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SOCIETE D'EXPLOITATION DE BREVETS. PARIS (FRANCE) .L'invention concerne les macnines cynamo-electriques du type dans leouel l'excitation peut être commandée au moyen d'un signal de faible amplitude de sorte que la machine fournit une puissance amplifiée corrélative à l'amplitude du signal de commande.
L'invention a pour but de réaliser une machine analogue dans laquelle une disposition particulière des enroulements inducteurs et l'adjonction d'enroulements spéciaux permet de simplifier la construction de la machine et d'améliorer ses qualités de sensibilité, de stabilité et de fidélité.
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L'invention consiste en une machine dynamo-électrique comprenant un circuit magnétique multipolaire avec un indui: bobine à collecteur, un groupe de balais primaires et un groupe de balais secondaires décalés par rapport aux précédents pour constituer respectivement dans l'induit un circuit primaire et un circuit secondaire, une connexion rc liant au moins deux balais primaires, au moins un enroule- ment de commande agencé pour créer une différence de poten- tiel entre deux balais secondaires,
deux balais secondaires de potentiels différents étant reliés par un circuit inter- ne comprenant au mu@@ un enroulement compensateur-excitate agencé de manière à compenser le flux de réaction d'induit d'une voie d'enroulement secondaire et créer un flux ex- citateur en sens inverse dudit flux de réaction d'induit secondaire pour produire une magnétisation multipolaire à pôles conséquents dudit circuit magnétique et des moyens pour connecter un circuit de charge d'une part en un point du circuit de l'enroulement compensateur-excitateur et d'autre part à la connexion des balais primaires.
D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre ; au dessin annexé, sur lequel les mêmes numéros de références désignent les mêmes pièces dans toutes les figures ;
La fig.l représente une machine à quatre pôles suivant l'invention ; la fig.2 est un schéma des circuits de la machine de la fig.l ; la fig.3 représente là machine de la fig.l. équipée d'enroulements de compensation ; la fig.4 est un schéma des circuits de la machine de la fig.3 ; la fig.5 représente une forme de réalisation simplifiée de la machine;
la fig.6 illustre une variante des enroulements d'en- tretien du flux principal de la machine ;
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la Fig.7 représente une machine analogue agencée de manière à avoir ses balais également chargés; la Fig.8 montre le mode déconnexion des enroulements de commutation; la Fig. 9 illustre une modification du circuit de commande; le Fig.10 représente une machine munie d'un dispositif d'asservissement; la Fig.ll est une variante de la figure précédente.
Le dessin illustre l'application dé l'invention à une machine à quatre pôles; il est précisé toutefois que l'invention s'applique aussi bien à une machine ayant un nombre de pôles différent et en particulier multiple de quatre.
Suivant l'exemple représenté la machine comporte) une carcasse 1 munie de pôles désignés par leurs axes @,
Q, R, S et un induit 2 muni d'un collecteur auquel est relié un bobinage d'induit à courant continu normal qui est par exemple du type imbriqué tétrapolaire.
Comme on le verra par la suite divers courants prennent naissance dans l'induit pendant le fonctionnement de la machine. Le sens de l'un de ces courants est indiqué par un signe (6) quana le courant sort de la figure et par un signe (+) quand il y rentre. La distribution de ces courants dans la couche externe de conducteurs de l'induit est matérialisée par différentes couches de signes (o ) et (+) réparties à la périphérie de l'inauit 2. Ce dernier comporte un groupe de balais primaires 3,4 et un groupe de balais secondaires 5,6 décalés d'environ180 électriques par rapport aux précédents de manière à former respective- ment dans l'induit un circuit primaire et un circuit
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secondaire.
Le circuit primaire est ferme par une connexion 7 reliée à une borne d'utilisation 8 de la machine.
L'excitation du circuit primaire est obtenue au moyen d'au moins un enroulement de commande tel que 9 agencé de manière à produire un flux variable en grandeur et en direction sensiblement le long de l'axe de commutation secondaire de la machine, en l'occurrence l'axe PR.
L'induit étant entraîné par exemple dans le sens de la flèche, si l'on excite l'enroulement de commande 9 au moyen d'un faible courant allant par exemple de la borne 10 à la borne 11 dudit enroulement, le flux de commande dirigé de R vers P induit dans le circuit primaire de l'induit une f.e.m. primaire E1 qui donne lieu à un courant primaire relativement important Il se fermant par exemple par le balai 3, la connexion 7 et le balai 4. Le courant Il dont le sens dans l'induit est indique par la couche interne a produit une composante de réaction d'induit primaire dirigée suivant l'axe de commutation primaire de S vers Q.
Le circuit secondaire de l'induit est fermé sur un circuit extérieur agencé pour produire un flux excitateur qui va être utilisé en combinaison avec le flux de réaction d'induit secondaire pour produire la magnétisation tétrapolaire normale de la machine.
Comme représenté aux Figs.1 et 2 ce circuit extérieur comprend, montés en série entre le balai 5 et le balai 6, des enroulements excitateurs 12 et 13 respective- ment sur les pôles Q et S, un enroulement compensateur- excitateur 14 sur le pôle R, et des enroulements excitateurs 15 et 16 respectivement sur les pôles Q et S. Une prise intermédiaire 17 ménagée sur l'enroulement compensateur-
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excitateur 14 et relire à l'autre borne d'utilisation 18 de la machine, partage cet enroulement en deux sections 14a et 14b.
