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" Perfectionnements relatifs aux régulateurs électriques à empilage de carbone ".
Cette invention se rapporte aux régulateurs électro- magnétiques et plus spécialement aux régulateurs de tension et d'intensité peur les génératrices dynamos électriques et d'une façon générale pour les circuits électriques. Elle a pour but de réaliser un régulateur de construction sim- ple, d'encombrement faible, léger, et consommant peu d'é- nergie, qui donne un réglage très sensible dans une large gamme autour de la valeur déterminée de la grandeur à ré- gler.
Ce régulateur comprend un rhéostat à empilage de carbone ou pile de charbons, à insérer dnas le circuit à régler ou par l'intermédiaire duquel la commande est exercée ; la pile est soumise à la différence entre deux forces dont l'intensité est grande par rapport à la pres- sion nécessaire pour faire varier la résistance de la pile dans sa gamme utile ; ces forces proviennent d'un ressort antagoniste et de l'attraction d'un électro-aimant dont l'excitation dépend de l'effet régulateur.
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Comme il est bien connu, pour une excitation constante, l'attraction d'un électro-aimant de conception usuelle.., sur son armature, dépend de la longueur de l'entrefer en- tre ces parties et, sous réserve de la variation du champ de dispersion et d'autres facteurs perturbateurs, elle va- rie en raison inverse du carré de la longueur de l'entre- fer. L'invention repose sur l'application d'une force com- pensatrice qui suit en principe la même loi de variation que l'attraction magnétique, et aussi sur l'usage de la diffé- rence entre ces deux forces importantes,de caractéristiques analogues, pour donner une force régulatrice différentielle relativement petite.
Cette force compensatrice est fournie par un ressort ou une poutre qui repose tangentiellement contre une butée fixée à l'électro-aimant, butée sur la surface de laquelle le ressort est entra/eîné dans un mouvement de roulement lorsque l'armature se meut vers l'électro-aimant. La partie du ressort soumise à une tension se raccourcit ainsi et devient plus rigide lorsque la longueur de l'entrefer di- minu ; par une construction appropriée du ressort et de la surface de butée, sa résistance est amenée facilement à varier en sens inverse du carré de la distance entre le point d'application de l'attraction de l'électro-aimant sur le ressort (appelé ci-après le point de charge) et un certain point fixe donné qui correspond à une longueur d'entrefer nulle. Ainsi, on obtient une correspondance de principe avec l'attraction magnétique variable.
En effe, dans le cas simple d'une poutre de section transversale uniforme, rectiligne en l'absence d'effort, reposant tangen- tiellement sur des surfaces rectilignes inclinées l'une vers l'autre dont l'intersection correspond à une longueur d'en-
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trefer nulle, en réglant trois paramétres, c '(ost-8-:,'.ire l'attraction magnétique pour une position donnée du point de charge, l'inclinaison des surfaces de butée par rapport
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à un plan perpendiculaire à la trajectoire du point de charge, et la position relative de l'intersection des sur- faces de butée par rapport à la position de l'armature @ pour l'entrefer nul,la courbe "charge-flèche" du rapport peut être amenée sensiblement à coîncider avec la courbe "course-attraction" de l'électro-aimant;
ou bien, on peut lui donner une plus ou moins grande courbure; et les deux courbes peuvent être prévues pour se toucher en tout point désiré, ou pour se couper en un point quelconque ou en deux points, ou pour s'étendre côte à côté. Ainsi, la dif- férence entre la traction du ressort et l'attraction de l'électro-aimant peut être réglée à la valeur requise pour actionner les dispositifs de régulation en tous points de la gamme, et une tolérance convenable peut être prévue pour la dispersion magnétique et autres causes perturbatrices.
Pour une trajectoire donnée du point de charge, déter- minée, par exemple, par sa liaison à l'armature magnétique et le guidage de cette dernière, le roulement du ressort sera en général accompagné de quelque glissement relatif et l'interposition d'un dispositif supprimant le frottement peut être désirable. Mais le glissement relatif peut être supprimé en disposant le ressort ét la surface de butée avec des inclinaisons opposées convenables par rapport à un plan perpendiculaire à la trajectoire du point de charge.
L'électro-aimant sera ordinairement du type cuirassé, c'est-à-dire avec des noyaux ou pôles concentriques; et dans un but d'allègement, l'armature pourra avoir une fai- ble longueur magnétique radiale. Bien que le ressort puisse être du type cantilever, réuni mécaniquement de toute ma- nière appropriée à l'armature magnétique et au dispositif régulateur, une disposition simple consiste à réaliser une poutre supportée en deux points et chargée au centre par liaison directe à la structure de l'armature,par exemple à une tige axiale d'armature ; bien encore le ressort
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peut être en forme d'étoile possédant un certain nombre de branches rayonnant à partir de la tige d'armature, avec les extrémités incurvées reposant sur une surface de butée ayant une forme conique.
Cette combinaison symétrique du ressort et de 1'électro-aimant, peut exercer sa pression soit sur une pile ou empilage unique ayant même axe que l'électro-aimant, soit sur un certain nombre de piles dis- posées symétriquement autour de l'axe de l'aimant.
L'armature peut être limitée au mouvement dans la di- rection de l'axe de l'électro-aimant,sans opposer de ré- sistance de frottement à ce mouvement, au moyen d'un dia- phragme fixé sur sa tige. La résistance offerte par le dia- phragme suit une loi linéaire ; le rapport pression-com pression d'une pile de charbons ressemble à la forme de la courbe B (H) d'aimantation du fer; pour effectuer un régla- ge quelconque du rhéostat, la combinaison ressort-électro- aimant doit surmonter ces forces. La variation de la pres- sion nécessaire pour régler la pile sur toute sa gamme mesurée en pourcentage de la pression totale détermine le pourcentage de régulation.
