Moteur électrique à collecteur pour courant alternatif monophasé. La présente invention se rapporte à un moteur électrique à collecteur pour courant alternatif monophasé et elle a principalement pour but d'améliorer son couple de démarrage, particulièrement lorsqu'il s'agit d'un moteur à répulsion.
Un moteur à répulsion du type connu com porte un enroulement inducteur et un enroule ment induit avec un court-circuit principal sur l'enroulement induit le long d'un axe fai sant un angle avec l'axe de magnétisation de l'enroulement inducteur. Dans un moteur de ce genre, un courant passant dans l'enroule ment inducteur induit par une action de trans formateur un courant dans l'enroulement in duit. L'enroulement induit est fermé par le court-circuit principal de telle manière que l'axe de magnétisation de l'enroulement induit par rapport à ce court-circuit fait un angle par rapport à l'axe de magnétisation de l'en roulement inducteur.
La magnétisation pro duite par l'enroulement induit peut être dé composée en deux composantes, l'une en ligne avec l'axe de magnétisation de l'enroulement inducteur et l'autre à angle droit par rapport à la première. La dernière composante repré sente le champ producteur de couple du mo teur. La composante de la magnétisation de l'enroulement induit qui est en ligne avec l'axe de magnétisation de l'enroulement inducteur représente le courant de travail du moteur.
On comprend que si l'axe de magnétisation de l'enroulement induit par rapport au court- circuit principal coïncide avec l'axe de magné tisation de l'enroulement inducteur, le moteur n'a pas de champ producteur de couple et que, de plus, à mesure que l'axe de magnétisation de l'enroulement induit s'éloigne de l'axe de magnétisation de l'enroulement inducteur, le champ producteur de couple augmente, tandis que le courant de travail diminue, jusqu'à ce que ces deux axes soient à angle droit l'un sur l'autre, où alors le champ producteur de couple du moteur est un maximum et le cou rant de travail un minimum ou zéro.
L'inten sité -du champ producteur de couple est ainsi déterminée par l'angle entre l'axe de magné tisation de l'enroulement inducteur et celui de l'enroulement induit par rapport au court- circuit principal sur ce dernier.
En déplaçant les balais reliés au court- circuit principal d'un pareil moteur à répul sion, on déplace l'axe de magnétisation de l'enroulement induit et fait varier le champ producteur de couple du moteur, changeant par là la vitesse du moteur. Un champ pro ducteur de couple de faible intensité corres pond à une vitesse élevée, tandis qu'un champ de grande intensité correspond à une vitesse faible. Quand les balais sont dans leurs posi tions de vitesse faible, l'intensité du champ du moteur sera donc grande et il s'ensuit que l'enroulement inducteur présente une réac tance considérable qui s'oppose au passage du courant par lui et limite le courant de travail du moteur.
Dans le moteur électrique à collecteur pour courant alternatif monophasé, qui fait l'objet de cette invention et qui comporte, comme c'est connu, un enroulement inducteur et un enroulement induit, l'enroulement induit est relié au collecteur ayant des balais reliés de façon à former un court-circuit principal sur l'enroulement induit le long d'un axe faisant un angle avec l'axe de magnétisation de l'en roulement inducteur, alors qu'un enroulement inductif est relié entre certains des balais du collecteur de façon à former un circuit auxi liaire sur l'enroulement induit le long d'un axe se trouvant en quadrature électrique avec l'axe du court-circuit principal, l'enroulement inductif ayant un circuit magnétique établi de manière à être saturé lorsque le moteur marche à des vitesses suffisamment écartées de la vitesse synchrone.
L'enroulement induit étant ainsi fermé par le circuit auxiliaire le long d'un axe à angle droit par rapport à l'axe du court-circuit prin cipal, un chemin de courant est prévu pour un courantdont l'effet magnétisant est demodifier le champ producteur de couple du moteur. Le circuit auxiliaire a deux effets; d'abord, il altère l'intensité de champ du moteur et puis, il altère la réactance de l'enroulement induc teur par suite de ce changement dans l'inten sité de champ, et modifie par là le courant de travail du moteur.
