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Moteur triphasé asynchrone synchronisé.
On a mis au point depuis quelques temps des aciers à aimant,, constitués par des alliages, dont la rémanence et la force coercitive sont élevées. Ces aciers sont connus sous le nom d'aciers à aimant à trempe par ségrégation. On utilise par exemple l'aluminium ou le titane comme produit d'addition essentiel pour la qualité élevée de l'acier à aimant, La découverte de ces aciers a permis de construire des génératrices électriques à champ magnétique permanent,, de telle sorte qu'on épargne la puissance d'excitation électrique.
Selon la présente invention, les aciers à aimantation permanente de ce genre doivent être-utilisés pour la partie des moteurs à champ tournant asynchrones synchronisés
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qui assure l'excitation (rotor), afin de compenser au moins partiellement le courant magnétisant du moteur à champ tournant. Un moteur de ce genre doit démarrer normalement. Le champ tournant produit par l'enroulement statorique tourne pendant ce temps, par conséquent à partir de la position arrêtée et pendant toute la période de démarrage et d'accélération à une vitesse inférieure à la vitesse synchrone autour du rotor constitué par un aimant permanent et inverse constamment son aimantation. Le magnétisme rémanent éventuel et initial est ainsi détruit.
La fig. 1 du dessin joint représente un moteur de ce genre dans lequel le rotor est en acier à aimant à forte rémanence et à force coercitive considérable. Le rotor est représenté sous la forme d'un simple tambour cylindrique sur le pourtour duquel se forment les pôles magnétiques. La fig. 2 représente une série de caractéristiques magnétiques de ce rotor. Comme au démarrage on atteint en général d'abord une intensité modérée et ensuite seulement et en pleine marche une intensité élevée du champ magnétique principal, ces caractéristiques sont coupées d'une manière continue de l'intérieur vers l'extérieur.
Quand le démarrage est achevé, le moteur atteint la vitesse synchrone parce que les pôles du rotor ont justement tendance, en raison de la permanence ou stabilité des propriétés magnétiques de son fer, à se maintenir à leur place et de ne pas glisser par rapport au rotor. Si le champ dans l'entrefer ou sa force électromotrice a atteint à la fin du démarrage la valeur E, le moteur travaille avec ses pôles, au point de vue magnétique, au point P. Il exige pour cela une intensité magnétisante i qui doit être fournie par le stator et par le réseau. Malgré l'utilisation d'un acier à aimant d'une qualité aussi bonne que possible, le courant magnétisant du moteur n'est donc compensé que partiellement.
Mais si on réduit alors la tension de fonctionnement du moteur jusqu'à la valeur Et qui cor-
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respond au passage de la branche descendante de la caractéristique magnétique descendant de P par la valeur nulle du courant, un champ rémanent qui induit la tension E' so maintient par l'action de l'acier aimanté permanent du rotor. Le moteur peut donc fonctionner à cette tension avec compensation du courant magnétisant et il n'exige pas la fourniture de courant magnétisant de la part du réseau. Si on abaisse la tension encore davantage, par exemple jusqu'à la valeur E", le moteur fournit même un courant magnétisant d'une intensité i" au réseau et il peut donc compenser par exemple l'effet de ses propres fuites magnétiques.
Mais si on désire que le moteur fonctionne d'une façon permanente sous la tension E, on l'aimantera, d'après ce qui a été dit ci-dessus, à la fin du démarrage d'abord sous la tension Eo,, de valeur considérablement plus élevée, de façon qu'en revenant à la valeur de fonctionnement E, il n'ait plus besoin d'aucun courant magnétisant extérieur.
Il résulte de ces considérations cette règle pour la conduite d'un moteur triphasé compensé par des aimants permanents qu'il faut d'abord le magnétiser à l'excès dans une mesure telle que son champ puisse,' à la tension de fonctionnement désirée, redescendre à la valeur du champ rémanent ou à une valeur voisine. Cette suraimantation peut être obtenue facilement par des prises sur l'enroulement du moteur ou sur le transformateur d'alimentation, par branchement en étoile-triangle, ou par des combinaisons analogues à la fin de l'opération de démarrage.
