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Demande de brevet français du 26 Janvier 1949 en sa faveur.
La présente invention, système Roger, Pierre DUBUSC, concerne un moteur synchrone à caractéristiques dynamiques per- fectionnées, capable de fonctionner à des fréquences du domaine des fréquences musicales, .capable également de démarrer et de s'arrêter en moins d'une demi-période du courant d'excitation.
Un tel moteur trouve de nombreuses applications comme compteur d'intervalles de temps, comme moteur d'horloge, comme servo- moteur à réponse instantanée, comme compteur d'impulsions dans les systèmes de numération rapide : de particules, machines à calculer, etc.., et enfin comme redresseur ou onduleur de courant en particulier dans les applications de mesures électrioues.
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moteur synchrone selon l'invention. Sur ces ligures, 10 est un circuit magnétique à 4 pâles, 11, 12, 11', 12', munis chacun a'une bobine 13, 14, 13', 14'. Ce circuit magnétique comporte en son centre un trou cylindrique, à l'intérieur duquel se trouve un cylindre de fer doux mobile, 15, dont le diamètre est légèrement inférieur au trou du circuit magnétique fixe.
Ce cir- cuit magnétique est polarisé radialement par un aimant permanent 16 de forme cylindrique, aimanté suivant ses génératrices et dont le flux se referme par une culasse de fer doux 17. Cette culasse est percée en son centre d'un trou 18, à l'intérieur duquel passe l'arbre 19 sur lequel est calé le cylindre mobile 15. Cet arbre est teruiné à sa partie inférieure par une bille d'acier 20 s'appuyant sur une crapaudine 21. Sur la figure 1 les flèches indiquent le sens du flux de l'aimant qui traverse les pales.
Sur la figure 3, on a représenté schématiquement le développement des surfaces polaires et les sens respectifs des flux qui traversent ces surfaces aux époques t = 0, t = T
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t = Si t = T T étant la période du courant alternatif d'excitation aes bobines, les enroulements 11 et 11' étant montés en série, d'une part, les enroulements 12 et 12' étant montés en série d'autre part, et les courants dans ces deux groupes d'enroulements étant déphasés te Ò. Les flèches en
2 traits pleins représentent les flux continus et les flèches en traits pointillés représentent les flux alternatifs. On voit qu'à l'époque 1 = 0 les deux flux s'ajoutent dans le pôle 11.
L'attraction magnétique est donc maximum dans ce pôle. A l'époque t=T l'attraction est maximum dans le pôle 12, à l'époque t = T dans le pôle 11', etc. Il en résulte que le fer mobile va rouler à l'intérieur de l'alésage central du circuit magné- tique, son axe décrivant un cône ayant la crapaudine 21 pour sommet. Il en résulte encore que ce cylindre de fer doux va
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différence des diamètres au rotor et du stator.
Par exemple, si le courant d'excitation a pour fréquence 50 périodes par seconae, et si les diamètres respectifs du rotor et du stator sont de 10 et 10,2 mm, le rotor va tourner sur lui-même à la vitesse de 1 tour par seconde, en oscillant circulairement à la vitesse de 50 tours par seconde.
Suivant cet exemple d'exécution, représenté et décrit sous une forme schématique, le mouvement de rotation du cylindre mobile est bien entendu pseudo-synchrone, puisqu'il n'est défini que par l'adhérence des surfaces et la différence des diamètres du stator et du rotor. Par contre, son mouvement d'oscillation circulaire est toujours synchrone, et la fréquence de ce mouve- ment est la même que celle du champ tournant. Elle est indépen- dante de l'adhérence des surfaces de roulement et des diamètres respectifs du stator et du rotor. C'est l'amplitude de cette oscillation qui est égale à la différence des diamètres du stator et du rotor.
Pour synchroniser de façon rigoureuse le mouvement de rotation du fer mobile il suffit, au lieu de faire rouler l'une sur l'autre deux surfaces lisses, de faire rouler l'un sur l'autre deux engrenages intérieurs, la roule mâle étant montée, par exemple, sur le rotor, et la roue femelle sur le stator, ces deux roues ayant des dents de même module, mais de nombreslcgèrement différents. A titre d'exemple, et pour les diamètres respectifs du rotor et du st&tor indiqués précé- demment, la roue mâle pourra avoir 50 dents, et la roue femelle bl dents. Bien entendu les deux engrenages pourront être placés ailleurs que dans l'entrefer, par exemple au-dessus, comme il est indiqué sur la figure 4, où 22 représente la roue mâle, et 23 la roue femelle. Les diamètres de ces roues pourront être differents de ceux du rotor et du stator.
