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APPAREILS INDICATEURS DE VITESSE
La présente invention a pour objet un indicateur de vites- se, on éventuellement de fréquence qui permet de donner des indica- tions très précises sur une très grande gamme de vitesse, de voltage et de température. Cet indicateur est utilisable notamment pour in- diquer la vitesse des moteurs d'avions, et il sera décrit ci-dessous en vue de cette application, à titre d'exemple non limitatifs car il est facile de voir qu'il est également applicable à la mesure de la vitesse de tout élément mobile, ou même pour indiquer la fréquence de systèmes à courant alternatif. Pendant le vol d'un avion, il est important que le pilote ait sois les yeux, sur son ppnneau de bord, un indicateur de vitesse du noteur.
De tels indicateurs actionnés mécaniquement entraînent des complications telles que : flexi- bles etc... et c'est pourquoi il est désirable d'avoir un indicateur
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de vitesse à commande électrique. Les indicateurs électriques usuels comportent un petit générateur de courant alternatif actionné par le moteur de l'avion, ce générateur ayant un ai- mant permanent et le panneau de bord comportant un voltmètre relié à l'induit du générateur, le voltmètre étant gradué en tours par minute.
Théoriquement,le voltage du générateur doit être directement proportionnel à la vitesse du moteur de l'avion et le voltmètre devrait indiquer ainsi exactement cette vitesse mais ce n'est pas le cas pratiquement car l'aimantation de 1' aimant permanent varie avec le temps, les vibrations et les va- riations de température particulièrement appréciables sur un avion. De plusles variations de température changent la résistance des enroulements de l'induit et du voltmètre et ce dernier n'indique donc plus exactement la vitesse du moteur de .l'avion, soit pour divers régimes de fonctionnement, soit après une longue période de fonctionnement.
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Ces inconvénients sont supprimés,conformément a la présente invention par l'interposition d'un transformateur de construction spéciale entre le générateur et l'appareil indica- teur.. Ce. transformateur comporte un enroulement primaire, ali- menté par le générateur, et deux enroulements secondaires; il comporte'également un noyau avec deux circuits magnétiques: l'un de ces 'circuits possède une section magnétique amincie qui de- vient pratiquement saturée pendant une partie de chaque alter- nance du voltage du générateur; l'autre circuit comporte un entrefer ou une section ayant une réluctance pratiquement égale à celle de l'air. Un des enroulements secondaires entoure une partie du circuit magnétique ayant la section amincie et l'autre enroulement secondaire est parcouru par le flux de l'autre cir- cuit magnétique.
Les deux enroulements secondaires sont reliés en série de telle façon que les voltages induits sont opposés 'et que le voltage résultant fait fonctionner l'appareil indica- teur. Le nombre de tours des enroulements secondaires et la réluctance de leurs 'circuits magnétiques respectifs -sont calcu-
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. ' , -L,?vrep.l.¯. /.
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lés de telle sorte que le voltage résultant est pratiquement proportionnel à la fréquence du générateur et ainsi les indica- tions de l'appareil seront proportionnelles à la vitesse du géné- rateur.
Pratiquement, on peut utiliser un redresseur simple ' pour redresser le courant fourni par le secondaire du transfor- mateur,ce qui permet d'employer un appareil à courant continu pour indiquer la vitesse et obtenir ainsi des lectures faciles puisqu'un tel instrument fournit des déviations égales pour des impulsions égales de voltage.
Un tel instrument va être décrit ci-dessous à titre non limitatif en se reportant au dessin dans lequel:
La fig.l représente le schéma d'un indicateur utili- sant un générateur de courant alternatif à aimant permanent, un transformateur construit de telle sorte que son enroulement , secondaire fournisse un voltage alternatif dont la valeur moyen- ne est pratiquement proportionnelle à la fréquence du générateur, un redresseur pour convertir le courant alternatif en courant continu et un appareil à courant continu.
La fig. 2 représente les courbes magnétiques du trans- formateur de façon à faciliter la compréhension des avantages obtenus selon la présente invention.
Dans la fig.1, le générateur de courant alternatif 10 comprend un enroulement fixe 11,disposé sur le circuit magné- tique 12, possédant des pièces polaires 13. L'aimant permanent mobile 14 a des pièces polaires 15 dont les polarités sont re- présentées par les lettres N et S.
L'aimant 14 est actionné par le moteur de l'avion ou . tout autredispositif comportant les organes de commande appro- priés: le transformateur 16 comprend 2 séries d'armatures magné- tiques en forme de T assemblées de façon à constituer latérale- ment deux branches parallèles 17 et 18 réunies à leur centre par une branche 18 constituée par les prolongements des branches 17 et 18, ces prolongements se recouvrant l'un l'autre alterna-
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tivement comme indiqué en 20 et 21. Les branches 17,18 et 19 ont une section suffisante pour ne pas devenir saturées et pour avoir une perméabilité uniforme pour toute l'échelle de graduation de l'appareil.