Il se produit également une certaine suraimantation lorsqu'on commence par faire démarrer le moteur à vide et qu'on le charge ensuite, car dans la marche à vide, la pleine tension du réseau a pour effet de donner naissance à un champ dans le rotor, tandis que lorsque la chagge croît, les chutes de tension déterminées par les fuites et par la résistance viennent en déduction de la tension du réseau, de sorte que l'intensité
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du champ dans l'entrefer diminue .
Si, pendant son fonctionnement, le moteur devait perdre une partie de son champ rémanent par suite des vi- brations et ébranlements .mécaniques, il suffirait de l'ex- citer de nouveau pendant un court instant pour ramener l'in- tensité du champ à sa valeur maximum et de laisser le champ redescendre ensuite à la valeur du champ rémanent.
Pour faire démarrer de tels moteurs, dont le ro- tor est constitué par de l'acier aimanté permanent, on peut les munir de l'enroulement ordinaire à bagues ou en court- circuit. On peut également les munir d'un. -enroulement qui améliore les conditions de démarrage au moyen de courants de Foucault ou par effet pelliculaire.
Comme en général on utilise un rotor aimanté cylindrique ou constitué par un cylindre creux, il suffit quelquefois de munir ce tam- bour massif d'un revêtement de cuivre mince qui peut agir en même temps d'amortisseur des oscillations éventuelles en marche synchrone,
On utilisera pour le rotor un acier à grande for- ce coercitive et à rémanence modérée, ou à forte rémanence et à force coercitive modérée ou au contraire à forte réma- nence et à force coercitive élevée, suivant d'une part la valeur du rapport entre l'entrefer et le pas polaire du mo- teur, car c'est de ce rapport que dépend l'effet démagnéti- sant exercé sur l'acier permanent, et d'autre part suivant les prix de ces matériaux,
de telle sorte qu'on est obligé chaque fois de choisir la matière techniquement la plus appropriée et économiquement la plus indiquée suivant qu'il s'agit de moteurs à grande ou à faible puissance, à vitesse élevée ou faible et avec un rapport plus ou moins grand de la largeur de l'entrefer au pas polaire.
Si l'entrefer du moteur est relativement grand et le pas polaire relativement petit, il faut un acier aimanté de grande force coercitive afin de maintenir dans 1'air une
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force coercitive et à rémanence d'autant plus faible. Pour le choix de la matière en ce qui concerne la valeur de la rémanence et de la force coercitive, on se base de préférence sur les considérations suivantes.
Si on désigne par # le pas polaire du moteur et par ) la largeur de l'en- trefer, y compris les résistances magnétiques des dents et de la cale d'encoche, la loi fondamentale du magnétisme donne pour un pas polaire du moteur tel qu'il est représenté sur la fig.
3 l'expression suivante pour l'intégrale curviligne des forces magnétiques
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2B'= li H (1) Tt
La valeur du premier membre de cette équation est déterminée par l'induction B dans l'air pour laquelle on admet qu'elle se distribue d'une manière sinusoïdale sur le pourtour du rotor, et celle du second membre est déterminée par la force magnéto-motrice H que l'on considère également répartie d'une manière sinusoïdale dans le rotor, de sorte que seule sa valeur moyenne exerce son effet selon le facteur 2/#. B et H représentent donc l'induction maximum dans l'air et le champ maximum dans l'acier aimanté qui se produisent simultanément dans le rotor. Quand le rotor en acier permanent a une forme différente, le facteur numérique varie légèrement.
A chaque valeur désirée de l'induction dans l'air correspond d'après la relation (1) l'intensité nécessaire du champ : H = # #/# B .. été tracées les (2)
Sur la fige 4 ont été tracées les caractéristiques d'aimantation de trois aciers aimantés différents.
L'acier I a une rémanence de 10.000 gauss par exemple et une force coercitive de 60 oerstedt, l'acier II a une rémanence de 8. 000 gauss et une force coercitive de 190 oerstedt, et l'acier 111'une rémanence de 6. 000 gauss et une force coercitive de 450 oerstedt. Si on veut construire un moteur avec un grand entrefer de 1,5 mm et un pas polai-
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@ re de 10 cm, la relation entre H et B est d'après l'équa- tion (2) :
H = # 0,15/10 B = 0, 047 B. (3)
Cette relation est représentée sur la fig. 4 sous la forme de la courbe en traits interrompus A. On voit qu'on utilise à cet effet de préférence l'acier ainanté III qui permet dtatteindre une induction dans l'air de 4200.
