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Perfectionnements aux moteurs électriques et des méthodes pour leur mise en action.
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je, sous-signé, Frank 3d<:<a.rd Beeton, Traducteur technique de la maison. BOULT,WADE & TENNANT, Ingénieurs conseils en matières de Brevets d'invention, domiciliée à 111/112 Hatton Garden, Londres, E.C.l
Déclare par ces présentes que la Mémoire Descriptive qui suit est une traduction fidèle de la Spécification déposée avec l'ambassade de Belgique à Londres et se référant à une Demande de Brevet d'invention en Belgique réclamant la date de dépôt d'une demande de brevet d'invention Nr.
1944/43 déposée le 318 do Décembre 1943 et d'une demande de brevet cognate Mr. 1584/44 déposée le 27e de Janvier 1944 dans le Bureau de Brevets de Londres, et dont la Demanderesse est la Société dite;
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S.SL:ITH & SONS ("1GLAND) LITIITED Le titre de la dite Demande jetant: IInPROVZUENTS IN ELECTRIC 1.*TORS AND .1B'IHO ùF ACTUATING 't'1llJ::I, a..
( PERFECTIONNEMENTS AUX MOTEURS ELECTRIQUES ET uES METHODES POUR LEUR MISE EN ACTION).
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Cette invention concerne les moteurs électriques, on a recbnnu depuis longtemps qutun champ magnétique rotatif imprimé à un rotor non-enroulé de matière magnétique produira un couple effectif sur le rotor dans la direction de rotation du champ magnétique même si le moteur reste stationnaire à cause de l'hystérésis de la matière du rotor. Un tel moteur sera.ci-après dénommé un"moteur à hystérésislt- et c'est de ce type de moteur que l'invention plus particulièrement s'occupe.
Par un rotor "non-enroulé" on signifie un rotor dans lequel aucune provision n'a été faite pour permettre au rotor de conduire des ciurants électriques dans le but d'obtenir un couple de démarrage, par exemple en prévoyant des enroulements à cage d'écureuil ou autrement ou en enduisant le rotor de matière conductive.
Le type le plus.courant de moteur à hystérésis est celui muni d'un rotor avec des pôles saillant géométriquement et on s'en sert frequemment pour commander les cloches électriques. on a cependant proposé, par exemple dans la spécification de brevet Nr. 266,799 d'employer un simple rotor cylindrique et ce n'est qu'avec ce type de moteur que la présente invention se concerne.
Les moteurs à hystérésis possèdent maintes carastéristiques avantageuses, telles que leur capacité d'engendrer une haute c'ouple de démarrage, et de fonctionner à une vitesse synchrone ; théoriquement le couple est constant depuis l'errêt jusqu'au synchronisme. De tels moteurs cependant n'ont jamais été très courus par suite de leur efficacité très réduite, en particulier dans les modèles de petites dimensions. par exemple les moteurs à hystérésis destinés à commander les cloches électriques ont montré une efficacité de moins'de 1%.
L'objet de la présente invention est d'améliorer l'effi- cacité- des moteurs à hystérésis et de les rendre ainsi un
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substituant utile et dans certains cas préférable aux moteurs courants.
On peut énumérer les pertes dans un moteur à hystérésis commesuit: (1) Pertes au rotor (a) pertes (par glissement.
(b) pertes à cause de variations avec le temps du champ rotatif.
(c) pertes attribuables à la résistance par -,air.
(2) pertes au stator la) pertes dans le fer..
(b) pertes dans le cuivre.
Les pertes de la catégorie 1 (a) sont attribuables aux courants de Faucault dans le rotor et à l'hystérésis dans la matière du rotor. On peut réduire les pertes causées par les courants parasites en feuilletant le rotor mais il ne vaut pas souvent les dépens encouris en faisant ceci, attendu que les pertes par courants parasites sont peu importantes en comparai- son avec les pertes hystérétiques, la matière du rotor étant inévitablement de grande coercivité, afin de fournir le couple nécessamre. On doit noter cependant que les pertes dans la catégorie 1 (a) ne peuvent arriver que pendant le glissage et elles n'existent pas en conséquence pendant l'opération synchrone.
Les ertes dans la catégorie 1(b) sont probablement les plus sérieuses et seraient peutêtre la cause principale de 1' inefficacité des moteurs à hystérésis de petites dimensions.
Toute tentative de produire un champ rotatif à partir dtun ou de plusieurs champs stationnaires doit avoir comme résultat un compromis dans lequel il y a un certain écart d'un vrai champ tournant. une méthode pour la production d'un champ tournant consiste en engendrant un déplacement de phase dans une partie dtun seul champ staionnaire par moyen d'un ushading ring" ou enroulement à déplacement de phase. Cette méthode est cependant
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très peu satisfaisante, attendu qu'elle produit une très mauvaise approximation à un champ tournant, il existant une très grande: composante alternative. ,On peut la négliger en conséquance. en ce qui concerne la présente invention.
Une méthode amenant des meilleurs résultats consiste en un nombre ou pluralité de champs stationnaires en rapport convenable 1' un avec l'autre: en temps et en espace. on ne peut cependant produire de tels champs que par moyen d'enroulements polyphasés logés dans des fentes du stator de sorte à produire une plura- lité de sous-pales, ces sous-paies superposant des composantes stationnaires en espace sur le champ tournant, en introduisant ainsi une perte. Dans notre demande copendante Nr. 21943/43 nous avons montré comment on peut éliminer substantiellement cette perte par moyen d'une douille ou manchon de matière magè nétique liant' les sous-pôles, et cette méthode est d'avantage en particulier dans le cas des menus moteurs où nécessairement les pôles sont peu en nombre.