Quand les balais du court- circuit principal occupent leurs positions de vitesse faible, le circuit auxiliaire agit à des vitesses faibles, d'abord, pour faire diminuer l'intensité du champ producteur de couple du moteur et, puis, pour réduire la réactance de l'enroulement inducteur et pour permettre le passage d'un courant de travail augmenté.
Lorsque le voltage entre les points de l'en roulement induit auxquels l'enroulement in ductif est électriquement relié est tel que le circuit magnétique de l'enroulement inductif est magnétiquement saturé, l'enroulement in ductif aura une impédance relativement faible, et un courant très fort passera, à travers lui. Le flux de ce courant relativement fort par l'enroulement inductif à des vitesses basses diminue le champ producteur de couple du moteur et augmente le courant de travail. L'augmentation dans le courant de travail est considérablement plus grande que la diminu tion dans l'intensité de champ et comme le couple est proportionnel au produit du courant de travail et de l'intensité de champ, on ob tient une augmentation de couple du moteur.
Quand le voltage entre les points de l'enroule ment induit auxquels l'enroulement inductif est électriquement relié tombe au-dessous du voltage de saturation, par exemple à mesure que le moteur accélère sa marche après le démarrage, l'enroulement inductif agit comme une bobine de réaction d'impédance considé rable et limite le flux de courant par lui à une valeur relativement faible.
On compren dra par là qu'un enroulement inductif relié de la manière indiquée et ayant un voltage de saturation prédéterminé agit automatique ment et n'a point ou très peu d'influence sur le fonctionnement du moteur à des vi tesses de marche normales, dans le voi sinage du synchronisme, tandis que, à des vitesses très basses et à des vitesses très éle vées, l'effet de cet enroulement indue-tif est très prononcé, grâce à la. saturation de son circuit magnétique. L'enroulement inductif saturé permet ainsi au champ du moteur d'augmenter graduellement en intensité à me sure que le moteur accélère sa. marche.
Cette augmentation automatique et graduelle de l'in tensité de champ est précisément ce dont on a besoin pendant le démarrage du moteur afin d'obtenir les caractéristiques désirées de la commutation et de la relation entre la vitesse et le couple.
Le dessin schématique annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'objet de l'invention: Les fig. 1, 2, 3, 8, 9 et 10 montrent les schémas de différentes formes d'exécution du type à répulsion; Les fig. 4, 5, 6, 7 et 11 sont des dia grammes.
Les moteurs représentés schématiquement aux fig. 1, 2 et 3, sont du type bien connu d'alternomoteur à répulsion ayant deux jeux de balais court-circuités relativement mobiles associés avec le rotor. Un enroulement induc teur 10 est monté sur le stator et disposé pour être relié à une source de courant alternatif monophasé 11. Le rotor des moteurs porte un enroulement induit 12. Celui-ci est un enrou lement commuté du type à courant continu et est relié aux segments d'un collecteur sur lequel s'appuient les balais de collecteur. Les balais de collecteur sont divisés en deux jeux dont chacun comprend un balai stationnaire et un balai mobile.
Les balais stationnaires sont placés dans l'axe de magnétisation de l'enroulement inducteur, tandis que les balais mobiles sont disposés sur un axe faisant un angle avec l'axe de magnétisation de l'enroule ment inducteur. Les moteurs représentés aux fig. 1 à 3 sont bipolaires et par conséquent, il y a deux balais stationnaires 13 placés dans l'axe de magnétisation de l'enroulement in ducteur 10. Chaque balai stationnaire 13 est combiné avec un balai mobile coopérant 14 y relié par un conducteur de court-circuit 15. Les balais 14 sont déplacés pour obtenir le réglage de vitesse désiré du moteur et le dé placement des balais 14 sera tel que les balais soient toujours maintenus (dans une disposi tion bipolaire) diamétralement opposés l'un à l'autre. Quatre positions des balais mobiles sont indiquées à la fig. 1.