Les deux extrémités correspondantes des branches 17 à 18 sont reliées par une branche en matière magnétique feuille- rée ayant une section réduite 22 et deux sections plus larges 23 comme représenté en pointillé par la ligne 24; le but de ces sections élargies 23 est d'obtenir un bon contact magnéti- que avec les branches 17 et 18.La section 22 est suffisamment petite pour être saturée pour, toute l'échelle de graduation.
Les brandhes 17 et 18 ont sensiblement les mêmes dimensions et sensiblemen.t la même réductance. Les extrémités de l'en ou- lement 11 sont reliées à l'enroulement primaire 25 entonnant la branche 19. L'enroulement secondaire 26 entoure la section réduite 22. L'enroulement secondaire 27 est placé dans l'en- trefer 28 qui sépare les deux autres extrémités des branches 17 et 18.
Les enroulements 26 et 27 ont sensiblement le même diamètre et le même nombre de tours; leurs axes sont sensi- blement à égale distance de l'axe-de la branche 19. Dans ces conditions,il est facile de voir que l'entrefer 28 aura sen- siblement la même longueur que la section réduite 22. L'enrou- lement 27 peut être maintenu en place par les mêmes moyens de fixation du transformateur 16 , ces moyens n'étant pas repré- sentés mais pouvant être de tous types appropriés. On peut, si on le désire, fixer autrement l'enroulement 27 : On peut, par exemplel'enrouler sur une pièce de bois, de laiton, ou de toute autre matière ayant la même réluctance que l'air, fixée convenablement sur les extrémités des branches 17 et 18.
Il est bien entendu, que, dans ce qui va suivre, on désigne- ra par entrefer aussi bien un entrefer dans l'air qu'un entre- fer comportant les matières ci-dessus de même réluctance.
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Les enroulements secondaires 26 et 27 sont reliés en série par le conducteur 29 de telle sorte que leurs volta- ges sont opposés et que le voltage résultant des enroulements secondaires est utilisable aux bornes des conducteurs 30 & 31.
30 est relié à l'une des extrémités d'un redresseur 32, par exemple un redresseur total du type à oxyde de cuivre, compre- nant les éléments redresseurs 33,34,35 et 36. Une résistance élevée 37 ayant un coefficient de température nul ou légère- ment négatif est reliée ,d'une part au conducteur 31 et d'au- tre part à l'autre extrémité du redresseur 32. Le millivolt- mètre 38 du type à courant continu est alimenté pan le courant redressé de 32 et est shunté par la résistance 39 ayant un coefficient de température nul ou légèrement négatif.
Il est bien entendu que la construction du transformateur 16 permet d'utiliser des enroulements primaires & secondaires enroulés préalablement à la machine etqu'il suffit de placer sur le transformateur, ce qui réduit beaucoup le.prix de ce dernier,
Les résultats obtenus au moyen de la présente inven- tion seront bien compris également en se reportant à la fig.2.
Dans cette figure, AB et AC représentent respectivement les valeurs maxima de la force magnéto-motrice et du flux du trans- formateur pour différentes vitesses du générateur 10. La ligne droite AD et la courbe AEF représentent le flux passant respec- tivement dans les enroulements secondaires 27 et 26.
Il est évident, que lorsque l'enroulement 25 est alimentée une force magnéto-motrice prend naissance dans le transformateur et un flux magnétique alternatif traverse les deux circuits magnétiques du transformateur, comme représenté en 40 et 41.Le circuit magnétique 40 a sensiblement la même réluctance que l'entrefer 28, car pratiquement toute la réluc- tance de ce circuit est due à celle de cet entraefer: en effet, les parties du circuit comprenant les branches 17,18 et 19
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sont courtes et de grandes sections;de plus, ces branches sont constituées par une matière ayant une très faible réluc- tance et un coude très accusé près du point de saturation de leurs courbes de magnétisation ; cette matière peut être, par exemple, du permalloy ou tout autre alliage approprié de fer et de nickel.
Il résulte de ce qui précède, que le fluxtraversant l'enroulement 27 est sensiblement proportionnel à la force magnéto-motrice du transformateur et ainsi la valeur maxima du flux traversant l'enroulement 27 peut être représentée par la ligne droite AD. Le flux maximum traversant l'enroule- ment 26 pour différentes valeurs de la force magnéto-motrice du transformateur- est représenté par la courbe AEF dans la- quelle E représente l'état de saturation de la section 22 pour une force magnéto-motrice représentée par G.Il est bien connu que lors de la saturation d'une pièce en matière magnétique, cette pièce offre une réluctance sensiblement égale à celle de l'air pour toute augmentation de la force magnéto-motrice au-dessus de la valeur qui a produit la saturation en question..