Si cependant le moteur est .grand on peut tellement augmenter le nombre des fentes du stator que l'écart d'un vrai champ tournant n'est pas suffisam- ment important pour rendre impossible la construction d'un moteur de haute efficacité. De plus, si l'on peut employer un large entrefer ceci réduira considérablement l'écart d'un vrai champ tournant.
Comme indiqué ci-dessus un projet concernant la réduction les pertes de la catégorie 1(b) est l'objet de notre demande co-pendante Nr. 21945/43 et ceci ne fait aucune partie de la présente invention, sinon que cet expédient ou un semblable aux ceux indiqués ci-dessus doit être utilisé si l'on veut construire un moteur à hystérésis de haute efficacité selon la présente invention, on doit comprendre donc qu'un ttmoteur ' . à hystérésis de haute .efficacité''- signifie .un moteur dont les pertes de la catégorie 1(b) ne sont pas plus importantes que les pertes appartenantes à 11a catégorie .2, après précautions #
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prises pour réduire les pertes en totalité.
On peut réduire les pertes de la catégorie 1(c) en aplanant autant que possible'la surface du rotor. Ainsi 1, emploi dtun manchon'selon le projet exposé dans la demande co- pendante Nr. 21945/43 sera utile, som but étant d'améliorer le profilage aérodynamique de l'intervalle à air.
On peut réduire les pertes de la catégorie 2(a) de manière connue en feuilletant le stator et en se servant de matière de basse coercivité. Les pertes de la catégorie 2 dépendent de la force magnéto-mo'trice totale que le stator doit engen- drer et c'est la réduction de cette force magnéto-motrice dont la présente invention s'occupe.
On connait que le couple d'un moteur à hystérésis est une fonction quelconque de la densité d'induction B et on a supposé que pour un rotor donné' ce couple est directement proportion- nel à B 1.6la constante de proportionnalité étant V où v est le- volume du rotor et 5 est le coefficient de Steinmetz.
Si cette supposition était correcte le point de l'efficacité maxima serait au genou de la courbe B-H et on a déja proposé dans la spécification Nr. 442266 que le moteur doit fonctionner à ce point pour en obtenir l'efficacité maxima.' Nous avons trouvé cependant que cette supposttion, qui se base sur la supposition de plus qu'un moteur à hystérésis fonctionne par suite d'hystérésis alternative, n'est pas correcte, au moins en ce qui concerne les moteurs à hystérésis construits selon la présente invention et qu'un tel moteur fonctionne princi- palement par suite d'hystérésis rotative.
Dans le cas de 1' hystérésis rotative le couple n'est pas proportionnel B 1.6 mais ci est associé à B de la manière ci-dessous décrite et la présente invention se base sur une reconnaissance de ce rapport dans le but de déterminer le point d'efficacité maxima.
Un moteur à hystérésis de haute efficacité étudié pour
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opération continue à une tension prédéterminée selon la pré- sente invention comprend un rotor cylindrique lisse non- enroulé et de matière ferromagnétique de haute cuercivité, et un stator multipolaire enroulé en polyphase, coaxial avec le dit rotor et construit ou disposé, par l'emploi d'un manchon de matière ferromagnétique liant les sous-pôles uu stator, ou autre expédient, de sorte à imprimer au rotor un champ tournant substantiellement uniforme, l'enroulement étant tellement étudié par rapport à la reluctance du chemin du flux, quten étant branché sur l'alimentât,
! on. polyphasée de tension prédéterminée l'intensité du champ est égale à ou près de la valeur d'enveloppe comme ci-après définie. on décrira maintenant l'invention avec référence aux figures 1, 2,3 et 6 des dessins joints aux spécifications provisoires Nrs. 21944/43 et 1584/44 et les figures 7, 8 et 9 des dessins ci-joints, dans lesquels:
La figure 1 montre une série de boucles d'hystérésis pour une certaine matière ferromagnétique et pour des valeurs différentes daintensité maxima de champ magnétique H.
La figure 2 montre des graphiques démontrant le rapport de l'aire A des courbes d'hystérésis (comme ordonnées) à 1' induction magnétique B (comme abscisses) sous des conditions variées.
La figure 3 montre des graphiques démontrant comme or- données le couple par unité de volume d'un rotor ferromagné- tique pour trois matières étiquettées X, Y et z dans un champ tournant dont l'intensité est tracée comme abscisses.
La figure 64 est une diagramme comprennant deux graphiques.
La figure 5est une élévation en coupe longitudinale d' un moteur à hystérésis triphasé deux poles, incorporant cette invention.
La figure 6est une coupe transversale, sur la ligne VIII- Vlll de la figure X.5
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La figure µ)est un schéma des connexions d'un stator 5 6 destine au moteur selon les figures @ er # considérons d'abord la disposition générale des éléments
5 6 7 du moteur avec réféence aux 'Ligures @ # et #.
Coome illustré par ces figures le stator est construit de lamelles de matière ferromagnétique de haute perméabilté et de relativement basse coercivité et il est dans la forme d'un corps tubulaire ayant une paroi cylindrique continue ou manchon 13, dont rayonnent une pluralité de barres 14. Les enroulements des trois phases sont insérés dans les fentes 15 entre les barres et ils sont espacés et disposés comme illustré sur la figure pour produire un champ tournant.