L'engrenage intérieur ainsi réalise constituera la butée latérale du rotor, ce qui
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tion avantageuse pour un fonctionnement correct.
±tant donné que l'arbre au rotor est animé d'un mouve- ment ae vibration conique, en plus de son mouvement de rotation, il est nécessaire, pour transmettre ce seul mouvement de rota- tion aux organes commandés par le moteur, d'entraîner lesdits organes par un dispositif de liaison présentant un degré de liberté selon le rayon, par exemple : joint flexible, joint homocinétique,etc.... Le plus simple de ces dispositifs est constitué par un aoigt solidaire de l'axe menant, engagé dans une fourchette solidaire de l'axe mené. Les dispositifs de ce genre sont trop connus pour avoir besoin d'être plus amplement décrits.
Un moteur selon l'invention n'exécutant qu'un mouve- ment d'oscillation de très faible amplitude à la fréquence du champ tournant, est à mise en marche et arrêt pratiquement instantanés. Son mouvement de rotation étant à vitesse très réduite, par exemple 1 de la vitesse du champ tournant, la
50 force vive du rotor est réduite par le carré du rapport de reduction. Elle n'est donc que de 1 de celle d'un rotor
2500 identique qui tournerait à la vitesse du champ tournant.
Le circuit magnétique représenté sur les figures 1 et comporte, comme il a été dit, deux paires de pales dont les flux magnétiques sont déphasés de 90 . Il est connu d'obtenir ce résultat à partir d'une tension monophasée, en montant une résistance en série avec l'une des paires de bobines, et un condensateur en série avec l'autre. On peut utiliser également une self-inductance et une résistance, ou une combi- naison appropriée de résistanc de condensateurs et de self- inauctances. Si la source de tension est diphasée il suffit, bien entendu, d'alimenter chacune des paires de bobines par chacune des tensions diphasées.
On peut aussi utiliser un circuit magnétique avec
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destensions polyphasées appropriées, obtenues soit en partant d'une source de tension polyphasée, soit en partant d'une source monophasée et en déphasant les courants dans les bobines par des moyens connus. La figure 5 représente, à titre d'exemple, un circuit magnétique à 3 pôles, 24, 25, 26, munis chacun d'une oobine 27, 28, 29.
On peut encore, ainsi qu'il est connu, obtenir le champ tournant avec un circuit magnétique à deux pales, ces pêles étant munis de bagues de déphasage. La figure 6 représente un tel circuit magnétique, dont les pales sont 30 et 31, les enroulements 32 et 33, et les bagues en court-circuit 34 et 35.
La ligure 7 représente en coupe verticale une variante d'exécution du moteur synchrone suivant l'invention. Suivant cette variante, le cylindre de fer doux 15 est monté sur une tige encastrée dans la culasse 17. Cette disposition supprime les inconvénients dûs a l'usure du pivotage de la tige, cette usure provenant au fait que le cylindre mobile est soumis à une lorte attraction magnétique qui se traduit par une forte pression sur le pivot.
On voit sur la figure 7, une tige 36 encastrée en 37 dans la culasse 17. Cette tige traverse le cylinure de fer doux 15 par une partie terminale de plus faible diamètre 38, sur laquelle le cylindre de fer doux est emmanché à force, jusqu'à l'épaulement constitué par la partie de plus grand diamètre .
Dans ces conaitions le cylindre Ib peut encore vibrer circulai- rement à la fréquence du courant d'excitation, mais ne peut plus tourner sur lui-même, puisqu'il est solidaire de la tige encas- trée. On monte alors la roue mâle 22 de l'engrenage intérieur sur une tige creuse 39, qui peut tourner librement autour de la partie supérieure 38 de la tige 36. La roue femelle 23 est lixe, comme aans le cas de la figure 4. Le fonctionnement est alors le suivant : la roue mâle 22 est entraînée par son
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arbre 38 suivant la vibration circulaire de ce dernier. Comme elle s'appuie sur la roue femelle 23, et qu'elle est folle sur son arbre, elle tournera autour de celui-ci avec une vitesse définie, comme dans le cas précédent, par les nombres de dents respectifs des deux roues dentées.
