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Machines électriques à induite multiples.
Les machines électriques de construction normale sont composées au moins de deux parties dont l'une est fixe et l'autre tournante, chacune des parties contenant au moins un bobinage. Undes bobinages sert en règle générale à la formation du champ magnétique et est monté dans la partie de la machine appelée inducteur, l'autre bobinage étant le bobinage appelé induit lequel sert à l'échange d'énergie entre la machine et le réseau extérieur auquel elle est con- nectée. Les fonctions d'inducteur de d'induit sont tout spé- cialement bien déterminées dans les machines synchrones à courant alternatif et dans les machines à courant continu normales. L'inducteur se trouve d'habitude dans le rotor des machines synchrones et dans le stator des machine. ,
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courant continu.
Dans les machines asynchrones à courant alternatif, le bobinage du rotor qui fonctionne comme indue teur reçoit par transformation son énergie de l'induit qui se trouve dans le stator. Il est connu que l'on peut influ- encer la vitesse des machines asynchrones de part et d'autr de leur vitesse nominale synchrone en introduisant dans le circuit de leur rotor une force électromotrice additionnelli de fréquence correspondant au glissement. Ce système est tout spécialement utilisé pour l'échange d'énergie entre réseaux non synchronisés, échange devant pouvoir se faire dans les deux sens, indépendamment du rapport des fré- quences. Mais ce dispositif n'a pour but qu'un réglage de vitesse de quelques pour cent de part et d'autre de la vitesse nominale.
Si d'autre part on veut obtenir des machines sans collecteur ayant des vitesses plus élevées que la vitesse nominale des machines à deux pôles pour la fréquence donnée on est obligé de construire des machines compliquées à double rotor. L'utilisation du bobinage d'une des parties d'une machine électrique exclusivement dans le but de produire le champ inducteur occasionne des pertes et limite le degré d'utilisation des machines.
Selon l'invention nous proposons de construire des ma- chines électriques dont les bobinages se trouvant dans le stator et le rotor fonctionneraient en même temps comme bobinages inducteur et induit, le champ inducteur n'étant plus stationnaire ou presque par rapport à l'une des parties des machines électriques, mais étant au contraire tournant
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à une vitesse inférieure, par exemple de moitié, à celle du rotor.
On obtiendra la position de phase désirée du champ induc- teur éventuellement à l'aide de condensateurs dans le cas de machines à courant alternatif, et même dans celui de celles à courant continu, dans lesquelles on pourra toute- fois encore agir sur le décalage du champ magnétique en influençant la position des balais.
La construction proposée permet théoriquement de doubler la vitesse limite des machines électriques et par conséquent d'augmenter considérablement leur puissance, ou réciproque- ment de réduire considérablement les dimensions d'une machine de puissance donnée. Dans certains cas on pourra encore augmenter le rendement ou même le facteur de puis- sance par rapport aux machines de construction classique.
La fig. 1 présente une machine électrique à courant alternatif dans laquelle le stator et le rotor sont pourvus de bobinages semblables 1 et 2, destinés tous deux à être connectés au réseau 4, le bobinage 1 du stator directement, tandis que le bobinage 2 du rotor sera connecté par l'entre- mise des bagues 3. Dans le cas où le bobinage 2 ne serait pas identique au bobinage 1, ou si un décalage de phase peut être utile, il sera possible d'utiliser la machine en intercalant entre le réseau 4 et le bobinage 2 un transformateur, auto- transformateur ou régulateur d'induction 6. En outre, et pour des raisons de stabilité, ou pour améliorer le cos @ on pourra introduire entre les bornes du stator et certains points du bobinage 1, des condensateurs 7.
On pourrait aussi monter des condensateurs semblables entre certains points du
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bobinage du rotor, condensateurs qui devraient être, ou tournant avec le rotor, ou connectés au bobinage 2 de ce dernier par l'intermédiaire de bagues 3 supplémentaires.