Le chemin du flux est complété par un manchon lu composé également de lamelles appropriées. les lamelles extérieures 24 sont retenues ensembles par une pièce emboutie 23. Les lamelles intérieures 25 sont retenues ensembles par un adhésif approprie et s'ajustent par pression en dedans des lamelles extérieures. Les plaques 17 sont fabriquées dtune matière isolante et elles servent pour protéger l'enroulement.
On se rendra compte de ce que le stator diffère du stator classique par le fait qu'on insère les enroulements de l' exterieur au lieu de l'intérieur, ceci non seulement simplifie l'opération d'enroulement mais pourvoit le manchon 3 dont le but ressortira de ce qui suit.
Le rotor se compose d'un manchon 12 de matière ferro- magnétique de haute coercivité (par exemple 250). Ce manchon 12 est attache à -L'arbre 11 monté à rotation dans des coussi- nets anti-friction en dedans du manchon 13 avec lequel il est coaxiàl. L'espaceair 18 entre les manchons 12 et 13 est de l'ordre de mm 0.1.
.ne stator et les coussinets sont logés dans uneenveloppe 19 pourvue d'une chape terminale 20 comprennant un panneau al pour des bornes de distribution.22.
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Le manchon 13, comme expliqué en plus de détail dans la Demande de Brevet Nr. 2194/43, en liant les sous-pôles au stator sert à assurer que le champ tournant est substantielle- ment uniforme, c'est-à-dnre, dtassurer que substantiellement aucunes composantes stationnaires en espace ne sont superposées.
Jusqu'à présent on nta rien dit quant à la disposition des enroulementsdu stator, ce qui forme une caractéristique essentielle de la présente invention, et dans ce but il faut prendre en considération les graphiques des figures 1, 2, 3 et 6.
Le type d'hystérésie le plus usuel est celui connu comme l'hystérésis alternative, c'est-à-dire lehystérsis à laquelle un corps de matière ferromagnétique est soumis en étant placé dans un champ alternatif. Le corps dans ce cas passe par une série de cycles comme illustré dans la figure 1 où H est let champ magnétique et B est l'induction magnétique ou densité de flux dans le corps* L'effort accompli en passant le corps à travers une boucle ou cycle entier dthystérésis est repré- senté par l'aire A de la boucle. Steinmetz a découvert que, pour un corps de volume fixe, A est approximativement propor- tionnel à 31.6 comme illustré par la courbe P de la figure 2.
On a supposé en général que le couple d'un moteur à hysté- résis, lequel est proportionnel à A a été attribuable à 1' hystérésis alternative. Selon cette supposition CI est évident que !,efficacité maxima. serait pres dm genou de la courbe B-H et qurune augmentation de l'intensité du champ au-dessus de ce point augmenterait le couple, mais au ppix d'efficacité, jusqu,à atteindre des conditions de couple maximum à saturation.
Une telle supposition peut ête vrai en ce qui concerne les constructions antérieures des moteurs à hystérésis ou on n'a pas,pris des précautions pou assurer un champ tournant uniforme. Dans le, cas cependant où un corps tel que le man- chon 12, illustré dans le figures 5 et 6 est soumis à un
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champ tournant uniforme les conditions d'hystérésis diffèrent entièrement de celles indiquées ci-dessus se référantes à 1' hystérésis alternative.
Le corps est maintenant soumis è 1' hystérésis rotative et l'accord entre A et B dans un tel cas , est illustré par la courbe B de la figure 2. on verra que dans ce cas 1'A maximum ou le couple maximum, au lieu de se produire à saturation a lieu maintenant à. la ligne d'abscisse N, où 1' induction est bien au-dessous de saturation. L'efficacité maxima aura lieu à une valeur même plus basse d'induction et la méthode de déterminer ce point est illustrée sur la figure 3.
La figure 3 fait voir 1,\ couple par unité de volume du rotor tracé en rapport avec l'intensité de champ (ou d'ampère- tours dans le stator par unité de longueur du chemin du flux dans le rotor) pour trois matières X, Y et Z ayant des induc- tions de saturation approximativement constantes et des duretés magnétiques ou coercivités différentes, la coercivité de la matière y étant plus grande que celle de la matière X et moins que celle de la matière Z. on peut obtenir avantageusement ces courbes pour toute matière donnée en tournant un solide de revolution de la matière choisme entre les poles d'un hystérésismètre d'Ewing et en constatant la perte de force par cycle ou l'aire du couple è hystérésis pour des valeurs diverses d'intensité de champ.
Des cpurbes telles que X, Y et Z coupant l'origine et possédant un point de saturation commun forment un groupe de courbes avec une courbe enveloppe commune et cette courbe est celle indiquée par le trait discontinu de la figure 3. Les points X1, Y1 et Zl où l'enveloppe touche les dourbes des matières X, y et Z sont dénommés ci-dedans les'points d'enve- loppe" des dites matières et les valeurs correspondantes dt intensité de champ comme les valeurs d'envelopper on doit remarquer que puisque l'on peut réduire la coercivité d'une
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matière par le trempage, on peut facilement obtenir un groupe de courbes pour une matière de composition donnée.
C'est évident que pour obtenir le couple maximum pour une matière choisie on doit employer l'induction correspon- dante à l'ordonnée N de la figure 2 et l'intensité de champ (dans ce cas de la matière Y) est indiquée par l'ordonnée N de la figure 3. C'est sependant évident de la figure 3 qu'on pourrait obtenir un couple plud fort pour ia mène intensité de champ et par conséquent d'un stator identique excité par un courant identique en se servant d'une matière telle que Z.
