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PERFECTIONNEMENTS AUX MOTEURS & GENERATRICES ELECTRIQUES A COLLECTEURS
Les moteurs et génératrices à collecteurs présentent l'inconvénient de comporter des spires en court-circuit par suite du contact d'un même balai avec plusieurs lames conduc- trices du collecteur. Il en résulte des difficultés ou impos- sibilités d'emploi, notamment dans le cas de moteurs alimentés en courant alternatif et,les difficultés augmentent quand la ' tension ou la fréquence augmente.
Par ailleurs, il est difficile de réaliser une bonne
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commutation dans les moteurs et génératrices à courant continu ou alternatif en raison de ce que les phénomènes principaux se passent dans les balais et au contact des balais et du collecteur et que l'on ne possède qu'un nombre limité de moyens d'action pour régler la répartition et l'intensité des courants électriques.
Dans l'exposé ci-après, on emploiera le terme de "balai" dans le sens général d'une ligne de balais et on appellera "source" le fil d'alimentation habituel du balai, ce fil pouvant passer par d'autres circuits de la machine avant d'être connecté au réseau électrique extérieur à la machine.
L'invention a pour but de remédier aux inconvénients signalés précédemment et elle consiste essentiellement :
1 ) à subdiviser chaque balai en deux ou plusieurs parties dans le sens de la circonférence électrique du collecteur,
2 ) à éloigner les lames conductrices du collecteur les unes des autres dans le sens de la circonférence et éventuelle- ment dans le sens axial, et à les séparer par des lames isolantes de largeur appréciable; ,
3 ) à combiner la largeur des balais et des lames et à disposer ces éléments de manière que chaque balai ne touche jamais qu'une lame du collecteur à la fois;
4 ) à insérer entre les balais subdivisés ou entre les balais et la source ou les deux à la fois des selfs ou des résistances ou les deux à la fois, ces circuits pouvant aussi passer dans dos transformateurs, capacités, génératrices, excita- trices, 'etc.. extérieurs à la machine ou sur des pôles de la machine elle-même en vue notamment d'annuler ou de supprimer les forces électromotrices gênantes. Les selfs et résistances permet- tent notamment de limiter le courant de court-circuit mais elles peuvent avoir d'autres fonctions. Les selfs peuvent être bobinées ensemble de manière à s'ajouter pour le courant de court-circuit et à se retrancher pour le courant principal.
En outre, les selfs, résistances et bobinages afférents aux balais des différents pôlet de la machine peuvent être combina entre eux. Enfin une génératrice auxiliaire, fixée en bout d'arbre, dont le nombre de pôles est
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on rapport avec le nombre de lames du collecteur peut fournir les forces contre-électromotrices nécessaires.
Pour bien faire comprendre l'invention, on a représenté des schémas explicatifs auxdessinsannexésdans lesquels : - la figure 1 est une coupe schématique partielle d'un collecteur en contact avec un balai selon la disposition habituel- le ; - la figure 2 est une coupe analogue montrant le principe de la disposition préconisée conformeront à l'invention et, - la figure 3 montre en perspective une partie de collec- teur avec balai subdivisé conformément à l'invention, selon un exemple de réalisation qui paraît particulièrement avantageux.
Dans la disposition habituelle le balai 1, relié à la source 2, vient en contact avec les lames conductrices 3 séparées par des lames isolantes très minces 4 ; comme le montre la figure 1, le balai 1 recouvre plusieurs lames conductrices, de sorbe que les spires dont les extrémités sont reliées à ces lames se trou- vent en court-circuit.
Dans la disposition préconisée selon la figure 2, les lames conductrices 5 sont séparées par des lames isolantes 6 de largeur telle qu'aucun des balais 7-8 associés ne touche à la fois plusieurs lames 5, quelle que soit la position du rotor. Les deux balais 7-8 sont reliés entre eux et avec la source 2 par des résistances, selfs et bobinages indiqués en 9-10.
Les lames touchées par les éléments 7-8 peuvent être consé- cutives ou non. L'écartement des éléments 7-8 dans le sens de la circonférence du collecteur peut différer de l'éoartement des lames conductrices du collecteur de telle manière qu'à chaque instant de la rotation du rotor, la section totale du passage du courant soit suffisante.