La position de balais 14 est une position de balai pour vitesse basse et la position de balai 14c est une position de balai pour vitesse élevée, tandis que les posi tions de balai 14a et 14b sont des positions intermédiaires. Dans toutes les figures du dessin, les balais stationnaires sont caracté risés par des hachures, tandis que les balais mobiles sont représentés en blanc.
Le fonctionnement et les caractéristiques des moteurs qui viennent d'être décrits sont bien connus. Les courbes de vitesse-couple d'un pareil moteur sont indiquées à la fig. 6. La courbe 144 est la courbe de vitesse-couple du moteur quand les balais mobiles occupent la position 14c de la fig. 1, qui est la position à vitesse élevée onde marche normale des ba lais mobiles. Les courbes 143, 142 et 141 sont les courbes de vitesse-couple correspondant, respectivement, aux positions de balai 14b, 14a et 14. On suppose ici que pour la position de balai 14c, la vitesse de marche normale est un peu plus élevée que la vitesse synchrone, qui est indiquée par la ligne horizontale s-s. Le couple de démarrage pour cette position de balai est très considérablement supérieur au couple de marche normale.
D'autre part, dans la position de balais à vitesse basse 14, la vi tesse est inférieure à la vitesse synchrone pour le même couple de marche. On verra que la courbe de vitesse-couple 141 est d'un caractère tel que le couple de démarrage est seulement légèrement plus élevé que le couple de marche normale pour cette position de balai 14 corres pondante.
Il est par suite évident que dans cette position des balais à vitesse basse, le couple du moteur est relativement faible et il s'ensuit que si le frottement de repos de la charge à commander est très élevé, il peut ne pas être possible de faire démarrer la charge avec les balais dans la position à vitesse basse, mais qu'il sera nécessaire de faire démarrer la charge avec les balais en position à vitesse élevée et puis, après que le moteur s'est accé léré à la vitesse voulue, de ramener les balais à la position à vitesse basse, désirée.
C'est précisément pour éviter cette difficulté que les moteurs perfectionnés sont pourvus de moyens pour régler les caractéristiques de vi- tesse-couple,du moteur de façon à obtenir lin couple de démarrage satisfaisant quand les balais sont déplacés aux positions à vitesse basse.
Ces moyens comportent une bobine réac tive disposée pour devenir magnétiquement saturée à une valeur de voltage prédéterminée et reliée entre les deux jeux de balais court- circuités 13, 14. D'après la fig. 1, cette bobine réactive est formée d'un enroulement 16 cou plé inductivement avec un circuit magnétique 17 et relié entre les conducteurs de court-cir cuit 15.
Le circuit magnétique 17 est établi de telle manière qu'il devienne magnétique- ment saturé quand un voltage prédéterminé existe entre les conducteurs de court-circuit 15, voltage qui est choisi de manière qu'une saturation est atteinte au démarrage du mo teur, permettant ainsi à une quantité de cou rant relativement grande de passer par l'en roulement 16. Le courant passant dans l'en roulement inducteur 10 induit par une action de transformateur un courant dans l'enroule ment induit 12. La disposition des balais est telle que le courant de travail du moteur tra verse celle des portions de l'enroulement in- duitqui est comprise entre les deux balais rela tivement mobiles et court-circuités de chaque jeu.
La magnétisation due au courant traver sant la portion correspondante de l'enroule ment inducteur est sensiblement neutralisée par la magnétisation produite par le courant de travail. Mais la magnétisation due au cou rant traversant la portion dé l'enroulement inducteur comprise entre les deux jeux de ba lais court-circuités n'est par neutralisée par les courants passant dans l'enroulement induit et est, par suite, efficace pour établir un champ pour le moteur. On comprend ainsi que les conducteurs du court-circuitage 15 déter minent des courts-circuits pour l'enroulement induit suivant un axe faisant un angle avec l'axe de magnétisation de l'enroulement inducteur et que l'enroulement inductif 16 est relié dans un circuit local auxiliaire le long d'un axe à angle droit par rapport à l'axe de courts-circuits principaux.