Pour commander la tension ou l'intensité dans le cir- cuit d'une génératrice , le rhéostat est utilisé pour com- mander le circuit de champ ou inducteur ou un circuit de champ ou inducteur de la génératrice .
Dans le cas d'un régulateur de tension, si l'enroule- ment de l'électroaimant est conçu avec une saine attention à l'économie de cuivre, une erreur sera introduite par les variations de température qui tout en étant susceptibles d'être réduites par une résistance de charge, peut demeu- rer importante pour certaines applications.
Peur l'éliminer on peut avoir secours à une variation automatique des para- mètres de réglage Une méthode appropriée consiste à constuire la butée du ressort en bi-métal de telle sorte que l'inclinaison de la surface des butées varie avec la
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température, les points d'appui du ressort se déplaçant dans la direction de la pression du ressort et réduisant par suite cette pression lorsque la température s'élève; une beaucoup plus petite résistance de charge convient alors.
L'économie dans la conception est aussi limitée par l'échauffement de la pile elle-même, qui est suscepti- ble de la détériorer si l'on atteint une température trop élevée; l'invention comprend des dispositifs pour refroidir la pile dans son ensemble et pour maintenir sa température égale afin d'empêcher une surchauffe locale.
L'invention est décrite plus complètement ci-après en se référant à diverses constructions de régulateurs à empilage de carbone qui réalisent cette invention et qui ont été représentées aux dessins annexés.
Sur ces dessins :
Les figures 1 et 2 sont des schémas destinés à montrer le principe de l'invention ;
La figure 3 est une coupe axiale suivant la ligne III-III de la figure 4;
La figure 4 est une vue en plan;
La figure 5 est une vue en élévation et la figure 6 une vue en plan par dessous, d'une construction de régula- teur à empilage de carbone .
Les figures 7 et 8 représentent le schéma des connexions pour des applications typiques du régulateur ;
La figure 9 est une vue partiellement en coupe axiale et partiellement en élévation, d'un régulateur à empilages multiples ;
La figure 10 est une vue en élévation , en bout) des dispositifs utilisés dans cet appareil pour répartir égale- ment la pression sur les divers empilages;
Les figures 11 à 13 sont des coupes axiales de régula- teurs à empilage unique et elles montrent les dispositifs pour la compensation thermométrique ainsi que des disposi-
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tions pour refroidir l'empilage et maintenir sa températu- re égale.
La figure 1 représente schématiquement une poutre a chargée en son centre et supportée par des surfaces de butée b inclinées l'une vers l'autre. On supposera que la charge w sur la poutre est réalisée en reliant le point milieu de la poutre à l'armature ± d'un électro-aimant e représenté séparément à côté de la poutre.
Comme il est bien connu l'angle d'inclinaison j'une poutre uniforme ainsi chargée est, pour de petites flèches: i=w12
16 E i dans cette formule 1 est la distance entre les points d'ap- pui. Lorsque la poutre est chargée davantage, les points d'appui se déplacent l'un vers 1'autre et, comme l'inclinai- son aux pointb d'appui est toujours i , le roulement de là poutre sur son support est tel que w12 reste constant, c'est-à-dire que l'est inversement proportionnel à la ra- cine carrée de w.
La hauteur du triangle formé par la corde de la poutre et les surfaces de butée b a pour valeur :
D 1/2 tang i
La flèche de la poutre en son point milieu est : d=13= (12)1
48 E 1 ( 48 E I )
Il en résulte que la distance g ( = D - d ) entre le point milieu de la poutre et le point de rencontre des surfaces de butée , est inversement proportionnelle à Úw.
La même loi relie la longueur de l'entrefer g de l'é- lectro-aimant àl'attraction exercée sur son armature .
La traction du ressort a pour toutes positions initiales données, telle que celle représentée, peut être
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choisie de façon à dépasser l'attraction de l'électro-iaimant de la valeur requise pour soutenir le dispositif régulateur, c'est-à-dire pour maintenir la pression maximum initiale sur un empilage de carbone, lorsque l'armature de l'électro- aimant est dans la position correspondante; l'intersection des surfaces de butée est représentée sur la figure comme correspondant à un entrefer g de valeur nulle mais on peut s'écarter de cette valeur ; il ressort des équations ci-dessus, l'augmentation de la traction du ressort avec la diminution de la longueur g, tout en suivant encore une loi inversement proportionnelle au carré, peut être modi- fiée en faisant varier la pente i des surfaces de butée.
Par un choix convenable de ces paramètres, le déplacement total nécessaire pour régler l'empilage sur toute sa marge de règlage, peut être prévu pour suivre toutes les varia- tions désirées du courant ou de la tension d'excitation. A l'exception de la force relativement petite nécessaire pour le réglage de l'empilage, l'attraction magnétique totale équilibre la pression du ressort ; en d'autres termes,l'ex- citation totale correspond à la pression totale du ressort; la variation admissible de la tension ou de l'intensité détermine la variation de l'excitation ainsi que de l'at- traction magnétique et, elle correspond è. la variation de pression nécessaire pour toute la marge de règlage de l'em- pilage.
Ainsi, le pourcentage de régulation désiré détermi- ne quelle variation du pourcentage de la pression totale doit suffire pour toute la marge de règlage de l'empilage.
Il est clair que lorsque le ressort de la figure 1 est davantage courbé, son roulement sur les surfacess de butée est accompagné d'un certain glissement vers l'inter- section de ces'surfaces. Des billes ou des galets peuvent être interposés pour réduire le frottement.