Dans la réalisation particulière représentée à la figure 3, le collecteur, au lieu de comporter un seul jeu de lames, comporte deux jeux décalés d'une part longitudinalement, dans le sens de l'axe du moteur, et d'autre part dans le sens de la circonférence.
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Les lames conductrices des deux jeux ont été indiquées respec- tivement en 11-12 et les lames isolantes en 13-14, les lames @ conductrices de l'un des jeux étant en regard des lames isolantes de l'autre. La largeur des deux catégories de lames peuL d'ailleurs différer, de sorte que la longueur circonférentielle totale de l'ensemble des lames conductrices peul dépasser la circonférence du collecteur si une telle disposition est recon- nue utile, compte tenu de la largeur des balais. Les spires de l'induit sont réunies alternativement aux deux collecteurs.
Chaque section de collecteur qui porte un jeu de lames est as'sociée aux lignes de balais habituelles disposées longitudina- lement dans le même plan axial électrique et les balais, indiqués en 15-16, sont d'une largeur telle qu'ils ne touchent qu'une seule lame conductrice à la fois ; ilspeuvent être d'une largeur suffisante pour assurer à chaque instant une section de passage suffisante pour le courant,.
Les balais 15-16 sont réunis entre eux et à la source de courant 2 par l'intermédiaire de selfs ou de résistances 17-18 ou d'une combinaison de selfs, de résistances et de bobinages.
On comprendra que les e@emples de réalisation déerite ci- dessus et représentés aux figures 2 et 3 des dessins n'ont aucun caractère limitatif et qu'on pourrait y apporter diverses modi- fications sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, dans une réalisation analogue à celle de la figure 3, le col- lecteur pourrait comporter plus de deux jeux de lames conduc- trices.
L'expression "lames isolantes" employée précédemment s'applique à des lames qui ne font. pas partie des circuits électriques; en d'autres termes ces lames peuvent être en une matière électriquement isolante ou être en une matière conduc- trice mais alors isolée des circuits des enroulements; dans le cas de lames conductrices isolées, celles-ci seront placées
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u111.!'u tlOlt" InutCfj ii<il.n 1;e: , pnr 0:':u'''1110 on mien, f!)n.iu ld"(:,; ;,0 seront reliées à aucun circuit électrique. La lame en matière isolante peut cependant être préférable pour réduire les flashs.
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Dans certains cas, la subdivision des balais dans le sens circonférentiel, prévue ci-dessus, peut conduire à des difficultés pratiques résultant d'une largeur trop faible des balais subdivisés.
On peut remédier on premier liou à cos difficultés, soit en augmentant le diamètre du collecteur, soit en employant des balais dont certains secteurs n'auront aucun rôle électrique mais seulement un rôle porteur pour soutenir les parties électri- quement actives des balais.
En ce qui concerne la nature des balais, on observera qu'il n'est plus nécessaire de chercher à obtenir une résistance électrique relativement élevée des balais et du contact balai- collecteur (ce qui échauffe le balai et le collecteur) puisque la résistance nécessaire peut être reportée en dehors de la machine. On peut envisager en conséquence des balais de nature différente des balais usuels, et notamment des balais métalliques, éventuellement en fonte ou en métal inoxydable tel que l'argent.
On peut également chercher à accroître la largeur des balais par différents artifices respectant toujours la notion fondamentale de l'invention d'après laquelle aucune spire ou aucun circuit de l'induit ne doit être mis en court-circuit franc, c'est à dire sans insertion de résistances ou de selfs, sauf peut être pendant de très courts instants.
Dans cet ordre d'idées, l'induit peut comporter des enroulements multiples, de sorte qu'un enroulement donné ne touche qu'une partie des lames du collecteur, par exemple les lames No 0,3, 6,9 etc ; ou 0, 4, 8,12 etc; le balai peut alors avoir une largeur supérieure à une lame (respectivement 2 lames et 3 lames dans les deux exemples cités). Cette solution a, en outre, l'avantage de mieux utiliser le ou les collecteurs, du fait de la suppression des lames passives (isolantes 'ou conduc- trices isolées) et de leur remplacement par des lames actives, les différents jeux de lames étant reliés à des circuits diffé- rents de l'induit.