Il sera évident que pourvu qu'on peut ajuster la coer- civit de la matière, on peut choisir un point d'enveloppe à n'importe quelle position de la courbe d'enveloppe X1,Y1,
Z1 q dont sera spécifié la matière pour le dit point d'enve- loppe. Il sera également clair que toute autre matière ou sera incapable de produire ce couple ou elle nécessitera un champ plus fort pour l'accomplir, si sa coercivité,est plus grande de celle de la matière spécifiée.
Ayant donc choisi la matière opérant le plus économique- ment au couple désiré par unité de volume, l'intensité de champ optima économique est spécifiée par le point d'enveloppe Xl,yl ou Z1 de la courbe appropriée de la figure 3.
C'est évident des sus-dites considerations qu'ayant choisi une matière pour le rotor 12 on doit étudier l'enroule- ment du stator triphasé afin d'imprimer dans le rotor une intensité de champ de valeur d'enveloppe.
Alternativement si l'on doit étudier le moteur pour produire un couple donné alors on doit choisir le point approprié sur la courbe d'enveloppe et une matière pour le rotor ayant ce point comme point d'enveloppe. Ainsi en se- référant à la figure 6, où la courbe d'enveloppe est tracée en trait interrompu avec le couple représenté' en grammes-
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centimètres et le courant du champ en milliampères, si l'on désire un couple de 42 gramme-centimètres le point approprié se trouve au point z1 et on,,doit choisir pour le rotor une matière ayant le point z1 comme son point d'enveloppe. Le moteur fonctionnera dans ce cas à une efficacité maxima avec un coursant de stator de 380 milliampères et un rendement de couple de 42 grammes-centimètres.
La courbe à traitplein représente l'efficacité à 3000 r.p.m. avec une alimentation à 50 cycles, pour des- densités de champ variées dtun moteur construit selon l'invention et avec un rotor de cette matière et on verra qu'en effet l'efficacité maxima a lieu à la valeur d'enveloppe d'intensité de champ. on n'a rien dit dans l'analyse précédente à propos des dimensions de l'intervalle à air. C'est évident qu'unepartie de la force magnéto-motive engendrée par les courants du sta- tor sera épuisée en forcant le flux à travers cet intervalle entre le stator et le rotor. Il sera évident aussi de ce qui précède que pour réduire les pertes du stator la rpluctance de cet intervalle à air doit être si basse que possible.
Nous avone trouvé cependant qu'il exist deux facteurs pouvant limiter la réduction de l'intervalle. L'un est le facteur manifeste des tolerances de fabrication lesquelles peuvent bien être d'importance dominante en ce qui concerne une machine de faibles dimensions. L'autre est la tendance d'un faible intervalle de frustrer l'objet du manchon de matière magnétique liant les sous-ples du stator, et ainsi de réintroduire les pertes de la catégorie 1(b).
Comme rpsultat du sus-dit effet il y'aura un intervalle d'air la réduction duquel ne présente point d'avantage et-pour cette raison on peut obtenir dans le cas des machines de faibles dimensions des meilleures,.efficacités avec un stator à deux pèles qu'avec des machines de la même importance munies de
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quatre ples ou encore plus, puisque la roiuctance relative de l'intervalle varie au carré du nombre des polos.
Si dans un case exceptionnel des considérations spéciales affecte les dimensions minima de l'intervalle c'est avantageux
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d'étudier la machine de sorte, que la rteluctance de la x,o.tô:. soit à peu près égal à la réluctance de l'intervalle à air.
Dans ce cas et en supposant qu'une limite pratique a été mis à la force magnétoèmotive disponible de la part du moteur,'la moitié de.cette F.M.M. à travers le diamètre du moteur définera la valeur opérative d'H et selon la courbe d'enveloppe on peut alors choisir la matière la plus avantageuse. On peut ensuite compléter le dessein de la machine en déterminant 1'
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épaisseurdu rotor telle que la roluctance est égale à la r,7.uc- tance de l'intervalle à, air.
La spécification suivante se réfère à un moteur construit selon les figures 5 6 7 et étudié selon les principes énon- cées ci-dessus.
Rotor.: .Matière............-.......Acier magnétique à 35%
Cobalt, trempé à fond.
Diamètre intérieur........0'.655 cms.
" extérieur fini..'.0.972 cms. pour intervalle à air de cm. 0.0147
0.976 cms. pour intervalle à air de cm. 0.0102 Longueur ................. 2,*16 cms.
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intervalle ,tai. o.oJ..27 ou o.Glo2 Diamètre extérieur du fer du stator. ¯(matière-Stalloy) Lamelles intérieures. 2.54 cms.
Diamètre de la carcasse. 3.22 cms.
Epaisseur du manchon 13. 0.034 cm.
Soupe minima des barres 14 du stator. 0.155 x 2 = 0.310cm2 Coupe transversale de bague de*retour,24.
(a) partie lamellée (sans enveloppe) 0.3175x.082
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==0.66o' cm caTré-.###
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(b) La totalité y compris l'enveloppe 0,343 x 2.082 = 0.715 cm carré Diamètre hors tout autour du corps. 3.264 cm.
Tension aux bornes 103..courant 0.455 amp.
Couple synchrone 50 gr.cm (2400 PRM)
Watts d'entrée 22 " de sortis 12.5
Efficacité 57%.