La fig. 2 montre une vue latérale de la machine montrée schématiquement par la fig. 1, vue latérale permettant de rendre compte de la position du bobinage du stator 1, de celui du rotor 2 ainsi que des bagues 3, et de l'alimen- tation par le réseau 4. Il serait du reste possible d'alimen- ter le stator seulement par le réseau 4, et le rotor par un deuxième réseau 8 dont la fréquence pourrait être différente de celle du réseau 4 ; lechangement d'alimen- tation pourrait être obtenu en manoeuvrant le commutateur 5.
Le fonctionnement de la machine présentée par les fig. 1 et 2 sera le suivant : le rotor sera tout d'abord alimenté par le réseau 4, le bobinage 2 du rotor étant mis en court-circuit à l'aide du commutateur 5. On obtient ainsi une machine asynchrone normale, qui si elle a par exemple deux pôles tournera à une vitesse un peu inférieure à trois mille tours dans les réseaux à 50 périodes et un peu inférieure à 1800 tours dans les réseaux à 60 périodes.
Pour atteindre la vitesse supérieure à laquelle notre machine est principalement destinée, il faudra par contre la lancer mécaniquement à l'aide d'une machine auxiliaire, quelconque, jusqu'au double de sa vitesse synchrone, l'interrupteur 9 de synchronisation étant ouvert ; quand le double de la vitesse synchrone est atteint, et la concordance de phase obtenue on fermera l'interrupteur 9 ; La machine est alors synchronisée au courant alternatif et tournera au double de la vitesse d'une machine corres- pondante synchronisée au courant continu. Les condensateurs
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7 assureront la stabilité de la machinele champ tournera à 2 vite... en avant par rapport au stator, et àvitesse en arrière par rapport au rotor, la vitesse du rotor étant égale à l'unité.
Si, selon fig. 2 on alimente le stator par le réseau 4, et le rotor par le réseau 8, on obtiendra dans le cas d'une machine à deux pôles une vitesse positive du champ de 60 fois la fréquence du réseau 4 par rapport au stator, et une vitesse négative de 60 fois la fréquence du réseau 8 par rapport au rotor, la vitesse en tours/min. du rotor étant alors de 60 fois la somme des fréquences des réseaux 4 et 8, et étant admise positive. Si dans ce dernier cas on inverse le sens de rotation de champ de l'un des bobinages, on ob- tiendra comme vitesse synchrone la différence des fréquences des réseaux 4 et 8 multipliée par 60.
Si dans le cas de la fig. 1 on fait la même inversion on obtiendra une vitesse synchrone du rotor identiquement nulle, qui correspond à un blocage électrique de ce dernier, blocage présentant un caractère élastique car l'angle du rotor par rapport au sta- tor est alors fonction du couple applique au rotor.
La synchronisation de la machine synchrone telle qu'elle est présentée par les fig. 1 à 4, est dans le cas aussi où elle fonctionnerait comme commutatrice peut avoir lieu élec- triquement à l'aide d'une machine asynchrone auxiliaire à bagues.
Les 2 machines sont d'abord lancées comme machines asyn- chrones, puis le circuit de rotor de la machine à synchroni- ser est ouvert et cette machine est accouplée mécaniquement à la machine auxiliaire de telle façon que la machine à syn- cnroniser tourne de quelques pourcent plus vite que le champ ae son stator ; à ce moment-là, les rotors des deux mâchées
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sont interconnectés, et la machine auxiliaire freinée mé niquement. La machine auxiliaire a une position électriqt identique à celle du transformateur 6 dans la fig. 1. Que la machine auxiliaire est totalement bloquée, elle cesse d'être un transformateur de fréquence et alimente le rote de la machine 1 à la fréquence désirée, soit du réseau 4, soit du réseau 8 selon les cas, et la synchronisation de machine principale est obtenue.