L'entraînement de l'arbre mené se lera, par exemple, au moyen d'une goupille 40, fixée sur la roue 22, et engagée dans une fourchette non représentée.
Ce mode de montage de la partie mobile du moteur peut présenter, en outre, d'autres avantages. L'élasticité de la tige o6 produit une force qui tend à rappeler le cylindre de fer doux vers le centre, iorce qui est, par conséquent, antagoniste à la force d'attraction magnétique entre le cylindre et le surface inté- rieure au trou du circuit magnétique f ixe. En donnant à la tige 36 des dimensions appropriées on peut diminuer apprécia- blement la force d'appui de la roue mâle sur la roue femelle, en l'absence du courant d'excitation, jusqu'à la rendre pratique- ment nulle (équilibre indifférent). On peut aussi, par des moyens similaires, obtenir que la variation de la force élastique de la suspension soit plus grande que la variation de la force d'attraction magnétique, auquel cas l'équilibre est stable.
Dans ce aernier cas, le mouvement libre de la partie mobile est périodique. Il y a résonance pour une fréquence déterminée du courant d'excitation, et cette fréquence de résonance est d'autant plus elevee que la tige est plus raide. Toutes ces pos- sibilités peuvent être avantageuses, à des degrés divers, selon l'application envisagée. On diminue considérablement la puissance nécessaire au fonctionnement du moteur en se plaçant au voisi- nage ae l'équilibre indifférent. Si l'équilibre est stable la puissance nécessaire au fonctionnement est indépendante de la fréquence, pour les fréquences inférieures à la fréquence de résonance.
On peut, dans tous les cas, éviter qu'après la coupure du courant d'excitation le fer mobile ne continue à .
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vibrer a sa fréquence propre, en prévoyant un amortissement convenable, par shunt sur les bobines d'excitation, cage en court-circuit, etc.., selon la technique habituelle des appareils de mesure, (oscillographes à fer doux, par exemple). Enfin, si le mouvement de l'équipage mobile n'est pas amorti, on peut obtenir un moteur qui soit accordé à une fréquence déterminée, c'est-à-dire qui ne fonctionne que pour cette fréquence, ce qui peut être intéressant pour des dispositifs actionnés à distance par des courants de fréquences déterminées, transmis par radio ou par fil.
Dans ce qui a ets ait jusqu'ici on a fait état du mouvement ae rotation synchrone de l'équipage mobile di moteur selon l'invention. Les applications de ce type d'appareil comprennent la transmission synchrone du mouvement d'arbres mobiles, l'horlogerie synchrone, la mesure d'intervalles de temps, le comptage d'impulsions alternatives (numération rapide), les servo-commandes instantanées, etc... maie on peut également faire état du mouvement d'oscillation synchrone pour la commande de contacte, soit en vue de redresser une tension ou un courant alternatif, soit en vue d'onduler un courant ou une tension continue. On peut utiliser pour cette application soit le moteur des ligures 2 et 4, soit le moteur de la figure 7.
Dans le cas, par exemple, de la figure 7, la roue dentée 22 sera remplacée par un disque circulaire en métal noble, tel que l'argent, rou- lant sur deux ou plusieurs secteurs circulaires fixes, isolés, également en métaux nobles.
La figure 8 représente la vue en plan ae ce système ae contacta Le disque 41 est monté librement sur l'arbre 38, partie terminale ae la tige de suspension du fer mobile. Ce aisque roule sur les deux secteurs semi-circulaires 42 et 43.
Ln calant ae façon appropriée l'ensemble des deux secteurs, on obtient que le contact entre le disque 41 et le secteur 42 soit
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établi, par exemple, pendant les alternances positives de la tension d'excitation, tandis que le contact entre le disque 41 et le secteur 43 sera établi pendant les alternances négatives.