Par ailleurs, si l'utilisation de certaines selfs ou
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'résistances est avantageuse au démarrage, il peut être désirable d'en changer la valeur lorsque la vitesse croît et que la durée de la commutation de chaque spire diminue ; rienn'empêche de faire varier la valeur de ces selfs ou résistances lorsque la vitesse varie. 1
Dans le cas où on veut utiliser pour le collecteur deux ou plusieurs jeux de lames de commutation décalés, d'une part longitudinalement, dans-le sens de l'axe du moteur et d'autre part dans le sens de la circonférence, il peut être avantageux de simplifier les liaisons électriques entre les enroulements de l'induit et les lames de collecteurs en disposant les jeux de lames aux deux extrémités opposées du rotor.
Cette dernière disposition a été représentée schématique- ment fig. 4 des dessins annexés sur laquelle on a indiqué en 21 le corps du rotor, en 22 un jeu de lames de commutation formant un élément du collecteur à une extrémité du rotor, en 23 un autre jeu de lames de commutation formant l'autre élément du collecteur à l'autre extrémité du rotor et en 24 et 25 les balais subdivisés associés.
Bien entendu, les balais subdivisés doivent être correc- teuient placés selon la nature de l'enroulement, notamment selon qu'il s'agit d'enroulements imbriqués ou ondulés.
Une autre disposition intéressante au point de vue constructif consiste à utiliser les propriétés des enroulements ondulés. Les enroulements touchent successivement des lames de collecteurs très éloignées les unes des autres; cela facilite la subdivision des balais dans le sens de la circonférence
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électrique du tuLLeoLel1L', riauij.ILU 1'liirurLioJn do mollir oL du résistances entre la source et les balais, et réduit le nombre de collecteurs nécessaires. Cette disposition est représentée fig. 5.
Sur cette figure qui est un développement schématique des connexions, on a indiqué en 26 l'induit, en 27 une spire de cet induit, en 28 le collecteur, -et en 29-30 deux lames en contact avec les deux élémenta 31-32 d'un balai subdivisé relié à la
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source en 33 par l'intermédiaire de selfs ou résistances ou les deux à la fois.
Bien entendu, les différents procédés visés ci-dessus pouvent être utilisés simultanément, notaient l'emploi d'enrou- lements multiples et l'utilisation d'enroulements ondulés, ce qui permet de réduire le nombre de collecteurs et d'accroître la largeur des balais.
Les dispositions préconisées, bien qu'indiquées plus particulièrement pour des moteurs sont applicables aussi bien eux génératrices. Elles permettent on outre d'améliorer la com- mutation et sont avantageuses non seulement dans le cas du cou- rant alternatif mais encore dans celui du courant continu.
L'invention permet de fabriquer des moteurs et généra- trices fonctionnant d'une manière satisfaisante avec les courants de fréquence habituelle, au lieu qu'on soit obligé d'avoir recours aux courants de faible fréquence, notamment aux courants à 25 ou 16 2/3 périodes. Elle permet aussi d'améliorer les machines à faible fréquence ou à courant continu et notamment d'accroître leur puissance ainsi que leur tension de fonctionnement.
Parmi les applications possibles des dispositions qui précédent, on peut citer : - les moteurs monophasés de tra'ction à fréquence indus- trielle (50 périodes en France), pour chemins de fer, tramways, électrobus, etc...
- les moteurs monophasés ou polyphasés à fréquence industrielle et à vitesse et couple variable pour remplacer les moteurs actuels à courants continu, par exemple pour certaines machines-outils (tours à roue), les machines d'extraction des les ponts tournants mines, les machines marines, ;on supprime dans ce cas le groupe retstif fournissant le courant continu qui est généralement nécessaire.
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IMPROVEMENTS TO ELECTRIC MOTORS & GENERATORS WITH MANIFOLD
Motors and generators with collectors have the drawback of having short-circuited turns as a result of the contact of the same brush with several conductive blades of the collector. This results in difficulties or inability to use, particularly in the case of motors supplied with alternating current, and the difficulties increase with increasing voltage or frequency.
Moreover, it is difficult to achieve a good
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switching in direct or alternating current motors and generators due to the fact that the main phenomena occur in the brushes and in contact with the brushes and the collector and that only a limited number of means of action are available for adjust the distribution and intensity of electric currents.