Il est évident que les circuits représentés en 40 et 41 of- frent sensiblement la même réluctance à une augmentation de la'force magnéto-motrice au-dessus de la valeur G et les flux traversant les enroulements 26 et 27 augmenteront de quan- tités sensiblement égales pour une augmentation de la force magnéto-motrice au-dessus de la valeur G.
La ligne EH parallèle à AB, représente une valeur de flux constante qui représente le flux sauuré de 22, traver- sant l'enroulement 26, en raison des caractéristiques de la matière magnétique de 22 ; ceflux sera appelé flux intrinsè- que.L'augmentation de flux parcourant 22 et par conséquent 26( la section 22 ayant la même rémuctance que l'air) par suite d'augmentation de la force magnéto-motrice au-dessus de la valeur G est appelée flux spacial, ce dernier étant re- présenté par la différence entre EH et EF puisque EF repré-
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sente le flux total traversant 22 et 26.
Il est maintenant . évident que le flux spacial traversant l'enroulement 26 augmentera de la même quantitéque le flux traversant l'enrou- lement 27 et par conséquent EF est parallèle à AD.
La rotation de l'aimant 14 induit un voltage al- ternatif dans les enroulements 11. Il est clair que si un appareil indicateur est alimenté directement aux extrémités de ces enroulements et si l'instrument est calibré pour donner des indications correctes de vitesse pour une valeur donnée de l'aimantation de 14, un changement de cette aimantation dû aux vibrations, aux changements de tempétatureou au @ temps aura comme conséqyence de faire donner à l'instrument des indications èrronées et ceci serait également vrai si l'on interpose un transformateur du type couramment en usage entre les èxtrémités de l'enroulement 11 et l'appareil indicateur.
On va expliquer ci-dessous comment l'appareil con- forme à la présente invention permet d'obtenir des indica- tions de vitesse exactes même si l'aimant 14 subit pour une raison quelconque des variations d'aimantation. La tension alternative de l'enroulement 11 fait passer un courant alter- . natif dans1'enroulement 25 et produit une force magnéto-motri- ce alternative dans le transformateur 16. Une variation de vitesse de 14 augmente ou diminue le voltage et la fréquence du générateur 10 pratiquement dans le même rapport et, bien que les résistances des enroulements 11 et 25 soient petites vis-à-vis de leurs réactances, il s'en suit que le courant dans 25 et par conséquent la force magnéto-motrice dans 16 augmente ou diminue avec une augmentation ou une diminution de la vitesse de 14.
Des tensions alternatives sont induites dans les enroulements 26 et 27 et, pendant une demi-période la tension résultante aux bornes de ces enroulements fait pas- ser un courant à travers 33, 38 et 35 comme représenté par les flèches correspondantes et pendant l'autre moitié de la période le courant traverse 36,38 det 34 comme représenté par ' les flèches correspondantes ce qui donne un redressement @
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complet de l'onde et par conséquent un courant à direction uni- que dans 38.
L'appareil indicateur 38 ne peut pas suivre les fluctuations du courant qui le traverse et par conséquent il prend une position correspondant au courant moyen qui le traverse Ce courant est sensiblement proportionnel au voltage moyen résul- tant des enroulements 26 et 27 puisque la grande résistance 37 rend la résistance du circuit secondaire entier élevée,comparé à la réactance totale de ce circuit secondaire. Le voltage moyen résultant des enroulements 26 et 27 est la différence entre lc voltage moyen de chaque enroulement. Le voltage moyen induit dans l'enroulement 26 est égal à 4FN# max 1 10 - 8 dans laquelle formule F et 0 max 1 représentent respectivement la fréquence et la valeur maxima du flux traversant 26 et N repré sente le nombre de tours de 26.
Le voltage moyen induit dans 1' enroulement 27 est égal à 4FN# max 2 10 -8 dans laquelle F et @ max 2 représentent respectivement la fréquen ce et la valeur maxima du flux traversant 27, N représentant le nombre de tours de 27.
La valeur de F est la même pour les deux enroulements et la valeur de N a été supposée la même pour les deux enroulement le voltage résultant dans les enroulements 26 et 27 est donc égal à: 4FN10 -8 (0 maxl -# max 2,
Pour les valeurs maximum du flux traversant les bobines 26 et 27 respectivement, (figure 2) il est clair qu'à la vitesse de 14 correspondant à la force magnéto-motrice G du transforma- teur,le voltage résultant des enroulements 26 et 27 est égal à:
4FN10 -8 (J - K) et par conséquent à 4FN10 -8 L puisque J L est égal à AK.
