu'elle dépasse cette valeur. L'armature 7, pivotée en 8, est attirée par les noyaux 2 et 3, l'attraction de 3 étant plus forte tant que le courant dans la bobine 4 est faible, et celle du noyau a devenant pré- pondérante à partir d'une certaine valeur de l'excitation.
On peut utiliser la loi modifiée des variations du flux pour réaliser les pôles principaux ou auxiliaires de machines électriques; on peut baser sur ce principe les transformateurs de puissance dans lesquels les effets des variations de la tension primaire sont réduits ou renforcés; on peut réa- liser des transformateurs d'intensité dont le rapport de transformation varie dans un sens ou dans l'autre en fonction de la charge, introduire la compensa- tion dans les appareils de mesure ou dans les compteurs, etc..
Une application des circuits magnétiques de la Fig.lO aux comp- teurs d'énergie électrique est représentée à titre d'exemple sur les Fig.13, 14 15 et 16. On sait que les compteurs du genre représenté sur la Fig.13, consti- tués par un disque 10 freiné par l'aimant permanent 13 et entraîné par les éleo- trois 11 et 12, dont l'un est voltmétrique et l'autre ampéremétrique, donnent, en surcharge, des indications erronées. les erreurs sont dues à l'action de freinage produite par les flux
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magnétiques des êlectros du compteur par rapport auxquels le disque se déplace, un couple retardateur dû aux courants de Foucault se produisant en même temps que le couple moteur.
Le couple retardateur est proportionnel au carré du flux, pour une vitesse donnée, tandis que le couple moteur est une fonction linéaire du flux.
Le couple de freinage ne représente que quelques pour cent du couple moteur, mais étant donnée la différence entre les lois de leurs varia- tions, il est difficile de réaliser une bonne précision d'un tel compteur, pour toutes les valeurs du flux; on conçoit que le couple résultant varie un peu moins rapidement que la première puissance du flux de potentiel.
Conformément à l'invention, on utilise des circuits magnétiques analogues à ceux de la Fig.10, et disposés de sorte que le flux magnétique passant à travers le disque varie plus fortement que les ampères-tours d'exci- tation, en vue de compenser l'augmentation du couple retardateur. La Fig. 14 en représente un exemple de réalisation.
La. bobine de tension est enroulée sur le noyau central 14 de l'électro habituel de tension ayant la forme de la lettre E. Le flux sortant de l'extrémité inférieure de ce noyau se divise en deux parties, dont l'une traverse les entrefers étroits 15 et passe aux branches extérieures à travers les petites saillies 17, tandis que l'autre, et c'est la partie active du flux, passe par l'entrefer principal en traversant le disque 10, entre dans les pô- les de l'électro ampéremétrique 12 et retourne vers les branches 16 par les branches 18 solidaires de l'aimant 12 et formant de bons joints 19 avec les parties 16.
Cette disposition des parties magnétiques permet de réaliser, par leur dimensionnement approprié, un mode nouveau de compensation supprimant , non seulement les erreurs dues aux variations de la tension du réseau, mais aussi les effets des fortes surcharges.
Conformément à l'invention, les saillies 17 de l'électro voltmé- trique sont dimensionnées, par rapport aux autres parties du circuit, de sorte qu'elles se trouvent normalement, comme le noyau 3 de la Fig.10, dans la zone de la perméabilité décroissante. Si A représente dans la Fig.15 la courbe de saturation en fonction des ampères-tours de l'acier au silicium employé, pour tous les circuits magnétiques de la Fig.14, on réalise dans 17 une induction
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de 9 kilogauss par exemple, à laquelle correspond le point 0' de la courbe B de perméabilité dont les valeurs sont portées en abscisses.
La partie active du flux pàsse par les branches 18 dont la section est telle qu'elles se trouvent de préférence dans la zone des perméabilités croissantes, ayant une induction de 1000 gause par exemple à laquelle correspond le point C' de la courbe B.
Ce résultat est obtenu non seulement par le dimensionnement des parties 17 et 18, mais aussi par le choix d'entrefers appropriés ou d'une au- tre façon (par exemple au moyen de noyaux de compositions différentes); l'es- sentiel est d'avoir le point C dans la zone des perméabilités décroissantes et le point c' dans la zone des perméabilités croissantes,
Une augmentation de la tension du réseau produit dans les deux parties du circuit magnétique une augmentation de la saturation indiquée par les points D et D' par exemple de la course B, On voit que la perméabilité du circuit 18 augmente tandis que celle du circuit 17 diminue; ceci change la ré- partition du flux dont un plus grand pourcentage passe par l'entrefer principal que précédemment.
Ceci permet dé compenser, dans la proportion voulue, les erreurs dues à l'augmentation de la tension du réseau. Une baisse de tension fait va- rier la répartition du flux dans l'autre sens de sorte que l'on obtient tou- jours un couple résultant proportionnel à la tension du réseau pour une étendue assez large de ses variations.