La réaction d'induit primaire précitée induit dans le circuit secondaire de l'induit une f.e.m. E2qui donne lieu à un courant secondaire 12 circulant dans le circuit extérieur précité du balai 5 au balai 6, comme indiqué par les flèches. Le courant 12 dont le sens dans l'induit est indiqué par la couche intermédiaire b, produit une composante de réaction d'induit secondaire dirigée suivant l'axe de commutation secondaire de ? vers R, c'est-à-dire en opposition avec le flux de commande. L'enroulement compensateur-excitateur 14 est agencé pour produire lorsqu'il est parcouru par le courant 12 un flux en opposition avec la composante de réaction d'induit secondaire.
En appelant N le nombre de conducteurs périphériques d'induit et n et n' les nombres de spires respectifs des section s 14a et 14b de l'enroulement compensateur-excitateur 14, on voit qu'il suffit de dimensionner ce dernier de telle sorte que les ampères-tours (n + n')12 compensent exactement les ampères-tours N/812 de réaction d'induit secondaire, pour réaliser un équilibre des flux de réaction d'induit secondaire et de compensation le long de l'axe de commutation secondaire* le flux résultant le long de cet axe étant uniquement constitué par le flux de commande. Cet équilibre de flux est mis à profit pour produire la magnétisation tétrauolaire de la machine.
En affet la moitié - 12 des 16 ampères-tours de réaction d'induit secondaire qui agit dans les arcs AOQ, et DOS à gauche de l'axe QS produit une première composante d'excitation dirigée de P vers 0. L'autre
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moitié 1 2de ces ampères-tours qui agit dans les arcs ROB et COS à droite de l'axe est équilibrée par une moitié des ampères-tours (n + nt )12 de l'enroulement compensateur- excitateur 14, tandis que l'autre moitié des ampères-tours
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(n + n')1.... crée une seconde composante d'excitation dirigée de R vers O.
Ces deux composantes d'excitation établissent entre
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les Doles une magnétisation tétrapolaire à pôles conséquents qui induit dans le bobinage de l'induit une f.e.m. tertiaire E3 apparaissant entre le groupe de balais primaires d'une part et le. groupe de balais secondaires d'autre part, c'est-à-dire entre les bornes d'utilisation 18 et 8.
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Les enroulements 12 15 et 13 16 ont pour but de renforcer ou d'entretenir la magnétisation tétrapolaire en produisant des flux dirigés respectivement de 0 vers ? et de 0 vers S.
Si les bornes 8 et 18 sont connectées à un circuit de charge, la machine débite un courant de charge ou courant tertiaire 13 dont le sens dans l'induit est indiqué par la couche externe c et qui est) tel que l'on a un courant
13
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T + # entre le balai 5 et la prise intermédiaire 17 et un 12
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courant Ig - # entre cette derrière et le balai 6. Les ampères-tours produits par l'enroulement compensateur- excitateur 14 ont pour valeur (n + nt)IZ + (n - n' )1 ce qui montre que si n a a' les ampères-tours dus à I- s'annulent réciproquement, tandis que si n est différent de n' on a un effet de sur-compoundage ou de sous-compoundage par le courant 13 le long de l'axe de commutation secondaire PR.
On pourrait de même obtenir un effet de compoundage
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par le courant 13 en faisant varier le nombre de spires total (n + n').
Ces différents effets du compoundage peuvent être obtenus par l'emploi de prises variables sur l'enroulement 14, le réglage précis étant par exemple obtenu au moyen d'une ou deux résistances variables shuntant l'une ou les deux sections de l'enroulement 14 comme indiqué en 19 la Fig.l.
Un effet analogue de compoundage par les courants 12 et/ou !3 pourrait être obtenu suivant l'axe de commutât!-. primaire en réglant convenablement les nombres de spires respectifs des enroulements 12, 15 et 13 16.
Lorsque le flux de commande s'annule, la tension E1 et par suite la tension Eg s'annule. Le flux résultant suivant l'axe de commutation secondaire est en effet pratiquement négligeable puisqu'il est du uniquement à la différence de deux magnétismes résiduels sensiblement égaux et de mânes signes.
Comme on le voit la machine qui vient d'être décrite se comporte comme trois machines élémentaires couplées en cascade à savoir une première excitatrice bipolaire excitée par l'enroulement de commande et débitant dans la connexion réunissant les balais primaires, une deuxième excitatrice bipolaire excitée par le flux de réaction d'induit de la première excitatrice et débitant dans des enroulements inducteurs alimentés par les balais secondaires et une génératrice principale tétrapolaire excitée à la fois par le flux de réaction d'induit de la seconde excitatrice et par le flux desdits enroulements inducteurs et utilisant à la fois les balais de la première et de la seconde excitatrice.
La puissance fournie par la
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dernière de ces machines élémentaires est donc amplifiée troi s fois de suite par rapport à la puissance appliquée à l'enroulement de commande de la première machine* les trois machines pouvant ainsi être considérées respectivement comme le premier étage* le deuxième étage et l'étage final du système amplificateur que constitue la machine complète.