Si la vitesse de 14 augmente de telle façon que la force magnéto-motrice devienne M, le voltage résultant des enroulements 26 et 27 est égal à 4FN10 -8 (N - P)
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et par conséquent à 4FN10- 8L, puisque NL est égal à: AP.
Si la vitesse de 14 est encore augmentée pour que la force magnéto-motrice du transformateur devienne R, le voltage ré- sultant des enroulements 26 et 27 est égal à: 4FN10-8 (S-T) et par conséquent égal à 4FN10-8 L,puisque SL est égal à AT, et de même, à la vitesse correspondant à la force magnéto-motrice @
B, le voltage résultant sera égal à: 4FN10-8L, puisque CL est égal à AU.
Il est évident qu'à des vitesse de 14 correspondant à des forces magnéto-motrices du transformateur égales ou supé=, rieures à la valeur représentée par G, la partie 22 sera saturée pendant une partie de chaque alternance de la force magnéto- motrice; le voltage résultant des enroulements 26 et 27 sera directement proportionnel à la valeur de la fréquence car L a une valeur constante, et puisque la fréquence est directement proportionnelle à la vitesse de 14, il résulte que le voltage final et par conséquent les indications de 38 sera directement. proportionnel à la vitesse de 14.
Par exemple, si l'aimant 14 est actionné directement par le moteur dont la plus faible vitesse à enregistrér serait 500 t/m, les enroulements 11 et 25 seront proportionnés de façon qu'à 500 t/m l: transformateur 16 aura une force magnéto-motrice notablement supérieure à la valeur minimum capable de saturer 22 pendant une partie de chaque alternance de la force magnéto- motrice;
si donc l'aimantation de 14 diminue pour une cause quelconque vibrations , changements de température, affaiblisse- ment, par le temps ou si la résistance des enroulements Il et 25 augmente à la suite de variations de températures, ou si ces deux phénomènes arrivent simultanément,il y aura toujours une force magnéto-motrice suffisante capable de saturer 22 pendant une partie de chaque alternance de la force magnéto-motrice, cette saturation de 22 étant nécessaire pour obtenir des indications précises de 38.
Cette valeur minima de saturation de 22 est représentée par G et par conséquent les enroulements 11 et 25 sont proportion @
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nés de telle façon que, à 500 tours par minute, le transfor- mateur aura une, force magnéto-motrice comme représentée à titre d'exemple par M. Il résulte de ce qui précède que 38 indiquera d'une façon précise la vitesse de 14 à la vitesse et au-delà de 500 t/m.
Des essais ont montré que les erreurs d'indication ne dépassaient 1% ce qui est amplement suffisant dans la pratique.Afin de reproduire les conséquences d'un af- faiblissement de l'aimantation pour les raisons diverses indi- quées plus haut, le voltage appliqué à l'enroulement 25 fut réduit à une valeur considérablement plus petite que celle du voltage de 10 pour sa vitesse normale: l'erreur d'indica- tion de 38 fut inférieure à 1%. L'appareil indicateur 38 a courant continu donne des déviations égales pour des impulsions égales de courant qui le traversent et on obtient en plus l'avantage d'indications très sensibles et facile. à observer tout le long de la graduation.
Il est évident que la précision de 38 n'est pas affectée d'une manière appréciable si l'enroulement 27 possède un noyau non magnétique fixé aux deux extrémités libres des bran- ches 17 et 18. Cette précision ne sera pas non plus modifiée si l'enroulement 27 entoure une partie de la branche 17 ou 18 située entre les extrémités libres de ces branches et la bran- che 19 ou bien si l'enroulement 26 entoure une partie de la branche 17 ou 18 située entre la partie 22 et la branche 19.
L'invention a été décrite sur un exemple dans lequel l'entre- fer 28 a la même longueur que la partie 22 et avec des enrou- lements 26 et 27 possédant le même nombre de tours : il est bien certain que le voltage induit dans l'enroulement 27 ne sera pas changé sensiblement si l'entrefer 28 et le nom bre de tours de 27 sont tous les deux doublés ou diminués de moit- tié et par conséquent la précision de 38 ne sera pas affectée et c'est.pourquoi la longueur de l'entrefer 28 et le nombre de tours de 27 n'ont pas besoin d'être déterminés d'une façon
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précise à l'avance.