On pourra monter l'ensemble des deux secteurs 42 et 43 sur une pièce qui peut tourner autour de l'axe de symétrie de faço que les contacts s'établissent à des phases déterminées. Un tel appareil constitue un redresseur synchrone à phase réglable, et remplace à lui seul deux appareils employés jusqu'à présent : un redresseur vibrant et un décaleur de phase alimentant l'enrou- lement au vribreur. Cet appareil peut d'ailleurs être utilisé comme onduleur, en coupant et en établissant périodiquement un courent continu, afin ae le transformer en courant alternatif ae fréquence imposée, d'amplitude proportionnelle à la valeur de la tension continue, et, éventuellement de phase réglable par décalage des secteurs semi-circulaires.
On utilise de tels appareils dans le but d'amplifier de faibles tensions continues, en les transformant en tensions alternatives. Enfin l'appareil décrit peut comporter un nombre quelconque de secteurs de contacts, par exemple 4 ou 6 au lieu de 2, ce qui permet très simplement de multiplier par deux ou par trois la fréquence du courant onaulé par rapport à la fréquence du courant d'excita- tion. bien entencu, les formes de réalisation représentées et décrites n'ont été données qu'à titre d'exemple sans aucun caractère restrictif. Par conséquent toutes les variantes ayant même principe et même objet que les dispositions indiquées ci-dessus rentreraient comme elles dans le cadre de l'invention.
En particulier l'aimant et son circuit magnétique peuvent avoir toutes formes et dispositions permettant d'obtenir un champ rayonnant dans le fer mobile. Ces formes et dispositions sont bien connues dans la technique des nuits parleurs à bobine mobile. L'aimant permanent peut, bien entendu, être remplacé parun clectro-aimaiit excité par une source de tension continue.
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Enfin les pâles uu circuit magnétique peuvent être multipliés ue façon à réduire la vitesse de rotation du champ tournant, ainsi qu'il est bien connu dans la technique des moteurs à champ tournant.
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French patent application of January 26, 1949 in its favor.
The present invention, Roger system, Pierre DUBUSC, relates to a synchronous motor with improved dynamic characteristics, capable of operating at frequencies in the domain of musical frequencies, also capable of starting and stopping in less than half a year. period of the excitation current.
Such a motor finds many applications as a time interval counter, as a clock motor, as an instantaneous response servo motor, as a pulse counter in rapid numbering systems: of particles, calculating machines, etc. ., and finally as a current rectifier or inverter, in particular in electrical measurement applications.
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synchronous motor according to the invention. In these figures, 10 is a magnetic circuit with 4 blades, 11, 12, 11 ', 12', each provided with a coil 13, 14, 13 ', 14'. This magnetic circuit has in its center a cylindrical hole, inside which there is a movable soft iron cylinder, 15, the diameter of which is slightly smaller than the hole of the fixed magnetic circuit.
This magnetic circuit is radially polarized by a permanent magnet 16 of cylindrical shape, magnetized according to its generatrices and whose flux is closed by a soft iron yoke 17. This yoke is pierced in its center with a hole 18, at the 'Inside which passes the shaft 19 on which is wedged the movable cylinder 15. This shaft is terminated at its lower part by a steel ball 20 resting on a slider 21. In Figure 1 the arrows indicate the direction of flux of the magnet passing through the blades.
In FIG. 3, the development of the polar surfaces and the respective directions of the fluxes which cross these surfaces at times t = 0, t = T has been shown schematically.
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t = If t = TT being the period of the alternating current of excitation of the coils, the windings 11 and 11 'being connected in series, on the one hand, the windings 12 and 12' being connected in series on the other hand, and the currents in these two groups of windings being out of phase te Ò. Arrows in
2 solid lines represent continuous flows and arrows in dotted lines represent alternative flows. We see that at epoch 1 = 0 the two flows are added in pole 11.
The magnetic attraction is therefore maximum in this pole. At epoch t = T the attraction is maximum in pole 12, at epoch t = T in pole 11 ', etc. As a result, the movable iron will roll inside the central bore of the magnetic circuit, its axis describing a cone having the slider 21 as its apex. It follows again that this soft iron cylinder will
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difference in rotor and stator diameters.
For example, if the excitation current has a frequency of 50 periods per seconae, and if the respective diameters of the rotor and the stator are 10 and 10.2 mm, the rotor will spin on itself at the speed of 1 revolution per second, oscillating circularly at the speed of 50 revolutions per second.