Si le moteur n'a qu'un entrefer de 0,3 mm pour un pas polaire de 10 cm, on obtient : H = # 0,03/10 B = 0,0094 B, (4)
Ceci nous fournit la courbe B en traits interrom- pus. On obtient alors l'induction naximum de 6100 dans le moteur en utilisant l'acier aimanté II, tandis que les autres aciers donneraient une induction moindre dans l'air.
Si le moteur a enfin un entrefer de 0,3 mm avec un pas po- laire de 45 cm, on a :
H = # 0,03/45 B = 0,0021 B (5) et la courbe C en traits interrompus montre qu'on obtient dans ce cas les conditions les plus favorables en se ser- vant de l'acier I qui permet d'atteindre une induction dans l'air de 8300 gauss. Comme les matériaux à grande force coercitive sont en général plus coûteux que ceux de grande rémanence, il est avantageux d'exécuter les moteurs de ce genre avec un entrefer aussi faible que possible, et ceci est d'autant plus possible qu'en général on utilisera un rotor massif dont la surface est polie et qu'il est facile de faire tourner sans faux rond.
On peut représenter-par des formules les raison- nements qui viennent d'être faits relativement au principe du choix de l'acier. Si on désigne par R la rémanence et par K la force coercitive, la caractéristique de l'acier à aimantation permanente selon la fig. 4 s'exprime par la relation :
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B - R (1- ) (6)
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rectiligne tombante, mais en général la caractéristique a une concavité dirigée vers le bas. Si dans cette équation on remplace H par l'expression tirée de l'équation (2) du moteur, on obtient
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(7) On voit, d'après ces relations, qu'il importe, lorsqu'on veut obtenir dans le moteur une induction B élevée dans l'air, de réduire autant que possible le second terme du dénominateur de l'équation (7), la rémanence étant par elle-même aussi élevée que possible.
En général, on obtiendra une bonne utilisation de l'acier aimanté si la relation suivante est vérifiée :
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(8) Quand la pièce aimantée n'est pas rigoureusement cylindri- . que, il faut remplacer le coefficient # par un autre coefficient numérique. Mais ce produit se compose toujours de ces deux facteurs : rapport de l'entrefer équivalent à la longueur équivalente de l'aimant, et rapport de la rémanence à la force coercitive.
Si on choisit les conditions selon l'équation déterminante (8), soit par le choix d'un acier aimanté approprié, soit par l'exécution du moteur avec un petit entrefer ou un grand pas polaire, le champ rémanent dans le moteur est toujours supérieur à la moitié de la rémanence de l'acier permanent.
Comme toutes ces matières ont une surface d'hys- térésis relativement grande, le couple d'hystérésis de ces moteurs est très considérable. Il aide et accélère le démarrage très considérablement et provoque en marche normale un maintien des pôles dans la position qu'ils ont prise.
Pour contribuer à ce maintien, il peut être avantageux de munir le rotor en acier permanent de pôles saillants, car
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dans ce cas le couple de réaction produit par la différence de conductibilité magnétique entre les pôles et les intervalles polaires s'ajoute à ces forces de maintien.
On peut naturellement munir les moteurs de ce genre de tous les appareils et dispositifs favorables au démarrage et au fonctionnement, tels qu'on les utilise cou- ramment dans les moteurs triphasés synchrones et asynchrones ordinaires. On peut, par exemple, les faire fonctionner en monophasés en produisant par des artifices de couplage un champ magnétique polyphasé.
- : REVENDICATIONS : -
1 ) Moteur triphasé asynchrone synchronisé, caractérisé par le fait que son courant d'aimantation est compensé au moins partiellement par une partie du moteur (rotor) qui assure son excitation et qui est constituée en un acier aimanté permanent.
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Synchronized three-phase asynchronous motor.
Magnet steels have been developed for some time, consisting of alloys, whose remanence and coercive force are high. These steels are known as segregation hardening magnet steels. For example, aluminum or titanium is used as an essential adduct for the high quality of magnet steel. The discovery of these steels made it possible to construct electric generators with a permanent magnetic field, so that the electrical excitation power is saved.
According to the present invention, permanent magnet steels of this kind are to be used for the part of synchronized asynchronous rotating field motors.