Il suffit seulement que le circuit magné- tique représenté en 41 possède au moins une section magnétique rétrécie et que le circuit magnétique 40 ait au moins une section d'une réluctance sensiblement égale à celle de l'aire et que les rapports entre les nombres de tours des enroule- ments 26 et 27 et la réluctance de leurs circuits magnétiques respectifs 41 et 40 soient tels que les variations dans la force magnéto-motrice du transformateur au-dessus de la valeur capable de saturer la partie rétrécie produisent des variations sensiblement égales dans les voltages induits dans les enrou- lements 36 et 27
Les avions sont soumis à de grandes variations de température et comme les enroulements secondaires et la partie indicatrice ;
de 38 sont d'habitude construits en cuivre, leur résistance diminuera avec une diminution de température et vice-versa,alors que le redresseur 32 a oxyde de cuivre augmen- te de résistance lorsque la température diminue et vice-versa.
La variation de 32 est en général plus grande que la variation combinée de résistance de 26,27 et 38 et, en l'absence de com- pensations 38 aurait des indications trop basses à température décroissante et trop élevées à température croissante. Pour éviter ces erreurs,la résistance 37 est prévue avec un coéffi- cient de température nul ou légèrement négatif et sa résistan- ce est de beaucoup supérieure à la résistance combinée de 38, 26 et 27 de telle sorte qu'avec des changements de température la variation de résistance en % du circuit entier sera très petite et le courant dans 38 sera très approximativement pro- portionnel au voltage résultant e 26 et 27.
De plus,une ré- sistance 39 est disposée aux bornes de 38 et elle possède éga- lement un coefficient de température nul ou légèrement négatif de telle sorte que pour une température décroissante, une plus grande partie du courant du redresseur passera dans 38 et pour une température croissante une plus petite partie du courant du redresseur traversera 38: si l'on choisit des valeurs conve-
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nables pour 37 et 39 l'appareil 38 donnera des indications parfaites pour une très grande gamme de températures.
Il est bien évident que si l'appareil 38 vient d'être décrit cornue indicateur de vitesse, il est possible d'utiliser ce même appa- reil pour indiquer la fréquence du générateur 10, ou bien l'en- roulement primaire 25 peut être relié à un système quelconque à courant alternatif dont l'appareil 38 indique la fréquence.
Des essais ont montré qu'un indicateur précis,léger et donnant d'excellents résultats pouvait être réalisé avec un aimant 14 en acier au cobalt ce qui réduit le poids pour un flux donné et avec un transformateur 16 en tôle de Permalloy. Il va de soi que tout autre métal approprié peut être utilisé sans pour celà sortir du cadre de la présente invention. De même on peut envisager d'autres formes de construction des branches du transformateur et d'autres dispositions des enroulements sans s'écarter des principes qui servent de base à l'invention en question.
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SPEED INDICATOR DEVICES
The present invention relates to a speed indicator, or possibly a frequency indicator which makes it possible to give very precise indications over a very wide range of speed, voltage and temperature. This indicator can be used in particular to indicate the speed of aircraft engines, and it will be described below with a view to this application, by way of nonlimiting example because it is easy to see that it is also applicable to measuring the speed of any moving element, or even to indicate the frequency of AC systems. During the flight of an airplane, it is important for the pilot to have his eyes, on his instrument panel, for a rater's speedometer.
Such mechanically actuated indicators cause complications such as: flexible etc ... and that is why it is desirable to have an indicator.
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electrically controlled speed control. The usual electrical indicators include a small generator of alternating current driven by the engine of the airplane, this generator having a permanent magnet and the dashboard comprising a voltmeter connected to the armature of the generator, the voltmeter being graduated in turns. per minute.
Theoretically, the generator voltage should be directly proportional to the engine speed of the airplane and the voltmeter should thus indicate exactly that speed, but this is not practically the case because the magnetization of the permanent magnet varies with time. , vibrations and temperature variations which are particularly appreciable on an airplane. In addition, temperature variations change the resistance of the windings of the armature and the voltmeter and the latter therefore no longer accurately indicates the engine speed of the aircraft, either for various operating speeds or after a long period of operation. .
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These drawbacks are eliminated, in accordance with the present invention, by the interposition of a transformer of special construction between the generator and the indicating apparatus. transformer has a primary winding, supplied by the generator, and two secondary windings; it also has a core with two magnetic circuits: one of these circuits has a thinned magnetic section which becomes nearly saturated during part of each alternation of the generator voltage; the other circuit has an air gap or a section having a reluctance practically equal to that of air. One of the secondary windings surrounds a part of the magnetic circuit having the thinned section and the other secondary winding is traversed by the flux of the other magnetic circuit.
The two secondary windings are connected in series such that the induced voltages are opposed and the resulting voltage operates the indicating device. The number of turns of the secondary windings and the reluctance of their respective magnetic circuits are calculated.