According to this exemplary embodiment, shown and described in schematic form, the rotational movement of the mobile cylinder is of course pseudo-synchronous, since it is only defined by the adhesion of the surfaces and the difference in the diameters of the stator. and rotor. On the other hand, its circular oscillation movement is always synchronous, and the frequency of this movement is the same as that of the rotating field. It is independent of the adhesion of the rolling surfaces and of the respective diameters of the stator and the rotor. It is the amplitude of this oscillation which is equal to the difference between the diameters of the stator and the rotor.
To strictly synchronize the rotational movement of the mobile iron, it suffices, instead of rolling two smooth surfaces on top of one another, to roll two internal gears on top of each other, the male wheel being mounted , for example, on the rotor, and the female wheel on the stator, these two wheels having teeth of the same modulus, but of slightly different numbers. By way of example, and for the respective diameters of the rotor and of the rotor indicated above, the male wheel could have 50 teeth, and the female wheel could have 50 teeth. Of course, the two gears could be placed elsewhere than in the air gap, for example above, as indicated in FIG. 4, where 22 represents the male wheel, and 23 the female wheel. The diameters of these wheels may be different from those of the rotor and the stator.
The internal gear thus produced will constitute the lateral stop of the rotor, which
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advantageous for correct operation.
± given that the shaft to the rotor is driven by a conical vibration movement, in addition to its rotational movement, it is necessary, in order to transmit this single rotational movement to the parts controlled by the motor, d 'drive said members by a connecting device having a degree of freedom according to the radius, for example: flexible joint, constant velocity joint, etc .... The simplest of these devices is constituted by a finger integral with the driving axis, engaged in a fork integral with the driven axis. Devices of this kind are too well known to need to be further described.
A motor according to the invention executing only a very low amplitude oscillation movement at the frequency of the rotating field, is started and stopped practically instantaneously. Its rotational movement being at a very low speed, for example 1 of the speed of the rotating field, the
50 rotor live force is reduced by the square of the reduction ratio. It is therefore only 1 of that of a rotor
2500 identical which would rotate at the speed of the rotating field.
The magnetic circuit shown in Figures 1 and comprises, as has been said, two pairs of blades whose magnetic fluxes are out of phase by 90. It is known to obtain this result from a single-phase voltage, by mounting a resistor in series with one of the pairs of coils, and a capacitor in series with the other. A self-inductor and a resistor can also be used, or a suitable combination of capacitor resistances and chokes. If the voltage source is two-phase, it is of course sufficient to supply each of the pairs of coils with each of the two-phase voltages.
You can also use a magnetic circuit with
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appropriate polyphase voltages, obtained either by starting from a polyphase voltage source, or by starting from a single phase source and by phase shifting the currents in the coils by known means. FIG. 5 represents, by way of example, a magnetic circuit with 3 poles, 24, 25, 26, each provided with a coil 27, 28, 29.
It is also possible, as is known, to obtain the rotating field with a magnetic circuit with two blades, these balls being provided with phase shift rings. FIG. 6 represents such a magnetic circuit, of which the blades are 30 and 31, the windings 32 and 33, and the short-circuited rings 34 and 35.
FIG. 7 shows in vertical section an alternative embodiment of the synchronous motor according to the invention. According to this variant, the soft iron cylinder 15 is mounted on a rod embedded in the cylinder head 17. This arrangement eliminates the drawbacks due to the wear of the pivoting of the rod, this wear resulting from the fact that the movable cylinder is subjected to a strong magnetic attraction which results in strong pressure on the pivot.
We see in Figure 7, a rod 36 embedded at 37 in the cylinder head 17. This rod passes through the soft iron cylinure 15 by a terminal portion of smaller diameter 38, on which the soft iron cylinder is force-fitted, until 'to the shoulder formed by the part of larger diameter.
In these situations, the cylinder Ib can still vibrate circulating at the frequency of the excitation current, but can no longer rotate on itself, since it is integral with the embedded rod. The male wheel 22 of the internal gear is then mounted on a hollow rod 39, which can rotate freely around the upper part 38 of the rod 36. The female wheel 23 is fixed, as in the case of FIG. 4. The operation is then as follows: the male wheel 22 is driven by its
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shaft 38 following the circular vibration of the latter. As it leans on the female wheel 23, and it is mad on its shaft, it will turn around it with a speed defined, as in the previous case, by the respective numbers of teeth of the two toothed wheels.