Il suffit alors de déplac le commutateur 5 de la position nulle à la position de ré seau désirée. La fig. 1 présente la machine avec des enro; ments schématiques simplifiés, montés en parallèle. Dans fig. 3, les enroulements sont montés en série et alimenté: par le réseau 4. Les condensateurs 7, qui peuvent être aus des condensateurs variables sont connectés entre le statoi et le rotor éventuellement aussi à l'aide d'un transforma- teur, autotransformateur ou régulateur d'induction 6 dont les rapports de transformation peuvent aussi être variable
La fig. 4 présente le schéma d'une machine asynchrone s chronisée au courant alternatif monophasé dans laquelle le réseau 4 alimente le bobinage 1 du rotor et le bobinage 2 du stator en série.
Dans ce schéma le rotor compte encore bobinage auxiliaire 10 alimenté en série avec des condensa. teurs et dérivé en oarallèle du bobinage 1.
Un bobinage auxiliaire de ce genre pourrait aussi être installé dans le rotor. Les machines décrites peuvent être utilisées comme générateurs ou moteurs, en particulier dan: le cas où une très grande vitesse est désirée, ce qui sera plus souvent le cas pour les petites unités, mais elles per mettent de faire des turbo-générateurs à très grande vitess ainsi que des petites installations entièrement automatique car elles peuvent fonctionner comme machines synchrones
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sans source auxiliaire de courant continu pour l'excitation.
Ces machines sont donc susceptibles d'être- utilisées partout où il n'est pas indispensable de faire un réglage fin de la vitesse. Ce réglage fin serait du reste encore possible à l'aide d'un réseau 4 dans lequel on agirait sur la fréquence mais si deux fréquences sont à disposition, dont l'une, celle du réseau 4 serait par exemple de 50, et celle du réseau 8 de 2/3 de celle du réseau 4, on obtiendrait le tableau des vitesses suivant :
Si la fréquence est de 50 :
EMI7.1
<tb> échine <SEP> alimentée <SEP> en <SEP> asyn- <SEP> 2/e. <SEP> 60 <SEP> . <SEP> f4 <SEP> 2000
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<tb> chrone <SEP> par <SEP> le <SEP> réseau <SEP> 8
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<tb> Machine <SEP> alimentée <SEP> en <SEP> asynchrone
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<tb> Rotor <SEP> et <SEP> stator <SEP> alimentés
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<tb> dans <SEP> le <SEP> même <SEP> sens <SEP> par <SEP> chacun <SEP> 1 <SEP> . <SEP> 60 <SEP> .
<SEP> f4 <SEP> 1000
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<tb> des <SEP> 2 <SEP> réseaux
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<tb> Rotor <SEP> et <SEP> stator <SEP> alimentés
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<tb> à <SEP> différents <SEP> sens <SEP> par <SEP> chacun <SEP> 5/3. <SEP> 60 <SEP> . <SEP> f4 <SEP> 5000
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<tb> des <SEP> 2 <SEP> réseaux
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<tb> Machine <SEP> synchronisée <SEP> à <SEP> l'al- <SEP> 4/3. <SEP> 60 <SEP> . <SEP> f4 <SEP> 4000
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<tb> ternatif <SEP> sur <SEP> réseau
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<tb> Machine <SEP> synchronisée <SEP> à <SEP> l'al-
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<tb> 2 <SEP> . <SEP> 60 <SEP> .
<SEP> f4 <SEP> 6000
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<tb> tenatif <SEP> sur <SEP> réseau <SEP> 4
<tb>
On a donc de cette façon 6 vitesses étagées de sixième en sixième.
L'utilisation de machines asynchrones synchronisées à l'alternatif pourrait même être intéressante dans la
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traction à 16 2/3 périodes ou à 25 périodes, les machines pouvant atteindre respectivement 2000 ou 3000 tours, et de plus petites unités pouvant alors être construites. Les machines seront toujours robustes, puisqu'elles peuvent être construites sans collecteur, et seront utilisables tant dans l'industrie que dans n'importe quel genre de traction.