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These are so that the resulting voltage is nearly proportional to the frequency of the generator and so the readings from the device will be proportional to the speed of the generator.
In practice, a simple rectifier can be used to rectify the current supplied by the secondary of the transformer, which makes it possible to employ a direct current apparatus to indicate the speed and thus obtain easy readings since such an instrument provides equal deviations for equal voltage pulses.
Such an instrument will be described below without limitation with reference to the drawing in which:
Fig. 1 is a diagram of an indicator using a permanent magnet alternating current generator, a transformer constructed so that its secondary winding supplies an alternating voltage whose average value is practically proportional to the frequency. generator, a rectifier to convert alternating current to direct current and a direct current device.
Fig. 2 shows the magnetic curves of the transformer so as to facilitate understanding of the advantages obtained according to the present invention.
In Fig. 1, the alternating current generator 10 comprises a fixed winding 11, arranged on the magnetic circuit 12, having pole pieces 13. The movable permanent magnet 14 has pole pieces 15 whose polarities are re-arranged. presented by the letters N and S.
The magnet 14 is actuated by the engine of the aircraft or. any other device comprising the appropriate control members: the transformer 16 comprises 2 series of T-shaped magnetic armatures assembled so as to form two parallel branches 17 and 18 laterally joined at their center by a branch 18 formed by the extensions of the branches 17 and 18, these extensions overlapping each other alternately
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tively as indicated at 20 and 21. The branches 17, 18 and 19 have a section sufficient not to become saturated and to have a uniform permeability for the entire graduation scale of the device.
The two corresponding ends of the branches 17 to 18 are connected by a branch of foiled magnetic material having a reduced section 22 and two wider sections 23 as shown in dotted lines by line 24; the purpose of these enlarged sections 23 is to obtain good magnetic contact with the branches 17 and 18. Section 22 is small enough to be saturated for the entire graduation scale.
The brandhes 17 and 18 have substantially the same dimensions and sensiblemen.t the same reductance. The ends of the coil 11 are connected to the primary winding 25 intoning the branch 19. The secondary winding 26 surrounds the reduced section 22. The secondary winding 27 is placed in the gap 28 which separates the other two ends of branches 17 and 18.
The windings 26 and 27 have substantially the same diameter and the same number of turns; their axes are substantially equidistant from the axis of the branch 19. Under these conditions, it is easy to see that the air gap 28 will have approximately the same length as the reduced section 22. The winding Element 27 can be held in place by the same means for fixing transformer 16, these means not being shown but can be of any suitable type. We can, if desired, otherwise fix the winding 27: We can, for example wind it on a piece of wood, brass, or any other material having the same reluctance as air, suitably fixed on the ends branches 17 and 18.
It is understood that, in what follows, the term air gap will denote both an air gap in the air and a gap comprising the above materials of the same reluctance.
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The secondary windings 26 and 27 are connected in series by the conductor 29 so that their voltages are opposite and the voltage resulting from the secondary windings is usable across the terminals of the conductors 30 & 31.
30 is connected to one end of a rectifier 32, for example a copper oxide type total rectifier, comprising rectifier elements 33, 34, 35 and 36. A high resistance 37 having a temperature coefficient zero or slightly negative is connected, on the one hand to the conductor 31 and on the other hand to the other end of the rectifier 32. The millivoltmeter 38 of the direct current type is supplied by the rectified current of 32. and is shunted by resistor 39 having a zero or slightly negative temperature coefficient.
It is understood that the construction of the transformer 16 allows the use of primary & secondary windings previously wound on the machine and that it suffices to place on the transformer, which greatly reduces the price of the latter,
The results obtained by means of the present invention will also be well understood with reference to FIG. 2.
In this figure, AB and AC represent respectively the maximum values of the magneto-motive force and the flux of the transformer for different speeds of the generator 10. The straight line AD and the curve AEF represent the flux passing respectively through the windings. secondary 27 and 26.
It is evident that when the winding 25 is supplied a magneto-motive force arises in the transformer and an alternating magnetic flux passes through the two magnetic circuits of the transformer, as shown at 40 and 41. The magnetic circuit 40 has substantially the same reluctance than the gap 28, because practically all the reluctance of this circuit is due to that of this gap: in fact, the parts of the circuit comprising the branches 17, 18 and 19
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are short and of large sections, moreover, these branches are made of a material having a very weak reluctance and a very marked bend near the saturation point of their magnetization curves; this material can be, for example, permalloy or any other suitable alloy of iron and nickel.