La machine peut évidemment fonctionner en moteur dont on peut faire varier la vitesse dans de grandes limites en faisant varier le flux de commande en grandeur et en sens
Le courant 13 crée une distorsion du champ tétraè polaire qui peut nuire au bon fonctionnement de la machine* en particulier dans la marche en moteur. Pour remédier à cet inconvénient on peut la munir d'enroulements compensateurs comme représenté aux Figs.3 et 4. Ces enroulements compensateurs qui comportent par exemple chacun deux bobines du type à face polaire dont on a représenté les têtes en 20 21. 22 et 23 sont disposés dans des encoches ménagées dans la face interne des pôles. Les enroulements 21 et 23 sont disposés normalement entre les cornes polaires voisines des pôles P et Q,P et S.
Les enroulements 20 et.
22 pourraient être disposés d'une manière symétrique par rapport à l'axe QS mais il est avantageux, pour des raisons qui seront exposées ci-après de les uisposer de manière qu'ils se croisent sur le pôle R comme représenté au dessin.
Le branchement de ces enroulements est clairement indiqué sur la Fig.3.
Le sens de ces enroulements est tel que si on suppose un courant s'échappant du balai 5 pour rentrer dans l'induit par le balai 4 on ait : pour l'enroulement 20 un flux dirigé de B vers 0 pour l'enroulement 21 un flux dirigé de 0 vers A
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pour l'enroulement 22 un flux dirigé de C vers 0 pour l'enroulement 23 un flux dirigé le 0 vers D
Le sens des courants élémentaires dans ces enroule- ments est indiqué par des signes (+) et (o) répartis suivant deux couches dans les encoches des 'pâles la couche interne (fond de l'encoche) pour le courant 13 et une couche externe (sommet de l'encoche) pour le courant I2,
Dans l'arc BOA les ampères-fils compensateurs dus au courant (I2 + I3/2) compensent les ampères-tours d'induit dus au courant I2 + I3/2).
Dans l'arc DOC les ampères-fils compensateurs dus au courant (12- 13/2). compensent les ampères-tours d'induit dus au courant (12- 13/2). Dans l'are AOD les ampères-fils compensateurs dus à 13 compensent les ampères-tours d'inauit dus à 13 tanuis que les ampères- fils compensateurs dus à 12 renforcent légèrement la magnétisation tétrapolaire. Dans l'arc BOC les ampères-fils compensateurs dus à 13 compensent les ampères-tours d'induit dus à 13 tandis que les ampères-fils compensateurs dus à 12 renforcent nettement la magnétisation tétrapolaire, du fait du chevauchement des enroulements 20 et 22, ce qui permet de diminuer considérablement ou même de supprimer l'enroulement compensateur-excitateur 14.
Les enroulements excitateurs série 12, !3, 15 et 16 qui entretiennent la magnétisation tétrapolaire au moyen du courant 12 fourni par Le second étage peuvent* dans le cas notamment de petites machines être supprimés ce qui simplifie considérablement la réalisation de la machine.
Cette disposition est représentée à la Fig.5 dans laquelle les balais 5 et 6 sont directement reliés aux extrémités de l'enroulement compensateur-excitateur 14, les pôles et S n'étant pas bobinés. Dans ce cas l'induit et l'enroulement
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14 assurent seuls une magnétisation tétrapolaire à pôles conséquents.
Cette magnétisation tétrapolaire qui dans les exemples précédemment décrits est obtenue uniquement au moyen au courant 12 fourni par le deuxième étage peut être entretenue ou renforcée par des enroulements inducteurs auxiliaires shunt ou série alimentés par la tension E3 ou le courant I3 de l'étage final de la machine, ce qui permet d'obtenir une même puissance de sertie pour une puissance de commande plus faible et a par conséquent pour effet d'augmenter l'amplification de la machine.
La Fig.6 illustre cette dernière disposition. Sur cette figure ainsi que sur les suivantes on a omis par rai soc de commodité de représenter le circuit magnétique de la machine et les pôles seront simplement représentés Dar leurs axes. La machine est équipée d'enroulements inducteurs shunt 24 et 25 connectés entre les bornes d'utilisation 8 et 18 de manière à être alimentés sous la tension de sortie Eg* et disposés oar exemple sur les pôles Q et S de manière à produire un flux tétrapolaire additif vis-à-vis du flux tétrapolaire produit par le courant 12.
Le courant dans ces enroulements et par suite l'amplification de la machine peut être altérée au moyen d'un rhéostat 26 connecté en série avec ces enroulements.
Ces enroulements inducteurs auxiliaires peuvent bien-entendu être bobinés sur tous les pôles mais en pratique et pour réduire l'encombrement il suffit de les bobiner suivant l'axe de commutation primaire*
Dans une machine telle que celle qui vient d'être décrite les balais sont inégalement chargés. C'est ainsi que
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jour un sens de rotation et un sens du courant de commande tels que choisis précédemment les balais primaires 3 et 4 ont des charges respectivement égales à Il - 13/2 et Il + 13/2 tandis que Les balsis secondaires 5 et 6 ont des charges respectivement égales à 12 + 13/2 et 12- 13/2, l'inégalité des charges des balais secondaires étant plus sensible que celle des balais primaires du fait que le courant 12 est plus intense que le courant Il.