Enroulements.
12 bobines, chaque bobine comprenais 65 tours de fil Nr. 35 S.W.G.fourni sous la marque de fabrique enregistrée
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hT,84Jrt1C.'X Type I¯i.l . ,r
Quoiqu'on a décrit l'invention avec référence à un moteur pourvu d'un rotor intérieur elle concerne également un moteur à rotor extérieur tel par exemple que l'on peut employer dans un gyroscope pour obtenir le moment dtinertie maximum.
AYANT MAINTENANT décrit en détail et exposé la nature de notre dite invention et la manière de sa mise en exécution nous déclarons que ce que nous revendiquons est:
1. Un moteur à hystérésis de haute efficacité comme ci- dessus défini, étudié pour opération continue sur une tension prédéterminée, comprenant un rotor cylindrique lisse non-enroulé de matière ferromagnétique,de haute coercivité et un stator multipolaire à enroulement polyphasé coaxial avec le dit rotor et construit ou disposé, par la provision d'un manchon de matière ferromagnétique liant les sous-poles du stator ou d'un autre expédient de sorte à imprimer au rotor un champ tournant substantiellement uniforme,
l'enroulement étant tellement étudié en rapport à la reluctance du chemin du flux quten étant bran- ché sur l'alimentation polyphasée de la tension préscrite, 1' intensité du champ est à ou près de la valeur d'enveloppe.
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2. un moteur à hystérésis de haute efficacité comme ci- dessus défini comprenant un rotor cylindrique lisse non-enroulé de matière ferromagnétique de haute coercivité, un stator multi- polaire à rainures et coaxial avec le dit rotor, un enroulement polyphasé logé dans les rainures du stator et un manchon de matière ferromagnétique disposé pour lier les sous-pôles du stator dans le but dtassurer un champ tournant substantielle- ment uniforme, le dit enroulement étant étudié en rapport à la tension opérative de sorte que, sous les conditions dt opération, Itinduction dans le rotor soit bien au-dessous de saturation et également au-dessous de l'induction donnant le couple maximum.
3. Un moteur à hystérésis de haute efficacité comme ci- dessus défini comprenant un rotor cylindrique lisse non-enroulé de matière ferrpmagnétique de haute coercivité et un stator multipolaire enroulé en phase et coaxial avec le dit rotor et construit ou disposé par la provision d'un manchon de matière ferromagnétique liant les sous-poles du stator ou d'autre expédient, de sorte à imprimer au rotor un champ tournant substantiellement uniforme, l'enroulement étant branché sur l'alimentation polyphasée de telle tension que l'intensité du champ est à ou voisin de la valeur d'enveloppe.
4. Un moteur à hystérésis de haute efficacité selon 1' une ou l'autre des revendications précédentes, dans lequel la reluctance du rotor est approximativement égale à la reluc- tance 'de l'intervalle à air.
5. un moteur à hystérésis de haute efficacité selon 1' une ou l'autre des revendications précédentes, dans lequel le rotor cylindrique est en forme d'un manchon.
6. un moteur à hystérésis de haute efficacité selon l' une ou l'autre des revendications précédentes dans lequel le
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stator est un stator à deux ples.
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Improvements to electric motors and methods for putting them into action.
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I, undersigned, Frank 3d <: <a.rd Beeton, House Technical Translator. BOULT, WADE & TENNANT, Consulting engineers in patent matters, domiciled at 111/112 Hatton Garden, London, E.C.l
Hereby declares that the Descriptive Memorandum which follows is a faithful translation of the Specification filed with the Belgian Embassy in London and referring to an Application for an Invention Patent in Belgium claiming the filing date of a patent application of invention Nr.
1944/43 filed December 318, 1943 and a cognate patent application Mr. 1584/44 filed January 27, 1944 in the London Patent Office, and for which the Applicant is the said Company;
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S.SL:ITH & SONS ("1GLAND) LITIITED The title of the said Request giving: IInPROVZUENTS IN ELECTRIC 1. * TORS AND .1B'IHO ùF ACTUATING 't'1llJ :: I, a ..
(IMPROVEMENTS TO ELECTRIC MOTORS AND METHODS FOR THEIR ACTION).
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This invention relates to electric motors, it has long been recognized that a rotating magnetic field imparted to an uncoiled rotor of magnetic material will produce an effective torque on the rotor in the direction of rotation of the magnetic field even if the motor remains stationary due to the hysteresis of the rotor material. Such a motor will be referred to hereinafter as a "hysteresis motor" and it is with this type of motor that the invention more particularly deals with.
By an "unwound" rotor is meant a rotor in which no provision has been made to allow the rotor to conduct electric currents in order to obtain a starting torque, for example by providing cage windings. squirrel or otherwise or by coating the rotor with conductive material.
The most current type of hysteresis motor is one with a rotor with geometrically protruding poles and is frequently used to drive electric bells. however, it has been proposed, for example in patent specification No. 266,799 to use a simple cylindrical rotor and it is only with this type of motor that the present invention is concerned.
Hysteresis motors have many advantageous features, such as their ability to generate high starting torque, and to operate at synchronous speed; theoretically, the torque is constant from stopping to synchronism. Such engines, however, have never been very popular because of their very low efficiency, especially in small models. for example, hysteresis motors for driving electric bells have shown an efficiency of less than 1%.
The object of the present invention is to improve the efficiency of hysteresis motors and thus to make them more efficient.
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a useful and in some cases preferable substitute to current motors.
