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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.