La fig. 5 montre une machine à 2 enroulements inducteur et induit et à deux collecteurs, machine ayant la carac- téristique d'une machine série à courant continu. Le col- lecteur 11 correspondant à l'enroulement 1 du stator est stationnaire, tandis que le collecteur 12, correspondant à l'enroulement 2 du rotor tournera à la vitesse de ce dernier. Les balais 13 des 2 collecteurs doivent tourner à la vitesse de rotation du champ magnétique, vitesse dé- terminée par le jeu d'engrenages 15. Les bagues 3 tournent aussi à la vitesse du champ magnétique, tandis qu'elles sont connectées au réseau 4, par des balais 13 qui sont stationnaires.
La fig. 6 est une vue latérale de la machine présentée par la fig. 5. Dans cette figure, le dispositif d'engre- nages 15 entraîne un disque 16, lequel entraîne les bagues 3, les balais des collecteurs 13 et d'éventuels pôles auxiliaires de commutation 14 à la vitesse du champ magné- tique, qui est une vitesse comprise entre 0 et celle du rotor. Cette vitesse est la moitié de celle du rotor dans le cas de la fig. 6 car le dispositif 15 est fixé d'une part à l'arbre 18 du rotor, d'autre part à un support sta- tionnaire 17 par de grandes roues coniques qui agissent indirectement sur le disque 16 par de petites roues coniques @
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intermédiaires. Le dispositif 15 peut être construit de façon à produire d'autres vitesses du champ magnétique.
Dans les fig. 5 et 6, les enroulements 1 et 2 sont connectés en parallèle.
La fig. 7 présente une machine semblable à celle de la fig. 5 mais dans laquelle les bobinages 1 du stator et 2 du rotor sont connectés en série au réseau du courant continu 4.
Si les enroulements de la machine, selon fig. 5 sont simultanément connectés à un réseau continu et à un réseau alternatif selon fig. 1 on obtiendra une commutatrice syn- chrone dont le cos pourra être amélioré par des conden- sateurs 7.
La machine de la fig. 5 sera avant tout utilisée comme moteur à courant continu de caractéristique série. Cette machine ne pourra vraisemblablement pas fonctionner comme générateur auto-excité. Une batterie éventuelle oourra pour- voir à l'excitation ou au moins à son amorçage, excitation qui pourra être amplifiée par des condensateurs tels que ceux désignés sous chiffre 7 dans les fig. 1, 3, et 4.
La fig. 8 présente l'utilisation de machines selon l'in- vention dans le cas de l'entraînement d'une machine d'indus- trie 21.Les machines 19 et 20 sont accouplées à deux arbres différents d'un différentiel 23 au troisième arbre duquel est accouplée la machine à entraîner 21.20 est une machine asynchrone ordinaire à induit en court circuit par exemple, dont la position d'arrêt est assurée par le frein electro- magnétique 24, et dont le sens de rotation peut être changé à l'aide de l'inverseur 25. Dans l'exemple décrit, nous su 'posons que cette machine est prévue à deux pôles tournan:
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à environ 3000 tours dans le cas où le réseau 4 est à 50 périodes.
La machine 19 est supposée à 4 pôles, tournant à une vitesse un peu inférieure à 1500 tours avec induit en court circuit, et à une vitesse de 3000 tours quand elle fonctionne en machine synchrone, synchronisée au courant alternatif. Le commutateur 5 relie son rotor au réseau 4, l'interrupteur 9 étant enclanché. Pour synchroniser la machine 19 on procédera de la faon suivante : la machine 20 sera enclanchée en marche arrière, l'interrupteur 9 étant ouvert, et le commutateur 5 en position de court circuit.
Dans cette éventualité, le frein électromagnétique 22 agis- sant sur l'arbre de la machine entraînée se trouve bloqué et le différentiel impose à la machine 19 une vitesse voisine de 3000 tours dans le sens positif. Le commutateur 5 est alors déplacé sur la position du réseau, et l'inter- rupteur 9 fermé au moment de la concordance des phases, con- trôlée par des moyens connus. Le frein 22 se trouve simul- tanément débloqué et les deux machines 19 et 20 tournent respectivement aux vitesses + 3000 et - 3000 tours, de telle façon que la vitesse de la machine à entrainer 21 reste pratiquement nulle. Si maintenant, on ouvre l'inter- rupteur 29 commandant la machine 20, celle-ci se trouve progressivement freinée par le frein électromagnétique 24 et la machine 21 se met à tourner jusqu'à la vitesse de 1500 tours.