In the discussion below, the term “brush” will be used in the general sense of a line of brushes and the usual power supply wire of the brush will be called “source”, this wire being able to pass through other circuits. machine before being connected to the electrical network outside the machine.
The object of the invention is to remedy the drawbacks mentioned above and it essentially consists of:
1) to subdivide each brush into two or more parts in the direction of the electrical circumference of the collector,
2) moving the conductive strips of the collector away from each other in the direction of the circumference and possibly in the axial direction, and to separate them by insulating strips of appreciable width; ,
3) to combine the width of the brushes and the blades and to arrange these elements so that each brush never touches one blade of the collector at a time;
4) to be inserted between the subdivided brushes or between the brushes and the source or both inductors or resistors or both at the same time, these circuits being able also to pass through transformers, capacitors, generators, exciters, 'etc. .. external to the machine or on the poles of the machine itself with a view in particular to canceling or eliminating the troublesome electromotive forces. The chokes and resistors make it possible in particular to limit the short-circuit current but they can have other functions. The chokes can be wound together so as to add for the short-circuit current and to withdraw for the main current.
In addition, the chokes, resistors and windings relating to the brushes of the various poles of the machine can be combined with each other. Finally an auxiliary generator, fixed at the end of the shaft, the number of poles of which is
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in relation to the number of blades of the collector can provide the necessary back-electromotive forces.
To make the invention fully understood, explanatory diagrams have been shown with the annexed drawings in which: FIG. 1 is a partial schematic section of a collector in contact with a brush according to the usual arrangement; FIG. 2 is a similar section showing the principle of the recommended arrangement conforming to the invention and, FIG. 3 shows in perspective a part of a collector with a brush subdivided in accordance with the invention, according to an exemplary embodiment which seems particularly advantageous.
In the usual arrangement, the brush 1, connected to the source 2, comes into contact with the conductive blades 3 separated by very thin insulating blades 4; as shown in FIG. 1, the brush 1 covers several conductive blades with rowan that the turns whose ends are connected to these blades are short-circuited.
In the arrangement recommended according to FIG. 2, the conductive blades 5 are separated by insulating blades 6 of width such that none of the associated brushes 7-8 touches several blades 5 at the same time, whatever the position of the rotor. The two brushes 7-8 are connected to each other and to the source 2 by resistors, chokes and coils indicated in 9-10.
The blades affected by items 7-8 may or may not be consecutive. The spacing of the elements 7-8 in the direction of the circumference of the collector can differ from the spacing of the conductive blades of the collector so that at each moment of the rotation of the rotor, the total section of the passage of the current is sufficient. .
In the particular embodiment shown in Figure 3, the manifold, instead of comprising a single set of blades, comprises two sets offset on the one hand longitudinally, in the direction of the axis of the engine, and on the other hand in the sense of circumference.
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The conductive blades of the two sets have been indicated respectively at 11-12 and the insulating blades at 13-14, the conductive blades of one of the sets being opposite the insulating blades of the other. The width of the two categories of blades can also differ, so that the total circumferential length of all the conductive blades can exceed the circumference of the collector if such an arrangement is recognized as useful, taking into account the width of the brushes. . The turns of the armature are joined alternately to the two collectors.
Each collector section which carries a set of blades is associated with the usual lines of brushes arranged longitudinally in the same electrical axial plane and the brushes, indicated at 15-16, are of such a width that they do not touch only one conductive blade at a time; they may be of sufficient width to ensure at any time a sufficient passage section for the current ,.
The brushes 15-16 are joined to each other and to the current source 2 via chokes or resistors 17-18 or a combination of chokes, resistors and coils.
It will be understood that the embodiments described above and shown in Figures 2 and 3 of the drawings are in no way limiting and that various modifications could be made without departing from the scope of the invention. In particular, in an embodiment similar to that of FIG. 3, the collector could comprise more than two sets of conductive blades.
The expression "insulating blades" employed previously applies to blades which do not. not part of the electrical circuits; in other words, these blades can be of an electrically insulating material or of a conductive material but then isolated from the circuits of the windings; in the case of insulated conductive blades, these will be placed
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u111.! 'u tlOlt "InutCfj ii <il.n 1; e:, pnr 0:': u '' '1110 on mine, f!) n.iu ld" (:,;;, 0 will be linked to none electrical circuit The insulating material blade may however be preferable to reduce flashes.