Mais le mouvement de glissement peut être prévenu en inclinant en sens opposé le ressort et les surfaces de
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butée par rapport à un plan faisant un angle droit avec la ligne de déplacement du pointcharge qui est ici le mi- lieu du ressort. A la figure 2, la ligne en trait interrom- pu indique un plan faisant un angle droit avec le déplace- ment du point charge; a est le ressort courbé mais non bandé dont les bords font un angle Ó avec le plan ; b b sont les surfaces de butée faisant un angless avec le plan sur sa face opposée .
Pour supprimer le glissement, dans des constructions de ce genre qui seront décrites plus loin, on a trouvé que l'angle doit être environ 2, 3 fois plus grand que l'angle ss
Dans le régulateur à empilage de carbone représenté aux figures 3 à 6, l'électro-aimant cuirassé e est formé avec, d'une part une plaque d'extrémité et un noyau cen- tral 1, d'autre part un corps et un noyau annulaire 2,ces pièces étant assemblées par des boulons 3 et entourant un enroulement 4. Les surfaces polaires sont taillé es de façon à faire partie de la même surface conique et leur circuit magnétique est fermé par une armature c à sec- tion en v de conicité correspondante, calée sur une bro- che 5.
La surface de butée b est la surface externe coni- que et polie d'un disque 6 qui s'ajuste à l'intérieur d'un prolongement du corps magnétique 2 reposant contre le noyau annulaire . Le ressort a est une plaque élastique à six rayons, bloquée entre deux rondelles qui sont assujetties sur l'armature par un écrou évasé 7 vissé sur l'extrémité filetée de la broche 5 et bloqué par un prisonnier 8. Le bord externe de la plaque élastique est rodé pour former un cercle dont la dimension est telle qu'il repose dans le prolongement du corps magnétique dans lequel s'ajuste le disque 6. Le guidage de l'armature est complété par un dia- phragme 9 dont la flexibilité peut être augmentée par des ouvertures incurvées.
Ce diaphragme est bloqué par un écrou contre un épaulement de la broche 5 de l'armature ; il s'a- juste à l'intérieur d'une cavité prévue dans la face exter-
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ne de la plaque d'extrémité 1 ét il est maintenu là par une plaque 11 vissée à la plaque d'extrémité 1.
La plaque 11 est la plaque de base d'un rhéostat à empilage de carbone formé par deux piles de rondelles de carbone 12, ou charbons, enfilées sur les douilles isolan- tes 13 entourant les vis 14 qui traversent la plaque de base 11 et une plaque de pression bridée 15 . La plaque de pres- sion est fixée à la broche d'armature par les écrous 16 à surfaces sphériques portant sur des rondelles à surfaces sphériques entre lesquelles la plaque est bloquée.
Il est clair que les piles sont soumises à la diffé- rence entre la traction du ressort et l'attraction magnéti- que, laquelle est également répartie entre ces piles.
Ltemploi d'un tel régulateur à empilage de carbone comme régulateur de tension pour maintenir constante la tension dans un circuit est représenté à la figure 7. La génératrice 17 comporte un enroulement d'inducteur shunt 18 en série avec l'empilage de carbone 12. L'enroulement 4 de l'électro-aimant commandant le rhéostat est connecté en série avec une résistance de charge réglable 19 aux bor- nes de la génératrice .Si la tension augmente, la pres- sion sur l'empilage 12 est diminuée et le champ est ré- duit.
De nombreuses variantes et développements de ce circuit sont possibles. L'un d'eux est représenté à la figure 7, @ Si la génératrice a pour fonction de charger une batterie 21 qui peut avoir été déchargée'après une longue période d'inaction, ou de débiter en cas d'une autre forte charge occasionnelle, uri enroulement 22 prévu sur l'électro-aimant commandant le rhéostat, peut être inséré dans le circuit de charge de la batterie ou seulement sur le circuit de a forte charge. Ceci réduit la tension jusqu'à ce que la bat- terie prenne seulement uncourant de charge normal ou que la forte charge ait été absorbée , après quoi ,la condition de tension constante est rétablie.
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Ou bien encore les charges de service normales peu- vent être alimentées par un circuit branché aux bornes de la génératrice 17 tandis que les charges anormales intermittentes peuvent être raccordées directement sur la batterie 21 de sorte que la chute de tension résultante aux bornes de la batterie met en action sans aucune modifi- cation des connexions, l'enroulement de commande 22, et la génératrice ainsi que la batterie se partaient toutes deux l'augmentation de charge.
Si l'on désire une intensité constante au lieu d'une tension constante, 1'enroulement d'électro-aimant 4 conçu dans ce but sera monté en série avec la génératrise, Une seule et même machine peut avoir à la fois des régulateurs de tension et d'intensité, les deux empilages de carbone étantplacés en série dans le circuit inducteur; ou bien l'on peut réaliser un régulateur double en plaçant une pile unique entre deux groupes de ressort et électro-ai- mant, les électro-aimants étant naintenus à distance fixe par boulons et entretoises, tandis que les deux ressorts compriment la pile entre eux.
Dans le cas d'un ré pulateure pour alternateur, l'en- roulement d'excitation 4 sera bien entendu alimenté à tra- vers un circuit redresseur approprié, comme indiqué, par exemple à la figure 8, Dans le cas de basses fréquences qui pourraient co muniquer des vibrations à l'armature, le courant d'excitation est'égalisé soit par un condensa- teur en shunt dans le circuit d'excitation,soit par une bague de cour-circuit sur le'noyau magnétique.
Il est possible qu'il se produise un défaut dans la régulation, dans le cas d'un alternateur, si la forme d'onde de l'alter- nateur se modifie pour des valeurs variables de la charge; car/Si le rapport du carré de la moyenne des racines à la valeur moyenne de la tension ou du courant suivant les cas, ne demeure pas constant, la régulation peut être touchée. Pour éliminer ce genre de dérangement,l'électro-
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aimant peut être alimenté à travers un circuit compensateur comprenant, par exemple, un condensateur 23 avec une résistan- ce ohmique 25 en série ou en dérivation.