The losses in a hysteresis motor can be listed as follows: (1) Rotor losses (a) losses (by slip.
(b) losses due to variations with time of the rotating field.
(c) losses attributable to resistance by -, air.
(2) stator losses la) iron losses.
(b) losses in copper.
Category 1 (a) losses are attributable to eddy currents in the rotor and hysteresis in the rotor material. The losses caused by stray currents can be reduced by flipping the rotor, but it is often not worth the expense of doing this, since the stray current losses are small compared to the hysteretic losses, the material of the rotor. being inevitably of great coercivity, in order to provide the necessary torque. It should be noted, however, that losses in category 1 (a) can only occur during sliding and therefore do not exist during synchronous operation.
The losses in category 1 (b) are probably the most serious and would possibly be the main cause of the inefficiency of small hysteresis motors.
Any attempt to produce a rotating field from one or more stationary fields must result in a compromise in which there is some deviation from a true rotating field. One method for producing a rotating field is to generate a phase shift in a portion of a single stationary field by means of a ushading ring "or phase shift winding. This method, however, is
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very unsatisfactory, given that it produces a very bad approximation to a rotating field, there is a very large: AC component. , It can therefore be neglected. with regard to the present invention.
One method leading to best results is a number or plurality of stationary fields suitably related to each other: in time and space. however, such fields can only be produced by means of polyphase windings housed in slots of the stator so as to produce a plurality of sub-blades, these sub-pays superimposing stationary components in space on the rotating field, in thus introducing a loss. In our co-pending application Nr. 21943/43 we have shown how this loss can be substantially eliminated by means of a sleeve or sleeve of magnetic material binding the sub-poles, and this method is particularly advantageous in the case of small engines where the poles are necessarily few in number.
If, however, the motor is large, the number of stator slots can be increased so much that the deviation of a true rotating field is not large enough to make the construction of a high efficiency motor impossible. Furthermore, if a large air gap can be used this will considerably reduce the deviation from a true rotating field.
As indicated above a project concerning the reduction of category 1 (b) losses is the subject of our co-pending application Nr. 21945/43 and this does not form any part of the present invention other than that this expedient or one similar to those indicated above should be used if one is to construct a high efficiency hysteresis motor according to the present invention, therefore it should be understood that a ttmotor. with high efficiency hysteresis '' - means. a motor whose losses of category 1 (b) are not greater than the losses belonging to category 11a .2, after precautions #
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taken to reduce losses entirely.
Category 1 (c) losses can be reduced by leveling the rotor surface as much as possible. Thus, the use of a sleeve according to the design set out in companion application No. 21945/43 will be useful, with the aim of improving the aerodynamic profiling of the air gap.
Category 2 (a) losses can be reduced in a known manner by laminating the stator and using low coercivity material. Category 2 losses depend on the total magneto-motive force which the stator is to generate and it is the reduction of this magneto-motive force that the present invention is concerned with.
We know that the torque of a hysteresis motor is any function of the induction density B and we have assumed that for a given rotor 'this torque is directly proportional to B 1.6 the constant of proportionality being V where v is the rotor volume and 5 is the Steinmetz coefficient.
If this assumption were correct the point of maximum efficiency would be at the knee of the B-H curve and it has already been proposed in specification Nr. 442266 that the engine must run at this point to obtain maximum efficiency. ' We have found, however, that this assumption, which is based on the further assumption that a hysteresis motor operates as a result of alternating hysteresis, is not correct, at least with respect to hysteresis motors constructed according to this. invention and that such a motor operates primarily as a result of rotary hysteresis.
In the case of the rotary hysteresis, the torque is not proportional to B 1.6 but is associated with B as described below and the present invention is based on a recognition of this ratio in order to determine the point d. maximum efficiency.
A high efficiency hysteresis motor designed for
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continuous operation at a predetermined voltage according to the present invention comprises a smooth, unwound cylindrical rotor of high-grade ferromagnetic material, and a polyphase wound multipolar stator, coaxial with said rotor and constructed or arranged, by use of a sleeve of ferromagnetic material binding the sub-poles of the stator, or other expedient, so as to impart to the rotor a substantially uniform rotating field, the winding being so studied in relation to the reluctance of the flux path, quten being connected on the feed,
! we. polyphase of predetermined voltage the intensity of the field is equal to or near the envelope value as defined below. the invention will now be described with reference to Figures 1, 2, 3 and 6 of the drawings attached to the provisional specifications Nrs. 21944/43 and 1584/44 and Figures 7, 8 and 9 of the accompanying drawings, in which:
Figure 1 shows a series of hysteresis loops for a certain ferromagnetic material and for different maximum magnetic field intensity values H.
Figure 2 shows graphs demonstrating the ratio of area A of hysteresis curves (as ordinate) to magnetic induction B (as abscissa) under various conditions.
Figure 3 shows graphs showing as ordered the torque per unit volume of a ferromagnetic rotor for three materials labeled X, Y and z in a rotating field whose intensity is plotted as the abscissa.
Figure 64 is a diagram comprising two graphs.
Figure 5 is a longitudinal sectional elevation of a two pole three phase hysteresis motor incorporating this invention.
Figure 6 is a cross section, on the line VIII- Vlll of figure X.5
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Figure µ) is a diagram of the connections of a stator 5 6 intended for the motor according to figures @ er # let us first consider the general arrangement of the elements
5 6 7 of the motor with reference to 'Ligures @ # and #.