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which provides the excitation (rotor), in order to at least partially compensate for the magnetizing current of the rotating field motor. Such an engine should start normally. The rotating field produced by the stator winding rotates during this time, consequently from the stopped position and during the whole period of starting and acceleration at a speed lower than the synchronous speed around the rotor formed by a permanent magnet and constantly reverses its magnetization. The possible and initial residual magnetism is thus destroyed.
Fig. 1 of the accompanying drawing shows a motor of this type in which the rotor is made of steel with a magnet with high remanence and with considerable coercive force. The rotor is represented in the form of a simple cylindrical drum on the periphery of which the magnetic poles are formed. Fig. 2 represents a series of magnetic characteristics of this rotor. As at start-up a moderate intensity is generally first reached and only then and during full operation a high intensity of the main magnetic field, these characteristics are cut off continuously from the inside to the outside.
When the starting is completed, the motor reaches synchronous speed because the poles of the rotor have a tendency, due to the permanence or stability of the magnetic properties of its iron, to stay in their place and not to slip in relation to the rotor. If the field in the air gap or its electromotive force at the end of starting has reached the value E, the motor works with its poles, from the magnetic point of view, at point P. For this it requires a magnetizing intensity i which must be supplied by the stator and by the network. Despite the use of a magnet steel of as good a quality as possible, the magnetizing current of the motor is therefore only partially compensated.
But if we then reduce the operating voltage of the motor to the value Et which corresponds
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responds to the passage of the descending branch of the descending magnetic characteristic of P by the zero value of the current, a remanent field which induces the voltage E 'so maintained by the action of the permanent magnetized steel of the rotor. The motor can therefore operate at this voltage with compensation for the magnetizing current and it does not require the supply of magnetizing current from the network. If the voltage is lowered still further, for example to the value E ", the motor even supplies a magnetizing current of intensity i" to the network and it can therefore compensate for example the effect of its own magnetic leaks.
But if you want the motor to operate permanently under voltage E, it will be magnetized, according to what has been said above, at the end of starting, first under voltage Eo ,, of considerably higher value, so that by returning to the operating value E, it no longer needs any external magnetizing current.
It follows from these considerations this rule for driving a three-phase motor compensated by permanent magnets that it must first be excessively magnetized to such an extent that its field can, 'at the desired operating voltage, go back down to the value of the remanent field or to a similar value. This over-magnetization can be easily obtained by taps on the motor winding or on the supply transformer, by star-delta connection, or by similar combinations at the end of the starting operation.
There is also some over-magnetization when starting the motor off-load and then loading it, because in no-load operation the full voltage of the network has the effect of giving rise to a field in the rotor. , while when the chagge increases, the voltage drops determined by the leaks and by the resistance are deducted from the network voltage, so that the current
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the field in the air gap decreases.
If, during its operation, the motor should lose part of its remanent field as a result of mechanical vibrations and shocks, it would suffice to excite it again for a short time to restore the intensity of the field. to its maximum value and then let the field drop down to the value of the remanent field.
To start such motors, the rotor of which is made of permanent magnet steel, they can be fitted with the ordinary winding with rings or with a short circuit. You can also equip them with a. -winding which improves the starting conditions by means of eddy currents or by skin effect.
As in general a cylindrical magnetized rotor or one consisting of a hollow cylinder is used, it is sometimes sufficient to provide this massive drum with a thin copper coating which can act at the same time as a damper for any oscillations in synchronous operation,
For the rotor, a steel with high coercive force and moderate remanence, or high remanence and moderate coercive force or, on the contrary, high remanence and high coercive force, will be used, depending on the one hand on the value of the ratio. between the air gap and the pole pitch of the motor, because it is on this ratio that the demagnetizing effect exerted on the permanent steel depends, and on the other hand according to the prices of these materials,
so that each time we are obliged to choose the technically most suitable and economically most suitable material depending on whether it is a question of high or low power engines, high or low speed and with a ratio more or less of the width of the air gap at the pole pitch.
If the air gap of the motor is relatively large and the pole pitch relatively small, a magnetized steel of great coercive force is required in order to maintain an air gap
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coercive force and remanence all the weaker. For the choice of the material with regard to the value of the remanence and the coercive force, the following considerations are preferably based.
If we designate by # the pole pitch of the motor and by) the width of the gap, including the magnetic resistances of the teeth and the notch wedge, the fundamental law of magnetism gives for a pole pitch of the motor such that it is represented in FIG.