Le ressort et l'armature de l'électro-aimant peuvent actionner une plaque de pression placée au milieu d'une pile de carbone ou de deux piles de carbone. Par exemple, les ex- trémités de deux piles ainsi commandées peuvent être raccor- dées transversalement et les conducteurs transversaux reliés à une source d'excitation à courant continu, tandis que les points médians des piles où la pression est appliquée, sont connectés. à un enroulement inducteur de réglage sur la généra- trice à commander, de façon à réaliser un réglage automatique qui s'inverse; les piles peuvent, sans instabilité, être ame- nées dans la position de résistance très élevée avant qu'il se produise une inversion du courant dans l'enroulement de réglage.
On n'a pas trouvé nécessaire de prévoir un amortissement du régulateur dans la plupart des cas, mais on peut le réaliser aisément avec un dash-pot. Par exemple, le diaphragme grâce auquel la broche d'armature est guidée (prévu sans perforation dans ce but) peut former l'un des deux fonds élastiques d'une chambre divisée par une cloison rigide dans laquelle se trou- ve une ouverture petite et de préférence réglable. La chambre peut être partiellement ou totalement remplie de liquide de façon que tout mouvement du diaphragme ou seulement les mouve- menth au-delà d'une limite déterminée, soient amortis par le passage du liquide à travers la cloison.
Un mouvement oscillatoire peut cependant se produire lorsque le régulateur commande le champ, non de la génératrice principale, mais de son excitatrice, en raison du fait que le champ de l'excitatrice augmente ou diminue plus rapidement que le champ de la génératrice. Pour remédier à ceci, le régu- lateur, tout en étant commandé par un enroulement d'excitation principal en dérivation sur la génératrice, peut avoir une bo-
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bine d'excitation additionne en dérivation sur l'excitatrice, équilibrant normalement une autre bobine d'excitation en série avec le circuit principal de champ. Ces enroulements shunt et série d'équilibrage peuvent être branchés en dérivation et en série sur toute excitation à régler ,pour stabiliser le fonctionnement .
Suivant une variante; la réponse du champ de l'excitatri- ce peut être retardée ou en d'autres termes sa constante de temps effective est fortement augmentée en branchant en déri- vation soit sur la pile de carbone, soit sur l'enroulement d'induction de l'excitatrice en série avec elle ( et en série si on le désire avec une autre résistance fixe supplémentaire) un moteur électrique qui peut être une machine à aimant perma- nent ou bien avoir un inducteur shunt, série, ou compound et qui peut volonté comporter un volant sur son arbre. Une telle Machine agit à la façon d'un condensateur de trs grande valeur en dérivation sur l'enroulement, son action peut être limitée à l'accroissement ou l'affaiblissement du champ en plaçant un redresseur sur son circuit .
Le régulateur dispos: comme représenté aux figures 3 à 6 ou réalisé comme décrit plus loin, peut être aisément obtenu avec une sensibilité élevée. Ou bien encore on peut en- ployer deux régulateurs de sensibilité moindre, montés en casca- de, un petit régulateur commande par la machine . régler con- trôlant le courant d'un plus gros régulateur qui rèle la ma- chine . De plus gros régulateurs peuvent être commodément réa- lisés avec un plus grand nombre d'empilages. Les figures 9 et 10 montrent un régulateur àsix empilages.
La construction de 1'électro-aimant de l'armature et du ressort, bien que différant dans ses détails de celle représentée aux figurées 36,sera suffisamment comprise) par l'emploi des mêmes lettres de réfé- rence pour désigner les organes correspondants. Mais un souci supplémentaire est nécessité par la répartition de la pression du ressort et de l'électro-aimant, également sur toutes les pi-
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les malgré les tolérances de fabrication.
On a;fixé sur la broche d'armature 5, au moyen d'écrous avides 26, un croisil- lon à trois bras 27. Chaque bras porte à son extrémité un bou- lon 28 auquel est assujetti d'une manière analogue entre des écrous évidés, une plaque de pression 29 par laquelle la pres- sion est appliquée à deux piles. Le centre de masse de chaque plaque de pression est très voisin de son point d'appui et,le centre de masse du croisillon avec les plaques de pression est très voisin du point d'appui de celui-là.
Les écrous évidés doivent avoir assez de liberté pour permettre les oscillations requises et, pour que ce jeu n'augmente pas la flèche requise pour le ressort, on peut introduire un ressort 31 entrg le croisillon et chaque plaque de pression ainsi qu'un ressort 32 entre le croisillon et un rebord sur l'un de ses écrous de support. Avec cette disposition une modification de la position du régulateur ne change pas la distribution des pressi ons.
D'un autre côté , pour les petits régulateurs, une seule pile suffit èt une réalisation appropriée de ceux-là a' été re- présentée à la figure 11 . La pile est dans l'axe de 1'électro- aimant, les rondelles de carbone étant assemblées sur une douille de porcelaine entourant la broche 5.de l'armature. A l'extrémité extérieure, la ,pression de la pile est supportée par une forte rondelle de carbone 33 portée par des étais contrecoudés 34 isolés de la dite rondelle, étais qui sont fixés sur un rebord du corps de l'électro-aimant. Les étais supportent la pile à une distance de l'électro-aimant, suffi- sante pour que l'enroulement de ce dernier ne soit pas endom- magé par la température relativement élevée de la pile .
Une compensation des variations de température est obtenue en constituant la surface de butée bpar la surface d'un disque conique bi-métallique 35, 36, fabriqué par exemple en alliage de fer et de nickel vendu sous la marque "Invar" et .en laiton.