It follows from the foregoing that the flux passing through the winding 27 is substantially proportional to the magneto-motive force of the transformer and thus the maximum value of the flux passing through the winding 27 can be represented by the straight line AD. The maximum flux passing through the winding 26 for different values of the magneto-motive force of the transformer is represented by the curve AEF in which E represents the saturation state of the section 22 for a represented magneto-motive force. by G. It is well known that during the saturation of a piece of magnetic material, this piece offers a reluctance substantially equal to that of air for any increase in the magneto-motive force above the value which has produces the saturation in question.
It is evident that the circuits shown at 40 and 41 of- fer substantially the same reluctance at an increase in the magneto-motive force above the value G and the fluxes through the windings 26 and 27 will increase by substantially amounts. equal for an increase in the magneto-motive force above the value G.
Line EH parallel to AB, represents a constant flux value which represents the saved flux of 22, through winding 26, due to the characteristics of the magnetic material of 22; this flux will be called intrinsic flux. The increase in flux passing through 22 and therefore 26 (the section 22 having the same remuctance as air) as a result of an increase in the magneto-motive force above the value G is called space flow, the latter being represented by the difference between EH and EF since EF represents
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feel the total flow through 22 and 26.
It is now . evident that the spatial flux through coil 26 will increase by the same amount as the flux through coil 27 and therefore EF is parallel to AD.
The rotation of the magnet 14 induces an alternating voltage in the windings 11. It is clear that if an indicating device is powered directly at the ends of these windings and if the instrument is calibrated to give correct indications of speed for a given value of the magnetization of 14, a change in this magnetization due to vibrations, to changes in temperature or to time will have the consequence of giving the instrument incorrect indications and this would also be true if a transformer is interposed of the type currently in use between the ends of the winding 11 and the indicating device.
How the apparatus according to the present invention achieves accurate speed indications will be explained below even if the magnet 14 for some reason undergoes variations in magnetization. The alternating voltage of the winding 11 passes an alternating current. native in winding 25 and produces an alternating magneto-motive force in transformer 16. A speed variation of 14 increases or decreases the voltage and frequency of generator 10 in almost the same ratio and, although the resistances of the windings 11 and 25 are small with respect to their reactances, it follows that the current in 25 and therefore the magneto-motive force in 16 increases or decreases with an increase or decrease in the speed of 14.
Alternating voltages are induced in windings 26 and 27, and for half a period the resulting voltage across these windings causes current to flow through 33, 38 and 35 as shown by the corresponding arrows and during the other half of the period the current crosses 36.38 det 34 as represented by 'the corresponding arrows which gives a rectification @
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full wave and hence a single direction current in 38.
The indicating device 38 cannot follow the fluctuations of the current which passes through it and therefore it takes a position corresponding to the average current which passes through it. This current is substantially proportional to the average voltage resulting from the windings 26 and 27 since the large resistance 37 makes the resistance of the entire secondary circuit high, compared to the total reactance of that secondary circuit. The mean voltage resulting from windings 26 and 27 is the difference between the mean voltage of each winding. The average voltage induced in the winding 26 is equal to 4FN # max 1 10 - 8 in which formula F and 0 max 1 represent respectively the frequency and the maximum value of the flux passing through 26 and N represents the number of turns of 26.
The average voltage induced in the winding 27 is equal to 4FN # max 2 10 -8 in which F and @ max 2 represent respectively the frequency and the maximum value of the flux passing through 27, N representing the number of turns of 27.
The value of F is the same for both windings and the value of N has been assumed the same for both winding the resulting voltage in windings 26 and 27 is therefore equal to: 4FN10 -8 (0 maxl - # max 2,
For the maximum values of the flux passing through the coils 26 and 27 respectively (figure 2) it is clear that at the speed of 14 corresponding to the magneto-motive force G of the transformer, the voltage resulting from the windings 26 and 27 is equal to:
4FN10 -8 (J - K) and consequently to 4FN10 -8 L since J L is equal to AK.
If the speed of 14 increases such that the magneto-motive force becomes M, the resulting voltage of windings 26 and 27 is equal to 4FN10 -8 (N - P)
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and therefore to 4FN10-8L, since NL is equal to: AP.
If the speed of 14 is further increased so that the magneto-motive force of the transformer becomes R, the voltage resulting from windings 26 and 27 is equal to: 4FN10-8 (ST) and consequently equal to 4FN10-8 L, since SL is equal to AT, and likewise to the speed corresponding to the magneto-motive force @
B, the resulting voltage will be equal to: 4FN10-8L, since CL is equal to AU.