On peut obtenir une.compensation plus ou moins complète pour les différentes formes de compteurs et les différentes qualités de fer constituant les circuits magnétiques. Une compensation plus faible est obtenue par exemple en faisant travailler les branches 18 dans la zone des perméabilités constantes qui correspond à la partie F de la courbe B. Il en résulte qu'une certaine compensation peut être réalisée même dans les dispositifs ayant un seul circuit magnétique. On peut d'autre part constituer, comme il a été indiqué précédem- ment, les différentes parties des circuits par des qualités différentes de fer.
Conformément à l'invention, on peut réduire considérablement la chute de la courbe d'étalolnage due aux intensités trop fortes, Les variations de tension étant c-ompensées, dans le compteur,on peut évidemment utiliser un flux de l'électro voltmètrique beaucoup plus fort par rapport à celui de l'é- lectro ampéremétrique, que dans les compteurs non compensés dans lesquels le
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EMI9.1
flux voltmétrique doit rester faible pour éviter les erreurs signalées.plus haut.
Ceci permet d'employer un flux voltmétrique très fort et de se contenter d'un flux ampéremétrique relativement faible, de sorte que même les surcharges très fortes ne produisent qu'un effet de freinage négligeable. la Fig.16 représente à titre d'exemple deux courbes d'étalonnage qui indiquent les rapports k entre le nombre réel de wattherues et les indications de deux compteurs différents, en fonction de la charge I en #. La courbe I a été obte- nue avec un compteur ordinaire; la courbe II est celle d'un compteur compensé conformément à l'invention. On se rend compte de la compensation presque com- plète pour des surcharges assez importantes.
On a obtenu des résultats parti- culièrement intéressants en dimensionnant les circuits magnétiques de sorte que le flux voltmètrique utile est plus de 4 fois plus fort que le flux ampè- remètrique à l'intensité et à la tension normales. cE rapport a été doublé , ce qui a permis de réaliser une grande précision et une réduction de poids. la superposition de plusieurs forces magnétomotrices agissant sur les différentes parties de circuits magnétiques permet de réaliser des flux dont on peut modifier à volonté la loi de variation.
Ce résultat peut être obtenu par exemple à l'aide du dispositif de la Fig. 17. la bobine 19 enroulée sur le noyau 22 produit le flux 19 de la Fig.18; la bobine 21 disposée sur le noyau 23 produit le flux si-3, Le noyau central 24 est parcouru par le flux #24 égal à la différence entre les deux flux composants : En constituant le noyau 19 en une matière ayant une saturation plus faible et en disposant un ou plusieurs entrefers dans le circuit, les sections et les perméabilités étant convenablement chosiies, on peut obtenir deux points d'intersection Na et N4 entre les courbes 19 et 23, de sorte que la variation du flux #24 est repré- sentée par une ligne ondulée de la Fig.18.
En alimentant les bobines 19 et zl en courant alternatif dont l'amplitude est égale à OB, on conçoit qu'on obtient dans la bobine secondai- re 20 un courant de fréquence double.En augmentant la tension aux bornes pri- maires PP de sorte que l'on atteint l'ordonnée CN3, on obtient aux bornes secondaires SS la fréquence triple; en allant jusqu'au point N4 on obtient la fréquence quadruple et au point la fréquence quintuple. On voit que ce
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transformateur à flux différentiel représente un multiplicateur de fréquence à rapport de multiplication variable.
En ajoutant une bobine supplémentaire disposée sur le noyau 22 et excitée en courant continu, on peut, conformément à la Fig.19, obtenir trois points d'intersection entre les deux oourbes des flux et réaliser ainsi une fréquence secondaire septuple,
Il va de soi qu'on peut réaliser avec des dispositifs analogues des flux qui croissent, qui diminuent ou qui restent approximativement cons- tants en fonction des ampères-tours d'excitation, qu'on peut superposer plus de deux flux et qu'on peut appliquer les mêmes principes aux systèmes polypha- sés en vue de modifier les résultats obtenus.
D'autre part, les appareils électromagnétiques, objets de l'in- vention, peuvent avoir une autre disposition de différents noyaux à perméabili- tés différentes. On. peut, par exemple, au lieu d'employer la disposition en parallèle de plusieurs circuits magnétiques, les disposer en série ou en série- parallèle, en faisant passer les flux magnétiques par des résau plus complexes ce qui permet de varier davantage les lois d'accroissement ou de diminution des flux ou des courants induits en fonction de l'excitation.
De tels flux peuvent être utilisés dans les machines électriques dont on peut varier à valonté la tension, l'intensité ou la puissance en fonc- tion du courant d'excitation, de la vitesse, etc. On peut ainsi réaliser par exemple une dynamo à débit indépendant de la vitesse, les différents compoun- dages, etc.....*
Au lieu d'être employés comme transformateurs débitant le cou- rant secondaire directement aux appareils de consommation, les dispositifs décrits plus haut peuvent être avantageusement utilisés pous l'alimentation des grilles ou d'autres organes de contrôle d'ampoules thermioniques telles que les grilles en gaines de triodes, de redresseurs ou convertisseurs à mercure, d'ampoules à gaz, etc....
Les courants à intensité , à tension ou à fréquence variable peuvent ainsi tre considérablement amplifiés avant d'être utilisés.