Le bord du disque reposant sur le pôle de l'aimant détermine une ligne fixe donnée-,- tandis que tout point sur lequel le res- sort peut buter à une distance plus grande du centre se déplace
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vers le haut ou vers le bas lorsque la température s'abaisse ou s'élève . Cette compensation est nécessaire uniquement pour un régulateur de tension ; en la prévoyant, il suffit d'une plus petite résistance de charge.
L'empilage de carbone est constament traversé par le courant et un facteur limitatif dans son dimensionnement est son aptitude à dissiper la chaleur engendrée dans sa masse sans qu'aucun point atteigne une température telle qu'elle puisse désagréger les disques ou rondelles de car- bone qui le constituent. Lorsqu'un carter protecteur est em- ployé, commeà la figure 11, la masse d'air immobile entre celui-ci, et l'empilage joue le rôle d'isolement calorifique et entrave la dissipation de la chaleur engendrée, pour y remédier, l'espace entre l'empilage et le carter peut être enjambé comme représenté à la figure 13 par une pièce métal- lique de préférence en aluminium ayant une partie 37 qui entoure de très près l'empilage,
une autre partie 38 en bon contact thermique avec le carter,et entre ces parties un pont de liaison suffisant constitué par un disque 39 et des nervures 41 disposées radialement pour conduire la chaleur de la partie interne à la partie externe. Ce bloc métallique ne doit pas court-circuiter l'empilage et par suite il doit être émailléou isolé électriquement d'une autre façon sur sa surface interne. Mais entre ce bloc et l'empilage il doit y avoir un minimum de substance capable de supporter une forte différence de température . A la fi- gure 12, la pile ou empilage est représentée à l'intérieur d'une douille 42 de porcelaine conductrice de la chaleur telle que celle utilisée dans la fabrication des bougies d'allumage.
Ce dissipateur de chaleur non seulement abaisse la température de l'empilage dans son ensemble, mais encore, il égalise la température de cet empilage en supprimant les points chauds. Dans ce dernier but, il peut être souhai-
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table de supprimer la broche 5 et la douille 13 sur les- quelles sont enfilées les rondelles de carbone à la figure 11, car ils ne sont plus nécessités par la structure mécani- que de la pile et ils ne se trouvent pas sur la figure 12
Lorsqu'on peut se passer d'un carter protecteur, le dissipateur de chaleur peut comporter des ailettes venues avec lui ou montées sur lui en vue d'une meilleure dissipa- tion de la chaleur. Sur la figure 13 la pile est entourée d'un tube de quartz 43 sur lequel s'ajuste une douille métal- lique 44 avec des ailettes 45.
Celles-ci peuvent être en une pièce avec la douille comme représenté , ou elles peu- vent être formées de disques divisés en secteurs avec des bords internes recourbés sur lesquels on peut placer un ressort annulaire de retenue ou un ressort à boudin.
Il est clair que le régulateur peut être employé pour régler la tension ou l'intensité dans un circuit électrique quelle que soit la source d'alimentation , en faisant varier la résistance en série avec le circuit ou en dérivation sur celui-ci. On peut aussi-l'employer pour régler un relais en faisant entraîner par ce relais une génératrice électri- que alimentant l'électro-aimant de la combinaison électro- aimant-ressort. Un régulateur ainsi employé peut agir sur le réglage d'admission du moteur ou sur tout autre dispositif de règlage.
REVENDICATIONS.
1. Un régulateur électrique à empilage de carbone dans lequel une pression est appliquée à l'empilage par l'action différentielle d'un électro-aimant dont l'excitation dépend de la régulation effectuée, et d'une poutre ou ressort re- posant tangentiellement contre une surface de butée sur la- quelle il est entraîné graduellement dans un mouvement de xxx roulement par le déplacement de l'armature de l'électro-ai- mant sous l'effet de l'attraction magnétique.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"Improvements relating to electrical regulators with carbon stacking".
This invention relates to electromagnetic regulators and more especially to voltage and current regulators for electric dynamo generators and in general for electric circuits. Its aim is to achieve a regulator of simple construction, of small size, light, and consuming little energy, which gives a very sensitive adjustment in a wide range around the determined value of the quantity to be measured. - gler.
This regulator comprises a carbon stack or carbon stack rheostat, to be inserted into the circuit to be regulated or through which the control is exerted; the cell is subjected to the difference between two forces the intensity of which is large compared to the pressure necessary to vary the resistance of the cell in its useful range; these forces come from an opposing spring and the attraction of an electromagnet whose excitation depends on the regulating effect.
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As is well known, for a constant excitation, the attraction of an electromagnet of the usual design .., on its armature, depends on the length of the air gap between these parts and, subject to variation of the stray field and other disturbing factors, it varies inversely with the square of the length of the gap. The invention is based on the application of a compensating force which in principle follows the same law of variation as the magnetic attraction, and also on the use of the difference between these two important forces, with similar characteristics. , to give a relatively small differential regulating force.
This compensating force is provided by a spring or beam which rests tangentially against a stopper attached to the electromagnet, the stopper on the surface of which the spring is driven in a rolling motion as the armature moves towards the end. 'electro magnet. The part of the spring subjected to tension thus shortens and becomes more rigid as the length of the air gap decreases; by a suitable construction of the spring and the stop surface, its resistance is easily caused to vary in the opposite direction of the square of the distance between the point of application of the attraction of the electromagnet on the spring (called ci -after the load point) and a certain given fixed point which corresponds to a zero air gap length. Thus, one obtains a correspondence in principle with the variable magnetic attraction.