Les ba- Lais primaires sont donc négatifs et sensiblement au même potenti-' tandis que les balais secondaires sont positifs mais à des poten- tiels inégaux, le potentiel positif du balai 6 étant plus voisin du potentiel moyen des balais primaires que celui du balai 5. Si, tout en conservant le même sens de rotation on inverse le sens du courant de commande, les balais primaires deviennent positifs et les balais secondaires négatifs, le potentiel du balai secon- daire 6 restant plus voisin du potentiel moyen des balais primair que le balai 5. Cette distribution inégale des potentiels des ba- lais reste bien entendu la mêmes aux chutes de tension près., lorsque la charge 13 est supprimée.
Four un sens de rotation donné de la machine, on peut ré- duire l'écart des charges des balais secondaires et même rendre ces charges égales pour une valeur donnée du courant de charge 13 qui sera Dar exemple sa valeur de pleine charge. Dans ce but on Modifiera le branchement du circuit de débit comme représenté à la Fig.7. La borne 18 est reliée non plus au point milieu de l'enrou lement compensateur-excitateur mais en un point compris entas ce poin milieu et l'extrémité de cet enroulement qui est voisine du balai secondaire dont le potentiel est le plus voisin du potentiel moyen des balais primaires, c'est-à-dire en l'occurrence l'extrémité voisine du balai 6.
Du fait de la diminution du rapport des résis- tances des circuits qui alimentent en parallèle la borne 18 et de la diminution concomittente du rapport n/n' des spires de l'en- deux effets roulement 14, il se produit/d'une part un accroissement de la composante 13 du courant sous le balai 6 et une réduction de la composante 13 du courant sous le balai 5 et d'autre .part
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un suroompoundage suivant qui fait croître la tension E3 et par suite le courant 13 total au-delà de leurs valeurs normal- correspondant au cas où la borne 18 est reliée au point milieu de l'enroulement 14.
Pour une valeur donnée du courant total 13 qui dépend des caractéristiques de construction de la machine les balais 5 et 6 débitent des courants égaux ce qui entraîne l'annulation du courant de circulation entre ces balais et la diminution des pertes Joules dans l'induit. Si l'on veut ramener la tension E3 à sa valeur normale il suffira de compenser l'effet de sur-compoundage précité en créant un anti-compoundage par le courant I3. Cet anti-compoundage sera par exemple réalisé le long de l'axe PR au moyen d'enroulements anti-compounds tels que 27 et 28 connectas car exemple entre la borne 8 et la connexion 7 des balais primaires de manière à être parcourus par le courant 13 pour produire ur. flux en opposition avec celui de l'enroulement 14.
L'effet d'anti-compcundage produit par les enroulements 27 et 28 peut être réglé au moyen par exemple d'un rhéostat 29 inductif ou non connecté aux bornes de l'enroulement 27 tandis que l'effet de cbmpoundage produit par l'enroulement 14 peut l'être au moyen d'un rhéostat 30 inductif ou non.
Lorsque la machine doit être entraînée en sens inverse de la flèche, la borne 18 devra être connectée à l'autre extrémité de l'enroulement 14.
Tour faciliter la commutation des spires de l'induit on peut prévoir des pôles auxiliaires disposés entre les pôles principaux et munis d'enroulements parcourus par les courants produits par chaque étage. En pratique il suffit de créer une f.e.m. de commutation dans les spires commutan- tes des deux derniers étapes seulement car les courants
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qu'ils produisent ont des valeurs nettement supérieures à celle du courant produit par le premier étage.
La Fig.8 montre dans ce cas la disposition des enroulements de commutation. Quatre enroulements de commutation 31, 32, 33 et 34 ayant par exemple le même nombre de spires sont installes sur quatre ples auxiliaires d'axes OA-B-C-D. Les enroulements 31 et 32 sont connectés entre le balai 5 et l'enroulement 14 de manière à être parcourus par le courant 12 + 13/2 tenais que les enroulements 33 et 34 sont connectes entre l'enroulement 14 et le balai 6 de manière à être parcourus par le courant 12- 13/2.
te branchement de ces enroulements est effectué de telle sorte que les ampères-tours dus au courant 12 produisant une magnétisation bipolaire dirigée de R vers c'est-à-dire en opposition avec le flux de réaction d'induit secondaire tandis que les ampères-tours dus à 13 produisent une magnétisation tétrapolaire suivant les axes AC et BD en opposition avec le flux tétrapolaire de réaction d'induit tertiaire dû au courant 13. La magnétisation bipolaire et la magnétisation tétrapolaire assurent respectivement la commutation du deuxième et du troisième étage de la machine.
Si l'on modifie la machine comme indiqué à la Fig.7 dans le but d'équilibrer les charges des balais secondaires les enroulements de commutation produisent un flux tétrapolaire également équilibre.
La vitesse de réponse de la machine lorsque le courant de commande augmente ou diminue peut être accrue en disposant suivant l'axe de commutation primaire des enroulements de commande auxiliaires 35 et 36 comme indiqué à la Fig.9. Ces enroulements sont connectés entre les bornes de commande 10 et 11 de manière à produire un flux de même sens que le flux de réaction d'induit primaire.
Ces
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enroulements 35 et 36 auront de préférence une inductance nettement supérieure à celle de l'enroulement 9 afin d'accroître la vitesse de variation du courant de commande quand celui-ci varier De plus lorsque le flux de réaction d'. duit primaire varie il induit dans ces enroulements 35 et 36 une f.e.m. qui tend à renforcer ou à réduire le courant de commande quand le flux de réaction primaire augmente ou diminue.