The driven shaft will be driven, for example, by means of a pin 40, fixed on the wheel 22, and engaged in a fork not shown.
This method of mounting the movable part of the engine can also have other advantages. The elasticity of the rod o6 produces a force which tends to draw the soft iron cylinder towards the center, which is, therefore, antagonistic to the force of magnetic attraction between the cylinder and the surface inside the hole. fixed magnetic circuit. By giving the rod 36 the appropriate dimensions, it is possible to appreciably reduce the pressing force of the male wheel on the female wheel, in the absence of the excitation current, until it becomes practically zero (equilibrium indifferent). It is also possible, by similar means, to obtain that the variation of the elastic force of the suspension is greater than the variation of the magnetic attraction force, in which case the equilibrium is stable.
In this aernier case, the free movement of the moving part is periodic. There is resonance for a determined frequency of the excitation current, and this resonant frequency is all the higher as the rod is stiffer. All of these possibilities can be advantageous, to varying degrees, depending on the intended application. The power required for the operation of the engine is considerably reduced by placing oneself in the vicinity of the indifferent equilibrium. If the balance is stable, the power required for operation is independent of frequency, for frequencies below the resonant frequency.
In all cases, it is possible to prevent the mobile iron from continuing to operate after the excitation current has been cut off.
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vibrate at its own frequency, providing suitable damping, by shunt on the excitation coils, short-circuited cage, etc., according to the usual technique of measuring devices (soft iron oscillographs, for example). Finally, if the movement of the moving element is not damped, it is possible to obtain a motor which is tuned to a determined frequency, that is to say which operates only for this frequency, which may be advantageous for devices operated remotely by currents of determined frequencies, transmitted by radio or wire.
In what has been hitherto, the synchronous rotation movement of the mobile motor assembly according to the invention has been reported. Applications of this type of device include synchronous transmission of the movement of moving shafts, synchronous clockwork, measurement of time intervals, counting of alternating pulses (rapid counting), instantaneous servo-controls, etc. ... but the synchronous oscillation movement can also be used for the contact control, either with a view to rectifying a voltage or an alternating current, or with a view to undulating a current or a direct voltage. One can use for this application either the motor of figures 2 and 4, or the motor of figure 7.
In the case, for example, of FIG. 7, the toothed wheel 22 will be replaced by a circular disc of noble metal, such as silver, rolling over two or more fixed, isolated circular sectors, also of noble metals.
FIG. 8 represents the plan view of this system with contact. The disc 41 is freely mounted on the shaft 38, the end part of the suspension rod of the mobile iron. This board rolls on the two semi-circular sectors 42 and 43.
By wedging all of the two sectors in an appropriate manner, the contact between the disc 41 and the sector 42 is obtained.
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established, for example, during the positive half-waves of the excitation voltage, while the contact between the disc 41 and the sector 43 will be established during the negative half-waves.
All of the two sectors 42 and 43 can be mounted on a part which can rotate around the axis of symmetry so that the contacts are established at determined phases. Such an apparatus constitutes a synchronous rectifier with adjustable phase, and by itself replaces two apparatuses used up to now: a vibrating rectifier and a phase shifter feeding the winding to the vibrator. This device can also be used as an inverter, by cutting and periodically establishing a direct current, in order to transform it into alternating current at the imposed frequency, of amplitude proportional to the value of the direct voltage, and possibly of adjustable phase. by shifting the semi-circular sectors.
Such devices are used in order to amplify low DC voltages, transforming them into alternating voltages. Finally, the device described can include any number of contact sectors, for example 4 or 6 instead of 2, which very simply makes it possible to multiply by two or by three the frequency of the corrugated current with respect to the frequency of the current d excitement. of course, the embodiments shown and described have been given only by way of example without any restrictive character. Consequently all the variants having the same principle and the same object as the arrangements indicated above would come within the scope of the invention as they do.
In particular, the magnet and its magnetic circuit can have any shape and arrangement making it possible to obtain a radiating field in the moving iron. These shapes and arrangements are well known in the art of moving coil night speakers. The permanent magnet can, of course, be replaced by a electro-magnet excited by a source of direct voltage.
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Finally the blades uu magnetic circuit can be multiplied ue so as to reduce the speed of rotation of the rotating field, as is well known in the art of rotating field motors.