L'en roulement inductif est ainsi relié le long de l'axe de l'enroulement induit qui est intercon- necté avec le champ producteur de couple du moteur et l'effet de l'enroulement inductif, ainsi connecté, est de modifier le champ pro ducteur de couple.
L'intensité du champ producteur de couple des moteurs des fig. 1, 2 et 3 est déterminée par l'angle embrassé entre un balai station naire 13 et le balai mobile 14 du jeu de balais court-circuités adjacent et il en résulte que quand les balais mobiles sont éloignés des ba lais stationnaires du jeu de balais court-cir cuités adjacent, le champ producteur de couple est relativement grand. Ces dernières positions des balais mobiles sont leurs positions à vitesse basse, et par suite du grand champ moteur qui existe quand les balais occupent ces po sitions, l'enroulement inducteur aura une ré actance considérable, qui restreint le passage de courant par lui, avec le résultat que le cou rant de travail du moteur se trouve diminué.
Le circuit auxiliaire renfermant l'enroulement inductif relié entre les jeux de balais court- circuités procure un chemin de courant pour la portion de l'enroulement induit qui est in terconnectée avec le champ producteur de couple du moteur. Un courant passera ainsi dans la portion de l'enroulement induit qui est interconnectée avec le champ producteur de couple du moteur et ce courant neutralise partiellement l'effet du courant passant dans la portion de l'enroulement inducteur inter connectée avec le champ moteur, grâce à quoi l'intensité du champ moteur est diminuée. Cette diminution de l'intensité du champ mo teur réduit la réactance de l'enroulement in ducteur et permet à un courant plus important de passer par celui-ci, ce qui augmente le cou rant de travail du moteur.
Le voltage entre les deux jeux de balais court-circuités est fonction de l'angle embrasé entre les jeux de balais court-circuités et est de plus fonction de la vitesse du moteur. A la vitesse synchrone, ce voltage est de zéro et le voltage augmente graduellement à mesure que la vitesse varie dans l'un ou l'autre sens à partir<B>dé</B> la vitesse synchrone, étant un ma ximum au repose, et relativement élevé à des vitesses se trouvant considérablement au-des- sus du synchronisme. Comme le voltage entre les deux jeux de balais court-circuités et par suite en travers de la portion de l'enroulement inducteur qui est efficace pour la production du champ moteur, est relativement élevé au repos, le moteur aura au repos un champ très puissant.
Ce champ puissant donne lieu à un crachement d'étincelles destructif aux balais du collecteur et, par suite de la réactance aug mentée de l'enroulement inducteur, tend à réduire l'importance du courant de travail dans le moteur. Mais, le circuit magnétique de l'enroulement inductif est établi de manière à devenir magnétiquement saturé à une valeur de voltage convenable pour limiter l'effet de réactance du champ producteur de couple et pour restreindre le voltage induit par seg ment de collecteur à une valeur admissible. Quand le voltage entre les deux jeux de balais court-circuités auxquels l'enroulement induc tif est relié est tel que le circuit magnétique de l'enroulement inductif est magnétiquement saturé, l'enroulement inductif aura une impé dance relativement faible et un courant très important passera par lui.
Le flux de ce cou rant relativement important à travers l'enrou lement inductif pendant le démarrage du mo teur diminue le champ producteur de couple de celui-ci et a pour résultat d'augmenter le courant de travail. Quand le voltage entre les deux jeux de balais court-circuités tombe au- dessous du voltage de saturation, par exemple à mesure que le moteur accélère sa vitesse après le démarrage, l'enroulement inductif agit comme une bobine de réactance d'impé dance considérable et limite le passage de cou rant par lui à une valeur relativement faible.