Si maintenant on enclanche le commutateur 5 sur la position de court-circuit, la vitesse de la machine sera un peu inférieure à 750 tours, le rapport des engrenage du différentiel 23 étant supposé de 1/1/1. Si dans cette position la machine 20 est enclanchée dans le sens +, la machine 21 tournera à 2250 tours environ et si les deux
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machines 19 et 20 sont connectées de façon à ce qu'elles tournent toutes 2 à 3. 000 tours, la machine 21 tournera aussi à 3.000 tours.
La fig. 9 représente un schéma d'entraînement Diesel électrique destiné par exemple à l'entraînement de l'hélice ou des roues d'un bateau. Ce dispositif est caractérisé par le fait que sur l'arbre du moteur 26 est montée une machine principale 20 devant fonctionner comme générateur principal pour actionner le moteur 19 dont la vitesse est réglée par l'action, sur le bobinage de son rotor, de la machine 27, laquelle est entraînée par le moteur 26 à l'aide d'un dis- positif différentiel électromécanique oermettant de régler la vitesse de la machine 27 au moins en partie indépendamment de celle du moteur 26. Le dispositif de transmission électromécanique comporte une excitatrice 28, deux machines principales à courant continu 29 et 30 et un différentiel 23.
Le régulateur de courant 32 monté en série avec les machines 29 et 30 agit par l'intermédiaire du potentiomètre 33 sur le bobinage 34 de l'excitation de la machine 29, la machine 30 étant excitée d'une façon constante par le bo- binage 31. L'intensité du courant traversant le régulateur 32 est fixée par la position du levier 37 agissant sur le ressort 38 et par son entremise sur la position du potentio- mètre 33. Ce dispositif permet d'obtenir un couple constant d'entraînement de la macnine 27, quelle que soit sa vitesse, et par conséquent une puissance constante de la machine 19.
Si l'on admet que la génératrice 20 est construite pour la puissance totale du moteur Diesel 26, la puissance nominale de la machine 27 n'aura besoin d'être que d'un tiers et celle des machines 29 et 30 que d'un sixième de celle de la
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machine 26 si l'on veut pouvoir obtenir un réglage de vitesse de la machine 19 de plus ou moins 33 % c'est à dire de 1 à 2 indépendamment de la vitesse du moteur Diesel 26. Un ré- gulateur de vitesse 39 agissant en fonction de la vitesse du moteur Diesel 26, par exemple, pourrait agir sur le po- tentiomètre 33 à la place du régulateur d'intensité 32. On pourrait aussi avoir simultanément le réglage du couple par le régulateur d'intensité 32 et le réglage de la vitesse du moteur 26 par le régulateur 39.
La fig. 10 montre un exemple d'utilisation des machines à induits multiples 19 et 20 appliquée à la traction ferro- viaire telle qu'automotrice ou locomotive électrique ali- mentées en particulier par du courant alternatif monophasé à fréquence industrielle (50 ou 60 périodes)L'énergie est fournie par la ligne de contact 37 qui alimente tout d'abord l'autotransformateur 6 duquel est dérivée une tension à prises réglables destinée à alimenter le condensateur 7 qui sera utilement un condensateur variable de façon à obtenir du courant triphasé dans le réseau interne 4 par la méthode sus-indiquée connue.
Les machines 19 et 20 peuvent donc avoir deux vitesses, soit qu'eles fonctionnent en machines asyn- chrones, le commutateur 5 étant en position de court-circuit, soit qu'elles fonctionnent en machines asynchrones synchro- nisées au courant alternatif, rotor et stator étant reliés chacun pour soi au réseau 4. La première vitesse correspond- rait utilement à l'entraînement des trains de marchandises, et la deuxième vitesse, du double de la première, à celui des trains express ; si les vitesses sont réglables de 1 à 3, et la locomotive construite pour 150 km/h, la position pour train de marchandises permettrait de rouler de 25 à 75
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km/h, et la position pour train de voyageurs de 50 à 150 km/h, en régime continu.