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In certain cases, the subdivision of the brushes in the circumferential direction, provided for above, can lead to practical difficulties resulting from too small a width of the subdivided brushes.
These difficulties can be remedied first liou, either by increasing the diameter of the collector, or by using brushes, certain sectors of which will have no electrical role but only a supporting role in supporting the electrically active parts of the brushes.
Regarding the nature of the brushes, it will be observed that it is no longer necessary to seek to obtain a relatively high electrical resistance of the brushes and of the brush-collector contact (which heats the brush and the collector) since the necessary resistance can be transferred outside the machine. It is therefore possible to envisage brushes of a different nature from the usual brushes, and in particular metal brushes, possibly made of cast iron or of stainless metal such as silver.
It is also possible to seek to increase the width of the brushes by different devices still respecting the fundamental notion of the invention according to which no turn or no circuit of the armature must be put into a straight short circuit, that is to say without insertion of resistors or chokes, except perhaps for very short instants.
In this connection, the armature may have multiple windings, so that a given winding only touches a part of the blades of the collector, for example the blades No.3, 6.9 etc; or 0, 4, 8,12 etc; the broom can then have a width greater than one blade (respectively 2 blades and 3 blades in the two examples cited). This solution also has the advantage of making better use of the collector (s), due to the elimination of passive blades (insulating 'or isolated conductors) and their replacement by active blades, the different sets of blades being connected to different circuits of the armature.
Moreover, if the use of certain chokes or
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'resistances are advantageous at start-up, it may be desirable to change their value as the speed increases and the duration of the switching of each turn decreases; nothing prevents the value of these chokes or resistors from varying when the speed varies. 1
If it is desired to use for the collector two or more sets of offset switching blades, on the one hand longitudinally, in the direction of the axis of the motor and on the other hand in the direction of the circumference, it can It may be advantageous to simplify the electrical connections between the windings of the armature and the manifold blades by arranging the sets of blades at the two opposite ends of the rotor.
This latter arrangement has been shown schematically in FIG. 4 of the accompanying drawings in which is indicated at 21 the body of the rotor, at 22 a set of switching blades forming an element of the collector at one end of the rotor, at 23 another set of switching blades forming the other element of the rotor. collector at the other end of the rotor and at 24 and 25 the associated subdivided brushes.
Of course, the subdivided brushes must be correctly placed according to the nature of the winding, in particular according to whether they are nested or wavy windings.
Another advantageous arrangement from the constructive point of view consists in using the properties of corrugated windings. The windings successively touch the plates of collectors very distant from each other; this facilitates the subdivision of the brushes in the direction of the circumference
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The electrical power of the tuLLeoLel1L ', riauij.ILU 1'liirurLioJn do soften the resistances between the source and the brushes, and reduce the number of collectors required. This arrangement is shown in fig. 5.
In this figure which is a schematic development of the connections, the armature 26 has been indicated, at 27 a turn of this armature, at 28 the collector, and at 29-30 two blades in contact with the two elements 31-32 a subdivided broom connected to the
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source at 33 via chokes or resistors or both at the same time.
Of course, the various methods referred to above can be used simultaneously, noted the use of multiple windings and the use of corrugated windings, which makes it possible to reduce the number of collectors and increase the width of the collectors. broom.
The provisions recommended, although indicated more particularly for motors, are applicable to both generators. They also make it possible to improve switching and are advantageous not only in the case of alternating current but also in that of direct current.
The invention makes it possible to manufacture motors and generators which operate satisfactorily with currents of the usual frequency, instead of having to resort to low frequency currents, in particular currents at 25 or 16 2. / 3 periods. It also makes it possible to improve low-frequency or direct-current machines and in particular to increase their power as well as their operating voltage.
Among the possible applications of the above provisions, we can cite: - single-phase motors for industrial frequency (50 periods in France), for railways, tramways, electrobus, etc ...
- single-phase or polyphase motors at industrial frequency and variable speed and torque to replace current direct current motors, for example for certain machine tools (wheel lathes), mining machines for turning bridges, machines marine; in this case the retstif group supplying the direct current which is generally necessary is eliminated.