In fact, in the simple case of a beam of uniform cross-section, rectilinear in the absence of force, resting tangentially on rectilinear surfaces inclined towards one another, the intersection of which corresponds to a length d 'in-
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trefer zero, by setting three parameters, c '(ost-8 - :,'. ire the magnetic attraction for a given position of the load point, the inclination of the abutment surfaces with respect to
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to a plane perpendicular to the trajectory of the load point, and the relative position of the intersection of the abutment surfaces with respect to the position of the reinforcement @ for the zero air gap, the "load-deflection" curve of the ratio can be made substantially to coincide with the "stroke-attraction" curve of the electromagnet;
or, we can give it a greater or lesser curvature; and the two curves may be provided to touch each other at any desired point, or to intersect at any point or at two points, or to extend side by side. Thus, the difference between the pull of the spring and the pull of the electromagnet can be set to the value required to actuate the regulating devices at all points of the range, and a suitable tolerance can be provided for the range. magnetic dispersion and other disturbing causes.
For a given trajectory of the load point, determined, for example, by its connection to the magnetic armature and the guiding of the latter, the rolling of the spring will generally be accompanied by some relative sliding and the interposition of a a friction suppressing device may be desirable. But the relative slip can be suppressed by arranging the spring and the abutment surface at suitable opposite inclinations with respect to a plane perpendicular to the path of the load point.
The electromagnet will usually be of the armored type, that is to say with concentric cores or poles; and for the purpose of lightening, the reinforcement may have a small radial magnetic length. Although the spring may be of the cantilever type, mechanically joined in any suitable manner to the magnetic armature and the regulating device, a simple arrangement consists in making a beam supported at two points and loaded at the center by direct connection to the structure. from the frame, for example to an axial frame rod; well still the spring
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may be star shaped having a number of branches radiating from the reinforcing rod, with the curved ends resting on a stop surface having a conical shape.
This symmetrical combination of the spring and the electromagnet can exert its pressure either on a single stack or stack having the same axis as the electromagnet, or on a number of stacks arranged symmetrically around the axis. of the magnet.
The armature can be limited to movement in the direction of the axis of the electromagnet, without opposing frictional resistance to this movement, by means of a diaphragm fixed on its rod. The resistance offered by the diaphragm follows a linear law; the pressure-to-pressure ratio of a pile of coals resembles the shape of the iron magnetization curve B (H); to make any rheostat adjustment, the spring-electromagnet combination must overcome these forces. The variation in the pressure necessary to adjust the stack over its entire range, measured as a percentage of the total pressure, determines the regulation percentage.
To control the voltage or current in the circuit of a generator, the rheostat is used to control the field or inductor circuit or a field or inductor circuit of the generator.
In the case of a voltage regulator, if the winding of the electromagnet is designed with due attention to saving copper, an error will be introduced by temperature variations which, while being liable to be reduced by load resistance, may remain important for some applications.
Fearing to eliminate it, one can have help to an automatic variation of the setting parameters. A suitable method consists in constructing the stop of the spring in bi-metal so that the inclination of the surface of the stops varies with the
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temperature, the support points of the spring moving in the direction of the pressure of the spring and consequently reducing this pressure as the temperature rises; a much smaller load resistance is then suitable.
The economy in the design is also limited by the heating of the battery itself, which is liable to deteriorate it if the temperature is reached too high; the invention includes devices for cooling the cell as a whole and for maintaining its temperature equal in order to prevent local overheating.
The invention is described more fully below with reference to various constructions of carbon stacked regulators which embody this invention and which have been shown in the accompanying drawings.
On these drawings:
Figures 1 and 2 are diagrams intended to show the principle of the invention;
Figure 3 is an axial section taken on line III-III of Figure 4;
Figure 4 is a plan view;
Figure 5 is an elevational view and Figure 6 a bottom plan view of a carbon stack regulator construction.
Figures 7 and 8 show the connection diagram for typical regulator applications;
Fig. 9 is a view, partially in axial section and partially in elevation, of a multi-stack regulator;
Figure 10 is an end elevational view of the devices used in this apparatus for evenly distributing the pressure over the various stacks;
Figures 11 to 13 are axial sectional views of single stack regulators and show the devices for temperature compensation as well as devices.
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tions to cool the stack and maintain its equal temperature.
Figure 1 schematically shows a beam a loaded at its center and supported by abutment surfaces b inclined towards each other. It will be assumed that the load w on the beam is achieved by connecting the midpoint of the beam to the reinforcement ± of an electromagnet e shown separately next to the beam.
As it is well known the angle of inclination i a uniform beam thus loaded is, for small arrows: i = w12
16 E i in this formula 1 is the distance between the support points. When the beam is loaded more, the fulcrum points move towards each other and, since the inclination at the fulcrum points is always i, the bearing of the beam on its support is such that w12 remains constant, ie is inversely proportional to the square root of w.
The height of the triangle formed by the chord of the beam and the abutment surfaces b has the value:
D 1/2 tang i
The deflection of the beam at its midpoint is: d = 13 = (12) 1
48 E 1 (48 E I)
It follows that the distance g (= D - d) between the midpoint of the beam and the meeting point of the abutment surfaces, is inversely proportional to Úw.
The same law relates the length of the air gap g of the electromagnet to the attraction exerted on its armature.
The tension of the spring has for all given initial positions, such as that represented, can be
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chosen so as to exceed the attraction of the electromagnet by the value required to support the regulating device, i.e. to maintain the maximum initial pressure on a carbon stack, when the reinforcement of the electromagnet is in the corresponding position; the intersection of the abutment surfaces is shown in the figure as corresponding to an air gap g of zero value but it is possible to deviate from this value; it emerges from the above equations, the increase in the tension of the spring with the decrease in the length g, while still following a law inversely proportional to the square, can be modified by varying the slope i of the stop surfaces .
By a suitable choice of these parameters, the total displacement necessary to adjust the stacking over its entire adjustment margin can be provided to follow all the desired variations of the current or of the excitation voltage. With the exception of the relatively small force required to adjust the stack, the total magnetic attraction balances the spring pressure; in other words, the total excitation corresponds to the total pressure of the spring; the permissible variation of the voltage or the current determines the variation of the excitation as well as of the magnetic attraction and, it corresponds to. the pressure variation required for the entire stacking adjustment margin.