On comprend de cette façon que l'effet de l'enroulement inductif saturé pour modifier le champ producteur de couple du moteur est automatique, attendu que le champ producteur de couple est seulement modifié d'une façon appréciable quand le circuit magnétique de l'enroulement inductif est saturé, comme au repos ou à des vitesses relativement élevées.
La courbe de magnétisation de l'enroule ment inductif 16 de la fig. 1 est montrée à la fig. 4. Pendant le démarrage du moteur, le circuit magnétique 17 travaille au point de saturation, par exemple dans le voisinage du point S et l'enroulement inductif agit, par conséquent, pour procurer un chemin de cou rant local autour de l'enroulement induit d'im pédance relativement faible.
A mesure que le moteur accélère sa vitesse, le voltage entre les points de l'enroulement induit auxquels l'en roulement inductif est électriquement relié, c'est-à-dire en travers des deux jeux de balais cout-circuités, diminue, et par suite le courant passant dans le circuit local comprenant l'en roulement inductif diminue, après quoi le cir cuit magnétique 17 ne sera pas saturé plus longtemps, et l'enroulement inductif agira dans ces conditions comme une bobine de ré action d'impédance relativement élevée, de sorte qu'aux vitesses de marche normale du moteur peu ou point de courant passera dans le circuit de l'enroulement inductif. Pendant la marche normale du moteur, le circuit magné tique 17 travaille dans le voisinage du point R.
L'effet de l'enroulement inductif sur les courbes de vitesse-couple du moteur est illus tré en fig. 7, les courbes 114, 214, 314 et 414 correspondant aux positions de balai 14, 14a, 14b et 14c et aux courbes 141, 142, 143 et 144 de la fig. 6. On verra en examinant les courbes de la fig. 7 que même dans les positions à vitesse basse des balais, le couple de démar rage du moteur sera bien plus grand que le couple de marche normale pour cette position de balai et suffisamment puissant pour faire démarrer toute charge qu'un moteur de ce genre pourra entraîner. L'effet de la bobine de réaction saturée est le plus avantageux pour les positions de balai à vitesse basse, le moteur ayant un couple de démarrage rela tivement élevé, beaucoup plus grand que celui qu'on obtient lorsque la bobine n'est pas em ployée.
Quand les balais mobiles sont déplacés à leur position de pleine vitesse, le voltage induit entre les -deux jeux de balais court-cir cuités ne sera pas élevé, même avec une vi- tesse très élevée du moteur. Pour cette raison, l'enroulement inductif saturé est le plus effi cace quand les balais sont .dans les positions à vitesse basse. Le facteur de puissance du moteur peut aussi être amélioré par l'emploi, pour l'enrou lement inductif, de l'enroulement secondaire d'un transformateur, dont l'enroulement pri maire est relié en série avec l'enroulement in ducteur du moteur. Une forme d'exécution de ce genre est représentée à la fig. 2.
Dans cette figure, un transformateur comporte un enrou lement primaire 18 relié en série avec l'en roulement inducteur 10 et un enroulement secondaire 19 relié entre les jeux de balais court-circuités. Il va de soi que le transfor mateur peut prendre la forme d'un compen sateur auquel cas il n'y aurait qu'un seul en roulement transformateur. Le circuit magné tique 20 du transformateur est établi de ma nière à devenir magnétiquement saturé par l'effet du courant de démarrage du moteur de la même manière que cela a été décrit plus haut à propos de la fig. 1. La phase de la force électromotrice induite dans l'enroule ment secondaire 19 du transformateur et ap pliquée aux deux jeux de balais court-circuités est telle qu'une composition de facteur de puissance soit obtenue.