Dans certaines applications et en particulier lorsqu'on veut augmenter la stabilité de la machine il est l'effet du désirable d'avoir la possibilité de limiter ../ flux de commande à la fin d'une variation de celui-ci. On utilisera pour cela un enroulement d'asservissement qui sera bobine sur l'axe du flux de commande, de préférence sur le même pôle que l'enroulement de commande et sera couplé- électrique- ment au moyen d'une impédance avec soit le deuxième étage, soit l'étage final de la rrachine de façon à créer des ampères- tours qui sont fonction de la tension aux bornes de l'étage considéré et qui varient en sens inverse des ampères-tours de l'enroulement de commande: Ces ampères -tours d'asservisse ment agissent avec un certain retard, ce qui permet de combattre la tendance de la machine au pompage.
Ces deux dispositions sont respectivement illustrées aux Figs.10 et 11.
Dans la Fig.10 l'enroulement d'asservissement représenté en 37 est connecte aux balais secondaires 5 et 6 par l'intermédiaire d'un rhéostat 38 de façon à produire des ampères-tours opposés à ceux de l'enroulement de commande.
Pour favoriser le passage du courant dans l'enroulement d'asservissement pendant les régimes transitoires on peut shunter le rhéostat 38 au moyen d'une capacité 39 ou simplemen
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lui substituer cette capacité. Le même résultat est obtenu en reliant les extrémités de l'en-roulement d'asservissement au secondaire d'un transformateur 40 dont le primaire est convenablement connecte aux balais secondaires. L'intérêt du couplage par capacité seule ou par transformateur est de rendre l'asservissement effectif pendant les régimes transitoires seulement et d'empêcher l'enroulement 37 d'être parcouru en permanence par du courant continu.
Dans la fig.ll l'enroulement d'asservissement 37 est alimente non plus par la tension E2 du second étage mais par la tension 2 3 de l'étage final. L'enroulement 37 est alors relié aux bornes de sorte 8 et 18 par l'in- termédiaire du rhéostat 38 qui peut comme précédemment être shunté ou remplacé par une capacité 39. L'enroulement 37 petit de même être relié au secondaire du transformateur 40 dont le primaire est convenablement connecté aux bornes 8 et 18. Le couplage par résistance aux bornes de l'étage final présente en outre l'intérêt de réduire l'action du magnétisme rémanent éventuel des pôles p et R.
Naturellement l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrite et représentés qui n(ont été donnés qu'à titre d'exemple. C' est ainsi que l'on peut faire agir le flux de commande, non plus la long de l'axe PR mais le long de l'axe QS, si l'on ne désire que deux étages d'amplification, pour cela, on déconnecte simplement l'enroulement 9 (fig.9) et l'on se sert de l'un ou des deux enroulements 35, 36 pour pr oduire di- rectement une différence de potentiel entre les balais 5, 6.
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PATENT EXPLOITATION COMPANY. PARIS (FRANCE). The invention relates to dynamo-electric machines of the type in which the excitation can be controlled by means of a low amplitude signal so that the machine supplies an amplified power correlative to the amplitude of the signal of ordered.
The object of the invention is to provide a similar machine in which a particular arrangement of the inductor windings and the addition of special windings makes it possible to simplify the construction of the machine and to improve its qualities of sensitivity, stability and fidelity.
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The invention consists of a dynamo-electric machine comprising a multipolar magnetic circuit with an armature: collector coil, a group of primary brushes and a group of secondary brushes offset with respect to the previous ones to constitute respectively in the armature a primary circuit and a secondary circuit, a rc connection linking at least two primary brushes, at least one control winding arranged to create a difference in potential between two secondary brushes,
two secondary brushes of different potentials being connected by an internal circuit comprising at the mu @@ a compensator-excitate winding arranged so as to compensate the armature reaction flux of a secondary winding path and create an ex- flux. citator in the opposite direction of said secondary armature feedback flow to produce a multipolar magnetization with consequent poles of said magnetic circuit and means for connecting a load circuit on the one hand at a point of the circuit of the compensator-exciter winding and d on the other hand to the connection of the primary brushes.
Other characteristics of the invention will emerge from the description which follows; in the accompanying drawing, in which the same reference numbers designate the same parts in all the figures;
The fig.l shows a four-pole machine according to the invention; fig.2 is a circuit diagram of the machine of fig.l; fig.3 shows the machine of fig.l. equipped with compensation windings; Fig.4 is a circuit diagram of the machine of Fig.3; Fig.5 shows a simplified embodiment of the machine;
FIG. 6 illustrates a variant of the main flow maintenance windings of the machine;
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FIG. 7 shows a similar machine arranged so as to have its brushes also loaded; Fig.8 shows the disconnection mode of the switching windings; Fig. 9 illustrates a modification of the control circuit; FIG. 10 represents a machine provided with a control device; Fig.ll is a variant of the previous figure.
The drawing illustrates the application of the invention to a four-pole machine; however, it is specified that the invention is equally applicable to a machine having a different number of poles and in particular a multiple of four.
According to the example shown, the machine comprises) a carcass 1 provided with poles designated by their axes @,
Q, R, S and an armature 2 provided with a collector to which is connected a normal direct current armature winding which is for example of the nested tetrapolar type.