3 the following expression for the curvilinear integral of the magnetic forces
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2B '= li H (1) Tt
The value of the first member of this equation is determined by the induction B in air for which it is assumed that it is distributed in a sinusoidal manner around the periphery of the rotor, and that of the second member is determined by the magneto force -motor H which is also considered to be distributed in a sinusoidal manner in the rotor, so that only its mean value exerts its effect according to the factor 2 / #. B and H therefore represent the maximum induction in air and the maximum field in magnetic steel which occur simultaneously in the rotor. When the permanent steel rotor has a different shape, the numerical factor varies slightly.
Each desired value of induction in air corresponds according to relation (1) to the necessary intensity of the field: H = # # / # B .. been plotted on (2)
On pin 4, the magnetization characteristics of three different magnetized steels have been plotted.
Steel I has a remanence of 10,000 gauss for example and a coercive force of 60 oerstedt, steel II has a remanence of 8,000 gauss and a coercive force of 190 oerstedt, and steel 111 'a remanence of 6 .000 gauss and a coercive force of 450 oerstedt. If you want to build a motor with a large air gap of 1.5 mm and a pole pitch
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@ re of 10 cm, the relation between H and B is according to equation (2):
H = # 0.15 / 10 B = 0.047 B. (3)
This relationship is shown in fig. 4 in the form of the curve in dotted lines A. It can be seen that for this purpose, preferably stainless steel III is used, which makes it possible to achieve an induction in air of 4200.
If the motor has only an air gap of 0.3 mm for a pole pitch of 10 cm, we obtain: H = # 0.03 / 10 B = 0.0094 B, (4)
This gives us the curve B in broken lines. The naximum induction of 6100 is then obtained in the motor using magnetized steel II, while the other steels would give less induction in air.
If the motor finally has an air gap of 0.3 mm with a polar pitch of 45 cm, we have:
H = # 0.03 / 45 B = 0.0021 B (5) and the curve C in dotted lines shows that in this case the most favorable conditions are obtained by using steel I which allows d 'achieve an induction in air of 8300 gauss. As materials with high coercive force are in general more expensive than those with high remanence, it is advantageous to run motors of this kind with as small an air gap as possible, and this is all the more possible since in general one. will use a solid rotor with a polished surface that is easy to spin without runout.
We can represent by formulas the reasons which have just been made relative to the principle of the choice of steel. If we denote by R the remanence and by K the coercive force, the characteristic of the steel with permanent magnetization according to fig. 4 is expressed by the relation:
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B - R (1-) (6)
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straight drooping, but in general the characteristic has a concavity directed downwards. If in this equation we replace H by the expression taken from equation (2) of the motor, we obtain
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(7) We see, from these relations, that it is important, when we want to obtain a high induction B in the air in the motor, to reduce as much as possible the second term of the denominator of equation (7 ), the remanence being by itself as high as possible.
In general, good use of magnetized steel will be obtained if the following relation holds:
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(8) When the magnetized piece is not strictly cylindrical. that, it is necessary to replace the coefficient # by another numerical coefficient. But this product is always composed of these two factors: ratio of the equivalent air gap to the equivalent length of the magnet, and ratio of remanence to coercive force.
If the conditions are chosen according to the determining equation (8), either by the choice of a suitable magnetized steel, or by the execution of the motor with a small air gap or a large polar pitch, the remanent field in the motor is always greater than half of the remanence of permanent steel.
Since all of these materials have a relatively large hysteresis area, the hysteresis torque of these motors is very considerable. It helps and accelerates the starting very considerably and causes in normal operation a maintenance of the poles in the position which they have taken.
To help maintain this, it may be advantageous to provide the permanent steel rotor with salient poles, since
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in this case the reaction torque produced by the difference in magnetic conductivity between the poles and the polar gaps is added to these holding forces.
Motors of this kind can of course be fitted with all the apparatus and devices favorable to starting and running, such as are commonly used in ordinary three-phase synchronous and asynchronous motors. One can, for example, make them operate in single-phase by producing a polyphase magnetic field by means of coupling devices.
-: CLAIMS: -
1) Synchronized three-phase asynchronous motor, characterized in that its magnetization current is at least partially compensated by a part of the motor (rotor) which provides its excitation and which is made of a permanent magnet steel.