Coome illustrated by these figures the stator is constructed of lamellae of ferromagnetic material of high permeability and relatively low coercivity and it is in the form of a tubular body having a continuous cylindrical wall or sleeve 13, from which radiate a plurality of bars 14. The windings of the three phases are inserted into the slots 15 between the bars and they are spaced and arranged as shown in the figure to produce a rotating field.
The flow path is completed by a read sleeve also made up of suitable lamellae. the outer sipes 24 are held together by a stamped part 23. The inner sipes 25 are held together by a suitable adhesive and press fit within the outer sipes. The plates 17 are made of an insulating material and serve to protect the winding.
It will be appreciated that the stator differs from the conventional stator by the fact that the windings are inserted from the outside instead of from the inside, this not only simplifies the winding operation but provides the sleeve 3 with the purpose will emerge from what follows.
The rotor consists of a sleeve 12 of high coercivity ferro-magnetic material (eg 250). This sleeve 12 is attached to the shaft 11 rotatably mounted in anti-friction pads inside the sleeve 13 with which it is coaxial. The spacing 18 between the sleeves 12 and 13 is of the order of 0.1 mm.
.ne stator and the bearings are housed in a casing 19 provided with an end cap 20 comprising a panel al for distribution terminals.
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The sleeve 13, as explained in more detail in Patent Application No. 2194/43, by bonding the sub-poles to the stator serves to ensure that the rotating field is substantially uniform, that is, ensure that substantially no stationary components in space are superimposed.
So far nothing has been said about the arrangement of the stator windings, which forms an essential characteristic of the present invention, and for this purpose the graphics of Figures 1, 2, 3 and 6 must be taken into consideration.
The most common type of hysteresis is that known as AC hysteresis, i.e. hysteresis to which a body of ferromagnetic material is subjected by being placed in an AC field. The body in this case goes through a series of cycles as shown in figure 1 where H is the magnetic field and B is the magnetic induction or flux density in the body * The effort made by passing the body through a loop or whole cycle dthysteresis is represented by the area A of the loop. Steinmetz found that, for a body of fixed volume, A is approximately proportional to 31.6 as shown by the curve P in Figure 2.
It has generally been assumed that the torque of a hysteresis motor, which is proportional to A, was attributable to the alternating hysteresis. According to this assumption CI is obvious that!, Maximum efficiency. would be near the knee of the B-H curve and an increase in the field strength above this point would increase torque, but at the same rate of efficiency, until reaching maximum torque conditions at saturation.
Such an assumption may be true with respect to previous constructions of hysteresis motors where precautions have not been taken to ensure a uniform rotating field. In the event, however, that a body such as the sleeve 12, illustrated in Figures 5 and 6 is subjected to a
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Uniform rotating field the hysteresis conditions differ entirely from those given above referring to the alternating hysteresis.
The body is now subjected to the rotary hysteresis and the agreement between A and B in such a case is illustrated by the curve B in figure 2. it will be seen that in this case the maximum A or the maximum torque, at instead of occurring at saturation now takes place at. the abscissa line N, where the induction is well below saturation. The maximum efficiency will take place at an even lower value of induction and the method of determining this point is illustrated in figure 3.
Figure 3 shows 1. \ torque per unit volume of the rotor plotted against the field strength (or ampere-turns in the stator per unit length of the flux path in the rotor) for three materials X , Y and Z having approximately constant saturation inductions and different magnetic hardnesses or coercivities, the coercivity of matter y being greater than that of matter X and less than that of matter Z. these can advantageously be obtained. curves for any given material by turning a solid of revolution of the material chosen between the poles of an Ewing hysteresis meter and by noting the loss of force per cycle or the area of the torque at hysteresis for various values of intensity of field.
Cpurbes such as X, Y and Z intersecting the origin and having a common saturation point form a group of curves with a common envelope curve and this curve is that indicated by the dashed line in figure 3. The points X1, Y1 and Z1 where the envelope touches the curvatures of the materials X, y and Z are hereinafter referred to as the 'enveloping points' of said materials and the corresponding values of field strength as the values of enveloping it should be noted that since we can reduce the coercivity of a
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material by soaking, one can easily obtain a group of curves for a material of given composition.
It is obvious that to obtain the maximum torque for a chosen material one must use the induction corresponding to the ordinate N of figure 2 and the field strength (in this case of the material Y) is indicated by the ordinate N of figure 3. It is obvious from figure 3 that one could obtain a stronger torque for the field strength lead and consequently of an identical stator excited by an identical current by using 'a matter such as Z.
It will be obvious that provided that we can adjust the coercivity of the material, we can choose an envelope point at any position of the envelope curve X1, Y1,
Z1 q for which the material for the said envelope point will be specified. It will also be clear that any other matter either will be unable to produce this couple or it will require a stronger field to accomplish it, if its coercivity is greater than that of the specified matter.
Having therefore chosen the material operating most economically at the desired torque per unit volume, the optimum economical field strength is specified by the envelope point Xl, yl or Z1 of the appropriate curve in Figure 3.
It is evident from the above considerations that having chosen a material for the rotor 12 one must study the winding of the three-phase stator in order to impart to the rotor a field strength of envelope value.
Alternatively if one has to study the motor to produce a given torque then one has to choose the appropriate point on the envelope curve and a material for the rotor having that point as the envelope point. Thus with reference to Figure 6, where the envelope curve is plotted in broken lines with the torque shown in grams-
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centimeters and the field current in milliamperes, if a torque of 42 gram-centimeters is desired, the appropriate point is at point z1 and one ,, must choose for the rotor a material having point z1 as its envelope point . The motor will operate in this case at maximum efficiency with a stator current of 380 milliamps and a torque output of 42 gram-centimeters.