As will be seen below, various currents originate in the armature during the operation of the machine. The direction of one of these currents is indicated by a sign (6) when the current leaves the figure and by a sign (+) when it enters. The distribution of these currents in the outer layer of conductors of the armature is materialized by different layers of signs (o) and (+) distributed around the periphery of the inauit 2. The latter comprises a group of primary brushes 3,4 and a group of secondary brushes 5,6 offset by approximately 180 electrics with respect to the preceding ones so as to form respectively in the armature a primary circuit and a circuit
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secondary.
The primary circuit is closed by a connection 7 connected to a use terminal 8 of the machine.
The excitation of the primary circuit is obtained by means of at least one control winding such as 9 arranged so as to produce a flux which varies in magnitude and direction substantially along the secondary switching axis of the machine, in l 'occurrence the PR axis.
The armature being driven for example in the direction of the arrow, if the control winding 9 is energized by means of a low current going for example from terminal 10 to terminal 11 of said winding, the control flow directed from R to P induced in the primary circuit of the armature an fem primary E1 which gives rise to a relatively large primary current It closing for example by brush 3, connection 7 and brush 4. The current II, the direction of which in the armature is indicated by the internal layer, produced a component of primary armature reaction directed along the primary switching axis from S to Q.
The armature secondary circuit is closed to an external circuit arranged to produce an exciting flux which will be used in combination with the secondary armature feedback flux to produce the normal tetrapolar magnetization of the machine.
As shown in Figs. 1 and 2, this external circuit comprises, mounted in series between the brush 5 and the brush 6, exciter windings 12 and 13 respectively on the Q and S poles, a compensator-exciter winding 14 on the pole R, and exciter windings 15 and 16 respectively on the Q and S poles. An intermediate socket 17 provided on the compensating winding
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exciter 14 and read again to the other use terminal 18 of the machine, divides this winding into two sections 14a and 14b.
The aforementioned primary armature reaction induces in the secondary circuit of the armature an f.e.m. E2 which gives rise to a secondary current 12 flowing in the aforementioned external circuit from the brush 5 to the brush 6, as indicated by the arrows. The current 12 whose direction in the armature is indicated by the intermediate layer b, produces a secondary armature reaction component directed along the secondary switching axis of? towards R, that is to say in opposition to the flow of order. The compensator-exciter winding 14 is arranged to produce, when it is traversed by the current 12, a flow in opposition to the secondary armature feedback component.
By calling N the number of peripheral armature conductors and n and n 'the respective numbers of turns of the sections s 14a and 14b of the compensator-exciter winding 14, we see that it suffices to dimension the latter so that 12 ampere-turns (n + n ') exactly compensate for N / 812 ampere-turns of secondary armature feedback, to achieve a balance of secondary armature and compensation feedback flows along the switching axis secondary * the resulting flow along this axis being only constituted by the control flow. This flux balance is used to produce the tetrauolar magnetization of the machine.
In fact, half - 12 of the 16 ampere-turns of secondary armature reaction which acts in the AOQ arcs, and DOS to the left of the QS axis produces a first excitation component directed from P to 0. The other
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half 1 2of these ampere-turns which acts in the ROB and COS arcs to the right of the axis is balanced by one half of the ampere-turns (n + nt) 12 of the compensating-exciter winding 14, while the other half of the ampere-turns
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(n + n ') 1 .... creates a second component of excitation directed from R to O.
These two components of excitation establish between
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the Doles a tetrapolar magnetization with consequent poles which induces in the winding of the armature an f.e.m. tertiary E3 appearing between the group of primary brushes on the one hand and the. group of secondary brushes on the other hand, that is to say between the use terminals 18 and 8.
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The purpose of the windings 12 15 and 13 16 is to reinforce or maintain the tetrapolar magnetization by producing fluxes directed respectively from 0 to? and from 0 to S.
If terminals 8 and 18 are connected to a load circuit, the machine delivers a load current or tertiary current 13, the direction of which in the armature is indicated by the outer layer c and which is) such that there is a current
13
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T + # between brush 5 and intermediate socket 17 and a 12
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current Ig - # between this behind and the brush 6. The ampere-turns produced by the compensating-exciter winding 14 have the value (n + nt) IZ + (n - n ') 1 which shows that if naa' the ampere-turns due to I - cancel each other out, while if n is different from n 'there is an over-compounding or under-compounding effect by the current 13 along the secondary switching axis PR.
We could also obtain a compounding effect
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by current 13 by varying the total number of turns (n + n ').
These different effects of compounding can be obtained by the use of variable taps on the winding 14, the precise adjustment being for example obtained by means of one or two variable resistors shunting one or both sections of the winding 14 as indicated at 19 in Fig.l.
A similar compounding effect by the currents 12 and / or! 3 could be obtained along the switching axis! -. primary by suitably adjusting the respective numbers of turns of windings 12, 15 and 13 16.
When the control flow is canceled, the voltage E1 and therefore the voltage Eg is canceled. The resulting flux along the secondary switching axis is in fact practically negligible since it is due solely to the difference of two substantially equal residual magnetisms and of male signs.
As can be seen, the machine which has just been described behaves like three elementary machines coupled in cascade, namely a first bipolar exciter excited by the control winding and outputting into the connection bringing together the primary brushes, a second bipolar exciter excited by the armature reaction flow of the first exciter and outputting into field windings supplied by the secondary brushes and a tetrapolar main generator excited both by the armature reaction flow of the second exciter and by the flow of said field windings and using both the first and second exciter brushes.