La machine 19 est destinée exclusivement à l'entraîne- ment de la machine à courant continu 29, et à l'excitatrice 28, tandis que la machine 20 est accouplée par l'intermédi- aire d'un différentiel 23 à un des axes de traction 21 en même temps que la machine à courant continu 30. Dans la règl il sera installé un différentiel 23, une machine 20 et une machine 30 pour chacun des axes de traction 21, les machines 20 ou les machines 30 étant normalement connectées entre elles en parallèle.
Si l'on désire en service continu avoir une possibilité de réglage de 1 à 3, la puissance des machin 30 pourra être prévue pour la moitié de celle des machines 2 Si l'on admet par exemple que le présent dispositif est appl qué à une locomotive à 4 essieux de traction d'une puissance totale de 3600 CV on devra installer dans cette locomotive les machines électriques suivantes :
EMI13.1
<tb> 1 <SEP> machine <SEP> 19 <SEP> de <SEP> 1200 <SEP> CV
<tb>
<tb> 4 <SEP> 20 <SEP> " <SEP> 600 <SEP> "
<tb>
<tb> 1 <SEP> " <SEP> 29 <SEP> " <SEP> 1200 <SEP> "
<tb>
<tb> 4 <SEP> " <SEP> 30 <SEP> " <SEP> 300 <SEP> "
<tb>
<tb> 1 <SEP> excitatrice <SEP> 28 <SEP> " <SEP> 120 <SEP> "
<tb>
Le régulateur 32 agissant sur le potentiomètre 33 permett:
de maintenir le couple de la locomotive constant pour chaque position fixée pour le levier 39, lequel déterminera la ten- sion du ressort 38 agissant sur le dispositif d'un réglage.
Tout le dispositif décrit est réversible, et la locomotive présente une puissance de freinage égale à sa puissance de tr-ction.
La fig. 11 montre l'utilisation d'une machine 19 selon
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l'invention destinée à l'entraînement d'un trolleybus ; cette machine sera utilement une machine synchronisée au courant alternatif, monophasée, par exemple à 6. 000 volts. Elle pourrait être polyphasée si l'on utilisait un dispositif électrostatique de transformation comme celui décrit dans la fig. 10. L'énergie de la machine synchrone 19 est transmise aux roues de traction du trolleybus par l'entre- mise d'un dispositif différentiel électromécanique composé des machines 29 et 30 excitées à l'aide de l'excitatrice 28 et dont l'énergie est réglée par le régulateur d'intensité 32 agissant sur le potentiomètre 33.
Pour que ce trolleybus puisse fonctionner au moins temporairement dans des régions non pourvues de ligne de contact, il est pourvu d'un volant 38 qui peut être lancé par la machine 30 lorsque l'embrayage 39 est débrayé, la machine 30 étant alimentée par la machine 29 fonctionnant en générateur et entraînée par la machine 19 alimentée par le réseau. En déplaçant l'embrayage 39 jusqu'à la position où il sera bloqué par des machoires 40, le trolleybus pourrait fonctionner sur des parcours droits par exemple à vitesse synchrone, les machines 29 et 30 ayant été préalablement amenées à la même vitesse ; pendant cette circulation, l'excédent d'énergie pourrait servir à lancer le volant.
Un moteur auxiliaire 26, qui deut être avec intérêt un mo- teur à explosion, permettrait de mainteir plus longtemps le fonctionnement du trolleybus hors du réseau électrique d'ali- mentation. uand le véhicule est entraîné par le volant 38 ou par le motet 26, le rôle des machines 29 et 30 est inversé à l'aide du commutateur 5. Le volant sera surtout utilisé en trafic
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intermittent, car il permettra d'utiliser un moteur 26 beaucoup plus faible, de l'ordre de grandeur de la moitié d'un moteur devant remplir le même but, en Darticulier si l'on renvoie au volant 38 l'énergie de freinage ainsi récupérée.