Thus, the desired percentage of control determines how much variation in the percentage of the total pressure should be sufficient for the entire trimming range of the stack.
It is clear that when the spring of FIG. 1 is bent further, its rolling on the stop surfaces is accompanied by some sliding towards the intersection of these surfaces. Balls or rollers can be interposed to reduce friction.
But the sliding movement can be prevented by tilting the spring and the bearing surfaces in the opposite direction.
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stop relative to a plane forming a right angle with the line of displacement of the load point which is here the middle of the spring. In FIG. 2, the broken line indicates a plane forming a right angle with the displacement of the load point; a is the curved but unbound spring whose edges make an angle Ó with the plane; b b are the abutment surfaces forming an angle with the plane on its opposite face.
To eliminate slippage, in constructions of this kind which will be described later, it has been found that the angle must be approximately 2, 3 times greater than the angle ss
In the carbon stack regulator shown in Figures 3 to 6, the armored electromagnet e is formed with, on the one hand an end plate and a central core 1, on the other hand a body and a annular core 2, these parts being assembled by bolts 3 and surrounding a winding 4. The pole surfaces are cut so as to form part of the same conical surface and their magnetic circuit is closed by an armature c with a v-section of corresponding taper, set on a pin 5.
The abutment surface b is the tapered and polished outer surface of a disc 6 which fits within an extension of the magnetic body 2 resting against the annular core. The spring a is an elastic plate with six spokes, blocked between two washers which are secured to the frame by a flared nut 7 screwed onto the threaded end of the pin 5 and blocked by a prisoner 8. The outer edge of the plate elastic is lapped to form a circle the dimension of which is such that it rests in the extension of the magnetic body in which the disc 6 fits. The guide of the armature is completed by a diaphragm 9, the flexibility of which can be augmented by curved openings.
This diaphragm is blocked by a nut against a shoulder of the pin 5 of the armature; it is just inside a cavity provided in the outer face.
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ne of the end plate 1 and it is held there by a plate 11 screwed to the end plate 1.
The plate 11 is the base plate of a carbon stack rheostat formed by two stacks of carbon washers 12, or coals, threaded onto the insulating sleeves 13 surrounding the screws 14 which pass through the base plate 11 and a flanged pressure plate 15. The pressure plate is secured to the armature pin by nuts 16 with spherical surfaces bearing on washers with spherical surfaces between which the plate is clamped.
It is clear that the batteries are subject to the difference between the pull of the spring and the magnetic attraction, which is equally distributed among these batteries.
The use of such a carbon stack regulator as a voltage regulator to keep the voltage constant in a circuit is shown in Figure 7. The generator 17 has a shunt inductor winding 18 in series with the carbon stack 12. The winding 4 of the electromagnet controlling the rheostat is connected in series with an adjustable load resistor 19 at the terminals of the generator. If the voltage increases, the pressure on the stack 12 is reduced and the field is reduced.
Many variations and developments of this circuit are possible. One of them is shown in figure 7, @ If the function of the generator is to charge a battery 21 which may have been discharged after a long period of inaction, or to discharge in the event of another heavy load occasional, uri winding 22 provided on the electromagnet controlling the rheostat, can be inserted in the battery charging circuit or only on the high load circuit. This reduces the voltage until the battery takes only a normal charge current or the heavy load has been absorbed, after which the constant voltage condition is restored.
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Or else the normal service loads can be supplied by a circuit connected to the terminals of the generator 17 while the intermittent abnormal loads can be connected directly to the battery 21 so that the resulting voltage drop across the battery terminals The control winding 22, and the generator as well as the battery both started the increase in charge without any modification of the connections.
If constant current is desired instead of constant voltage, the electromagnet winding 4 designed for this purpose will be mounted in series with the generator. One and the same machine can have both voltage regulators. voltage and current, the two carbon stacks being placed in series in the inductor circuit; or a double regulator can be made by placing a single battery between two groups of springs and electromagnets, the electromagnets being kept at a fixed distance by bolts and spacers, while the two springs compress the battery between them.
In the case of a pulper for an alternator, the excitation winding 4 will of course be supplied through an appropriate rectifier circuit, as indicated, for example in FIG. 8, In the case of low frequencies which could cause vibrations to the armature, the excitation current is equalized either by a shunt capacitor in the excitation circuit or by a short-circuit ring on the magnetic core.
It is possible that a fault may occur in the regulation, in the case of an alternator, if the waveform of the alternator changes for varying values of the load; because / If the ratio of the square of the mean of the roots to the mean value of the voltage or of the current, depending on the case, does not remain constant, the regulation may be affected. To eliminate this kind of disturbance, the electro-
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magnet can be fed through a compensating circuit comprising, for example, a capacitor 23 with an ohmic resistance 25 in series or in shunt.
The spring and the armature of the electromagnet can actuate a pressure plate placed in the middle of a carbon stack or two carbon stacks. For example, the ends of two cells so controlled can be connected crosswise and the cross conductors connected to a direct current excitation source, while the midpoints of the cells where pressure is applied are connected. to an adjustment inductor winding on the generator to be controlled, so as to perform an automatic adjustment which is reversed; the batteries can, without instability, be brought into the very high resistance position before a current reversal occurs in the regulating winding.
We have not found it necessary to provide damping for the regulator in most cases, but it can be easily achieved with a dash-pot. For example, the diaphragm by which the armature pin is guided (provided without perforation for this purpose) may form one of the two elastic bottoms of a chamber divided by a rigid partition in which there is a small opening and preferably adjustable. The chamber may be partially or totally filled with liquid so that any movement of the diaphragm or only movementh beyond a determined limit is damped by the passage of the liquid through the partition.