The power supplied by the
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last of these elementary machines is therefore amplified three times in a row with respect to the power applied to the control winding of the first machine * the three machines can thus be considered respectively as the first stage * the second stage and the stage end of the amplifier system that constitutes the complete machine.
The machine can obviously operate as a motor, the speed of which can be varied within wide limits by varying the control flow in size and direction.
The current 13 creates a distortion of the tetra polar field which can be detrimental to the correct operation of the machine *, in particular when running with a motor. To remedy this drawback, it can be fitted with compensating windings as shown in FIGS. 3 and 4. These compensating windings which each comprise, for example, two coils of the type with a pole face, the heads of which are shown at 20 21. 22 and 23 are arranged in notches formed in the internal face of the poles. The windings 21 and 23 are arranged normally between the pole horns adjacent to the poles P and Q, P and S.
Windings 20 and.
22 could be arranged symmetrically with respect to the axis QS but it is advantageous, for reasons which will be explained below, to uispose them so that they cross on the pole R as shown in the drawing.
The connection of these windings is clearly shown in Fig. 3.
The direction of these windings is such that if we assume a current escaping from the brush 5 to enter the armature by the brush 4 we have: for winding 20 a flow directed from B to 0 for winding 21 a flow directed from 0 to A
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for winding 22 a flow directed from C to 0 for winding 23 a flow directed from 0 to D
The direction of the elementary currents in these windings is indicated by signs (+) and (o) distributed in two layers in the notches of the blades the internal layer (bottom of the notch) for the current 13 and an external layer. (top of the notch) for the current I2,
In the BOA arc, the compensating amperes-wires due to the current (I2 + I3 / 2) compensate the armature amperes-turns due to the current I2 + I3 / 2).
In the DOC arc, the compensating amperes-wires due to the current (12- 13/2). compensate for armature ampere-turns due to current (12- 13/2). In the are AOD the compensating amperes due to 13 compensate for the inauit ampere-turns due to 13 tanuis that the compensating amperes due to 12 reinforce the tetrapolar magnetization slightly. In the BOC arc, the compensating amperes-wires due to 13 compensate for the armature ampere-turns due to 13 while the compensating amperes-wires due to 12 clearly reinforce the tetrapolar magnetization, due to the overlap of the windings 20 and 22, which makes it possible to considerably reduce or even eliminate the compensator-exciter winding 14.
The series exciter windings 12,! 3, 15 and 16 which maintain the tetrapolar magnetization by means of the current 12 supplied by the second stage can * in the case in particular of small machines be omitted, which considerably simplifies the production of the machine.
This arrangement is represented in FIG. 5 in which the brushes 5 and 6 are directly connected to the ends of the compensator-exciter winding 14, the poles and S not being wound. In this case the armature and the winding
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14 alone provide a tetrapolar magnetization with consequent poles.
This four-pole magnetization which in the examples described above is obtained only by means of the current 12 supplied by the second stage can be maintained or reinforced by shunt or series auxiliary inductor windings supplied by the voltage E3 or the current I3 of the final stage of machine, which makes it possible to obtain the same crimping power for a lower control power and consequently has the effect of increasing the amplification of the machine.
Fig. 6 illustrates the latter arrangement. In this figure as well as in the following ones, for the sake of convenience, we have omitted to represent the magnetic circuit of the machine and the poles will simply be represented by their axes. The machine is equipped with shunt inductor windings 24 and 25 connected between the use terminals 8 and 18 so as to be supplied with the output voltage Eg * and arranged for example on the Q and S poles so as to produce a flux tetrapolar additive with respect to the tetrapolar flux produced by the current 12.
The current in these windings and therefore the amplification of the machine can be altered by means of a rheostat 26 connected in series with these windings.
These auxiliary inductor windings can of course be wound on all poles but in practice and to reduce the bulk, it suffices to wind them along the primary switching axis *
In a machine such as that which has just been described, the brushes are unevenly loaded. Therefore
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day a direction of rotation and a direction of the control current such as previously chosen the primary brushes 3 and 4 have loads respectively equal to Il - 13/2 and Il + 13/2 while the secondary balsis 5 and 6 have loads respectively equal to 12 + 13/2 and 12-13/2, the inequality of the charges of the secondary brushes being more sensitive than that of the primary brushes due to the fact that the current 12 is more intense than the current Il.
The primary balances are therefore negative and substantially at the same potential, while the secondary brushes are positive but at unequal potentials, the positive potential of the brush 6 being closer to the average potential of the primary brushes than that of the brush 5 If, while keeping the same direction of rotation, the direction of the control current is reversed, the primary brushes become positive and the secondary brushes negative, the potential of the secondary brush 6 remaining closer to the average potential of the primary brushes than the brush 5. This unequal distribution of the potentials of the balances obviously remains the same except for voltage drops, when the load 13 is removed.
For a given direction of rotation of the machine, it is possible to reduce the difference in the charges of the secondary brushes and even to make these charges equal for a given value of the charge current 13 which will for example be its full charge value. For this purpose, the connection of the flow circuit will be modified as shown in Fig. 7. Terminal 18 is no longer connected to the midpoint of the compensator-exciter winding but to a point included between this midpoint and the end of this winding which is close to the secondary brush whose potential is closest to the mean potential primary brushes, that is to say in this case the neighboring end of the brush 6.