The full line curve represents the efficiency at 3000 r.p.m. with a power supply at 50 cycles, for various field densities of a motor constructed according to the invention and with a rotor of this material and it will be seen that in fact the maximum efficiency takes place at the value of the current envelope. of field. nothing was said in the previous analysis about the dimensions of the air gap. It is obvious that part of the magneto-motivating force generated by the stator currents will be exhausted by forcing the flux through this gap between the stator and the rotor. It will also be evident from the above that in order to reduce stator losses the rpluctance of this air gap should be as low as possible.
We have found, however, that there are two factors that may limit the reduction of the interval. One is the obvious factor of manufacturing tolerances which may well be of overriding importance with regard to a small machine. The other is the tendency for a small gap to frustrate the purpose of the sleeve of magnetic material binding the stator sub-poles, and thus reintroduce category 1 (b) losses.
As a result of the aforesaid effect there will be an air gap, the reduction of which presents no advantage and - for this reason it is possible to obtain in the case of machines of small dimensions better, efficiencies with a stator to two peels than with machines of the same size fitted with
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four or more, since the relative kinguctance of the interval varies by the square of the number of polo shirts.
If in an exceptional case, special considerations affect the minimum dimensions of the gap, it is advantageous
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to study the machine so that the rteluctance of x, o.tô :. that is to say approximately equal to the reluctance of the air gap.
In this case and assuming that a practical limit has been set on the magnetoemotive force available from the motor, 'half of this F.M.M. through the diameter of the motor will define the operative value of H and according to the envelope curve we can then choose the most advantageous material. We can then complete the design of the machine by determining 1 '
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thickness of the rotor such that the roluctance is equal to the r, 7.uc- tance of the air gap.
The following specification refers to an engine constructed according to Figures 567 and designed according to the principles set forth above.
Rotor .:. Material ............-....... 35% magnetic steel
Cobalt, thoroughly soaked.
Internal diameter ........ 0'.655 cms.
"finished exterior .. '. 0.972 cms. for air gap of cm. 0.0147
0.976 cms. for air gap of cm. 0.0102 Length ................. 2, * 16 cms.
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interval, tai. o.oJ..27 or o.Glo2 External diameter of the stator iron. ¯ (material-Stalloy) Inner slats. 2.54 cms.
Diameter of the carcass. 3.22 cms.
Sleeve thickness 13. 0.034 cm.
Minimum soup of the bars 14 of the stator. 0.155 x 2 = 0.310cm2 Cross section of * return ring, 24.
(a) laminated part (without envelope) 0.3175x.082
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== 0.66o 'square cm -. ###
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(b) The whole including the envelope 0.343 x 2.082 = 0.715 cm square Overall diameter around the body. 3.264 cm.
Voltage at terminals 103..current 0.455 amp.
Synchronous torque 50 gr.cm (2400 PRM)
Watts input 22 "of output 12.5
Efficiency 57%.
Windings.
12 spools, each spool consisted of 65 turns of Nr. 35 S.W.G. wire supplied under the registered trademark
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hT, 84Jrt1C.'X Type I¯i.l. , r
Although the invention has been described with reference to a motor provided with an inner rotor, it also relates to a motor with an outer rotor such as for example that can be used in a gyroscope to obtain the maximum moment of inertia.
HAVING NOW described in detail and set forth the nature of our said invention and the manner of its carrying out we declare that what we claim is:
1. A high efficiency hysteresis motor as defined above, designed for continuous operation on a predetermined voltage, comprising a smooth, non-wound cylindrical rotor of ferromagnetic material, of high coercivity and a multipole polyphase winding stator coaxial therewith. rotor and constructed or arranged, by providing a sleeve of ferromagnetic material binding the sub-poles of the stator or some other expedient so as to impart to the rotor a substantially uniform rotating field,
with the winding being so studied with respect to the flux path reluctance when plugged into the polyphase supply of the prescribed voltage, the field strength is at or near the envelope value.
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2. a high efficiency hysteresis motor as defined above comprising a smooth, non-wound cylindrical rotor of high coercivity ferromagnetic material, a multi-polar stator with grooves and coaxial with said rotor, a polyphase winding housed in the grooves of the stator and a sleeve of ferromagnetic material arranged to link the sub-poles of the stator for the purpose of providing a substantially uniform rotating field, said winding being studied in relation to the operating voltage so that, under operating conditions, The induction in the rotor is well below saturation and also below the induction giving the maximum torque.
3. A high efficiency hysteresis motor as defined above comprising a smooth, unwound cylindrical rotor of high coercivity ferrpmagnetic material and a multipole stator phase wound and coaxial with said rotor and constructed or arranged by the supply of. a sleeve of ferromagnetic material binding the sub-poles of the stator or other expedient, so as to impart to the rotor a substantially uniform rotating field, the winding being connected to the polyphase supply of such a voltage that the intensity of the field is at or near the envelope value.
4. A high efficiency hysteresis motor according to either of the preceding claims, wherein the reluctance of the rotor is approximately equal to the reluctance of the air gap.
5. A high efficiency hysteresis motor according to either of the preceding claims, wherein the cylindrical rotor is in the form of a sleeve.
6. A high efficiency hysteresis motor according to either of the preceding claims wherein the
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stator is a two-pole stator.