Oscillatory motion can, however, occur when the regulator controls the field, not of the main generator, but of its exciter, due to the fact that the exciter field increases or decreases faster than the generator field. To remedy this, the regulator, while being controlled by a main excitation winding in shunt on the generator, may have a bo-
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Excitation coil adds in shunt on the exciter, normally balancing another excitation coil in series with the main field circuit. These shunt windings and balancing series can be connected in shunt and in series on any excitation to be regulated, to stabilize the operation.
According to a variant; the field response of the exciter can be delayed or in other words its effective time constant is greatly increased by bypassing either on the carbon stack or on the induction winding of the 'exciter in series with it (and in series if desired with another additional fixed resistor) an electric motor which can be a permanent magnet machine or else have a shunt, series, or compound inductor and which can include a steering wheel on his tree. Such a machine acts like a capacitor of very large value in shunt on the winding, its action can be limited to the increase or the weakening of the field by placing a rectifier on its circuit.
The regulator arranged: as shown in Figures 3 to 6 or produced as described below, can be easily obtained with high sensitivity. Alternatively, two regulators of lesser sensitivity can be used, mounted in cascade, a small regulator controlled by the machine. adjust by controlling the current of a larger regulator which acts as the machine. Larger regulators can be conveniently made with a greater number of stacks. Figures 9 and 10 show a six-stack regulator.
The construction of the electromagnet, armature and spring, although differing in detail from that shown in Figures 36, will be sufficiently understood by the use of the same reference letters to designate the corresponding members. But an additional concern is necessary by the distribution of the pressure of the spring and the electromagnet, also on all the pins
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them despite manufacturing tolerances.
A three-armed spider 27 has been fixed to the armature pin 5 by means of greedy nuts 26. Each arm carries at its end a bolt 28 to which is secured in a similar manner between brackets. hollow nuts, a pressure plate 29 by which pressure is applied to two stacks. The center of mass of each pressure plate is very close to its fulcrum and the center of mass of the spider with the pressure plates is very close to the fulcrum of that one.
The hollow nuts must have enough freedom to allow the required oscillations and, so that this play does not increase the deflection required for the spring, a spring 31 can be inserted between the spider and each pressure plate as well as a spring 32 between the spider and a ledge on one of its support nuts. With this arrangement, a modification of the position of the regulator does not change the distribution of the pressures.
On the other hand, for small regulators a single battery is sufficient and a suitable embodiment of these has been shown in Figure 11. The battery is in line with the electromagnet, the carbon washers being assembled on a porcelain socket surrounding the armature pin. At the outer end, the pressure of the battery is supported by a strong carbon washer 33 carried by elbow props 34 isolated from said washer, props which are fixed on a rim of the body of the electromagnet. The props support the stack at a sufficient distance from the electromagnet so that the coil of the latter is not damaged by the relatively high temperature of the battery.
Compensation for temperature variations is obtained by constituting the abutment surface b by the surface of a bi-metallic conical disc 35, 36, made for example of an iron and nickel alloy sold under the trademark "Invar" and of brass. .
The edge of the disc resting on the pole of the magnet determines a given fixed line -, - while any point on which the spring can abut at a greater distance from the center moves
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up or down when the temperature rises or falls. This compensation is only necessary for a voltage regulator; by providing for it, a smaller load resistance is sufficient.
The carbon stack is constantly traversed by the current and a limiting factor in its sizing is its ability to dissipate the heat generated in its mass without any point reaching a temperature such that it can disintegrate the discs or washers of the carbon. bone that constitute it. When a protective casing is used, as in figure 11, the mass of stationary air between it, and the stacking acts as heat insulation and hinders the dissipation of the heat generated, to remedy this, the space between the stack and the casing can be spanned as shown in figure 13 by a metal part preferably in aluminum having a part 37 which closely surrounds the stack,
another part 38 in good thermal contact with the casing, and between these parts a sufficient connecting bridge consisting of a disc 39 and ribs 41 arranged radially to conduct heat from the internal part to the external part. This metal block must not short-circuit the stack and therefore it must be enamelled or electrically insulated in another way on its internal surface. But between this block and the stack there must be a minimum of substance capable of withstanding a strong temperature difference. In FIG. 12, the cell or stack is shown inside a socket 42 of heat-conducting porcelain such as that used in the manufacture of spark plugs.
This heat sink not only lowers the temperature of the stack as a whole, but also equalizes the temperature of that stack by removing hot spots. For the latter purpose, it may be desirable to
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table to eliminate the pin 5 and the socket 13 on which are threaded the carbon washers in figure 11, because they are no longer required by the mechanical structure of the battery and they are not in figure 12
Where a protective housing can be dispensed with, the heat sink may have fins that come with it or are mounted on it for better heat dissipation. In Figure 13 the cell is surrounded by a quartz tube 43 on which fits a metal sleeve 44 with fins 45.
These may be in one piece with the socket as shown, or they may be formed of discs divided into sectors with curved internal edges on which a retaining ring spring or coil spring may be placed.
It is clear that the regulator can be employed to adjust the voltage or current in an electrical circuit regardless of the power source, by varying the resistance in series with or bypassing the circuit. It can also be used to regulate a relay by causing this relay to drive an electric generator supplying the electromagnet of the electromagnet-spring combination. A regulator thus employed can act on the intake adjustment of the engine or on any other adjustment device.
CLAIMS.
1. An electric regulator with carbon stacking in which a pressure is applied to the stack by the differential action of an electromagnet whose excitation depends on the regulation carried out, and of a beam or spring resting tangentially against a stop surface on which it is gradually drawn in a rolling movement by the displacement of the armature of the electromagnet under the effect of the magnetic attraction.
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