Due to the decrease in the resistance ratio of the circuits which supply terminal 18 in parallel and the concomittant decrease in the ratio n / n 'of the turns of the two bearing effects 14, there occurs / of a on the one hand an increase in the component 13 of the current under the brush 6 and a reduction in the component 13 of the current under the brush 5 and on the other hand.
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a following overoompoundage which increases the voltage E3 and therefore the total current 13 beyond their normal values - corresponding to the case where terminal 18 is connected to the midpoint of winding 14.
For a given value of the total current 13 which depends on the construction characteristics of the machine, the brushes 5 and 6 deliver equal currents which results in the cancellation of the current circulating between these brushes and the decrease in Joule losses in the armature. If we want to bring the voltage E3 back to its normal value, it will suffice to compensate for the above-mentioned over-compounding effect by creating an anti-compounding by the current I3. This anti-compounding will for example be carried out along the PR axis by means of anti-compound windings such as 27 and 28 connectas for example between terminal 8 and connection 7 of the primary brushes so as to be traversed by the current. 13 to produce ur. flow in opposition to that of winding 14.
The anti-compundage effect produced by the windings 27 and 28 can be adjusted by means, for example, of a rheostat 29, inductive or not connected to the terminals of the winding 27, while the cbmpoundage effect produced by the winding 14 can be done by means of a rheostat 30, inductive or not.
When the machine is to be driven in the opposite direction of the arrow, terminal 18 should be connected to the other end of winding 14.
To facilitate the switching of the turns of the armature, it is possible to provide auxiliary poles arranged between the main poles and provided with windings traversed by the currents produced by each stage. In practice, it suffices to create a f.e.m. switching in the switching turns of the last two steps only because the currents
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that they produce have values markedly greater than that of the current produced by the first stage.
Fig. 8 shows in this case the arrangement of the switching windings. Four switching windings 31, 32, 33 and 34 having for example the same number of turns are installed on four auxiliary axes of OA-B-C-D axes. The windings 31 and 32 are connected between the brush 5 and the winding 14 so as to be traversed by the current 12 + 13/2 while the windings 33 and 34 are connected between the winding 14 and the brush 6 so as to be traversed by current 12- 13/2.
The connection of these windings is carried out so that the ampere-turns due to the current 12 producing a bipolar magnetization directed from R towards that is to say in opposition to the secondary armature reaction flux while the amperes- turns due to 13 produce a tetrapolar magnetization along the AC and BD axes in opposition to the tetrapolar tertiary armature reaction flux due to the current 13. The bipolar magnetization and the tetrapolar magnetization respectively ensure the switching of the second and third stage of the machine.
If the machine is modified as shown in Fig. 7 for the purpose of balancing the loads of the secondary brushes the switching windings produce an equally balanced tetrapolar flux.
The speed of response of the machine when the control current increases or decreases can be increased by arranging along the primary switching axis of the auxiliary control windings 35 and 36 as shown in Fig. 9. These windings are connected between the control terminals 10 and 11 so as to produce a flow in the same direction as the primary armature reaction flow.
These
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Windings 35 and 36 will preferably have a significantly greater inductance than that of winding 9 in order to increase the rate of change of the drive current when the latter varies. primary result varies it induces in these windings 35 and 36 an f.e.m. which tends to increase or decrease the control current as the primary feedback flow increases or decreases.
In certain applications and in particular when one wants to increase the stability of the machine it is the effect of the desirable to have the possibility of limiting ../ control flow at the end of a variation thereof. For this, a servo winding will be used which will be a coil on the axis of the control flow, preferably on the same pole as the control winding and will be electrically coupled by means of an impedance with either the second stage, or the final stage of the spindle so as to create ampere-turns which are a function of the voltage across the terminals of the stage considered and which vary in the opposite direction to the ampere-turns of the control winding: These amperes - Servo turns act with a certain delay, which makes it possible to combat the tendency of the machine to pump.
These two arrangements are respectively illustrated in Figs. 10 and 11.
In Fig. 10 the servo winding shown at 37 is connected to the secondary brushes 5 and 6 via a rheostat 38 so as to produce ampere-turns opposite to those of the control winding.
To promote the passage of current in the servo winding during transient conditions, the rheostat 38 can be shunted by means of a capacitor 39 or simply
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substitute this capacity for it. The same result is obtained by connecting the ends of the servo-control coil to the secondary of a transformer 40 whose primary is suitably connected to the secondary brushes. The advantage of coupling by capacitor alone or by transformer is to make the servo effective during transient states only and to prevent the winding 37 from being continuously traversed by direct current.
In fig.ll the servo winding 37 is no longer supplied by the voltage E2 of the second stage but by the voltage 2 3 of the final stage. The winding 37 is then connected to the terminals 8 and 18 by the intermediary of the rheostat 38 which can, as before, be shunted or replaced by a capacitor 39. The small winding 37 can also be connected to the secondary of the transformer 40. the primary of which is suitably connected to terminals 8 and 18. Resistance coupling at the terminals of the final stage also has the advantage of reducing the action of any residual magnetism of the poles p and R.
Of course, the invention is in no way limited to the embodiments described and shown which have been given only by way of example. This is how the control flow can be made to act, no longer the long one. of the PR axis but along the QS axis, if you only want two amplification stages, for that, you simply disconnect winding 9 (fig. 9) and use l one or both windings 35, 36 to directly produce a potential difference between the brushes 5, 6.
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