It is evident that at speeds of 14 corresponding to magneto-motive forces of the transformer equal to or greater than the value represented by G, part 22 will be saturated during part of each alternation of the magnetomotive force; the voltage resulting from the windings 26 and 27 will be directly proportional to the value of the frequency because L has a constant value, and since the frequency is directly proportional to the speed of 14, it follows that the final voltage and therefore the indications of 38 will be directly. proportional to the speed of 14.
For example, if the magnet 14 is actuated directly by the motor whose lowest speed to be recorded would be 500 rpm, the windings 11 and 25 will be proportioned so that at 500 t / ml: transformer 16 will have a magneto force -motor significantly greater than the minimum value capable of saturating 22 during part of each alternation of the magnetomotive force;
if therefore the magnetization of 14 decreases for any cause, vibrations, temperature changes, weakening, with time or if the resistance of windings Il and 25 increases as a result of temperature variations, or if these two phenomena occur simultaneously , there will always be a sufficient magneto-motive force capable of saturating 22 during part of each alternation of the magneto-motive force, this saturation of 22 being necessary to obtain precise indications of 38.
This minimum saturation value of 22 is represented by G and therefore the windings 11 and 25 are proportional @
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born in such a way that, at 500 revolutions per minute, the transformer will have a magneto-motive force as represented by way of example by M. It follows from the foregoing that 38 will accurately indicate the speed of 14 at speed and above 500 rpm.
Tests have shown that the errors of indication do not exceed 1%, which is amply sufficient in practice. In order to reproduce the consequences of a weakening of the magnetization for the various reasons indicated above, the voltage applied to winding 25 was reduced to a considerably smaller value than the voltage of 10 for its normal speed: the error of indication of 38 was less than 1%. The direct current indicating apparatus 38 gives equal deviations for equal pulses of current passing through it and the further advantage of very sensitive and easy indications is obtained. to be observed throughout the graduation.
It is obvious that the accuracy of 38 is not appreciably affected if the winding 27 has a non-magnetic core attached to the two free ends of the branches 17 and 18. This accuracy will also not be changed if the winding 27 surrounds a part of the branch 17 or 18 situated between the free ends of these branches and the branch 19 or else if the winding 26 surrounds a part of the branch 17 or 18 situated between the part 22 and the branch 19.
The invention has been described on an example in which the gap 28 has the same length as the part 22 and with windings 26 and 27 having the same number of turns: it is quite certain that the voltage induced in the winding 27 will not be changed appreciably if the air gap 28 and the number of turns of 27 are both doubled or halved and therefore the accuracy of 38 will not be affected and that is why. the length of the air gap 28 and the number of turns of 27 need not be determined in any way
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precise in advance.
It suffices only that the magnetic circuit shown at 41 has at least one narrowed magnetic section and that the magnetic circuit 40 has at least one section of a reluctance substantially equal to that of the area and that the ratios between the numbers of turns of the windings 26 and 27 and the reluctance of their respective magnetic circuits 41 and 40 are such that the variations in the magneto-motive force of the transformer above the value capable of saturating the constricted part produce approximately equal variations in the voltages induced in the windings 36 and 27
The airplanes are subjected to great variations in temperature and like the secondary windings and the indicator part;
38 are usually made of copper, their resistance will decrease with a decrease in temperature and vice versa, while the rectifier 32 has copper oxide increases in resistance as the temperature decreases and vice versa.
The variation of 32 is generally greater than the combined variation of resistance of 26, 27 and 38, and in the absence of compensations 38 would have readings too low at decreasing temperature and too high at increasing temperature. To avoid these errors, resistor 37 is designed with a zero or slightly negative temperature coefficient and its resistance is much greater than the combined resistance of 38, 26, and 27 so that with temperature changes the% change in resistance of the entire circuit will be very small and the current in 38 will be very roughly proportional to the resulting voltage 26 and 27.
In addition, a resistor 39 is arranged across 38 and it also has a zero or slightly negative temperature coefficient so that for a decreasing temperature more of the rectifier current will flow through 38 and for an increasing temperature a smaller part of the rectifier current will flow through 38: if one chooses suitable values
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nables for 37 and 39 the device 38 will give perfect indications for a very wide range of temperatures.
It is obvious that if the apparatus 38 has just been described with the speedometer retort, it is possible to use this same apparatus to indicate the frequency of the generator 10, or the primary winding 25 can be used. connected to any AC system of which the apparatus 38 indicates the frequency.
Tests have shown that an indicator that is precise, light and giving excellent results could be produced with a magnet 14 made of cobalt steel which reduces the weight for a given flux and with a transformer 16 made of Permalloy sheet. It goes without saying that any other suitable metal can be used without departing from the scope of the present invention. Likewise, other forms of construction of the branches of the transformer and other arrangements of the windings can be envisaged without departing from the principles which serve as a basis for the invention in question.