Dans la variante de la fig. 3, qui prévoit également une amélioration du facteur de puissance, en dehors de l'amélioration du dé marrage, un enroulement inductif 21 est relié en série avec une source d'excitation, entre les deux jeux de balais court-circuités. Dans cette figure, une disposition est représentée par laquelle l'excitation désirée est obtenue depuis l'enroulement inducteur du moteur, bien que, bien entendu, on puisse se servir à cet effet d'un enroulement séparé relié inductivement à l'enroulement inducteur ou de toute source de force électromotrice indépendante de celui- ci. Quand l'excitation est fournie par l'enrou lement inducteur, la phase sera bien entendu choisie convenablement pour améliorer le fac teur de puissance. Dans la variante de la fig.
3, la réactance comporte un circuit magnétique ouvert 22 de sorte qu'il y aura une excitation appréciable à toute vitesse, quel que soit le voltage entre les balais court-circuités. La courbe de magnétisation du circuit magnétique 22 est représentée en fig. 5. On remarquera qu'il n'y a pas de coude prononcé dans cette courbe et que la saturation est ici atteinte plutôt graduellement que brusquement comme précédemment. Le circuit magnétique travaille pendant le démarrage du moteur dans le voi sinage du point S', tandis que, pendant la marche normale du moteur, le circuit magné tique travaille dans le voisinage du point R'.
La fig. 8 montre un alterno-moteur à col lecteur pour courant monophasé du type à ré pulsion, dans lequel les balais sont disposés en quadrature et sont tous mobiles d'un seul bloc, étant préférablement portés par un même joug porte-balais. Les balais 23 et les balais 24 correspondent aux balais 13 et aux balais 14, respectivement, des moteurs des fig. 1, 2 et 3, et le fonctionnement du moteur de la fig. 8 est sensiblement le même que celui des moteurs des fig. 1, 2 et 3. Des enroulements 18, 19 d'un transformateur, celui 18 est relié en série avec l'enroulement inducteur 10, et celui 19 a ses bornes reliées entre les jeux de balais court-circuités exactement comme en fig. 2.
On comprend que le circuit magnétique du transformateur est établi de façon à de venir magnétiquement saturé quand le vol tage entre les balais auxquels l'enroulement transformateur est relié atteint une valeur prédéterminée.
Le moteur à répulsion de la fig. 9 com porte un enroulement de stator 10 et un en roulement d'induit commuté 12 de la même nature que dans les moteurs des fig. 1, 2, 3 et 8. Les balais du moteur de la fig. 9 sont disposés en quadrature électrique; un jeu de balais opposés 33 est directement court-cir cuité le long d'un axe faisant un angle avec l'axe de magnétisation de l'enroulement in ducteur, tandis que l'autre jeu de balais op posés, 34, est fermé par l'enroulement inductif 16 le long d'un axe en quadrature électrique par rapport à l'axe du court-circuit principal. Le circuit magnétique 17 de cet enroulement inductif 16 est destiné à devenir magnétique- ment saturé quand la. vitesse du moteur est telle qu'un voltage prédéterminé existe entre les balais 34.
Tous les balais sont montés ici sur le même joug porte-balais et sont par suite mobiles d'un seul bloc pour obtenir le réglage de vitesse désiré du moteur.
Dans la fig. 10, l'enroulement inductif 16 de la fig. 9 est remplacé par l'enroulement secondaire 19 d'un transformateur dont le primaire 18 est en série avec l'inducteur afin d'obtenir une compensation de facteur de puissance du moteur. Le circuit magnétique du transformateur est établi de façon à devenir magnétiquement saturé quand un voltage pré déterminé existe entre les balais 34 et le fonc tionnement et la mission du transformateur sont ceux décrits à propos de la fig. 2.
On comprend que les balais principaux 34 des mo teurs représentés aux fig. 9 et 10 établissent un court-circuit principal pour l'enroulement induit le long d'un axe faisant un angle par rapport à l'axe de magnétisation de l'enroule ment inducteur et que le circuit auxiliaire comprenant l'enroulement inductif 16 ou 19, est établi le long d'un axe se trouvant élec triquement à angle droit par rapport à l'axe du court-circuit principal.
Dans la fig. 11, on a représenté, pour des buts de comparaison, une courbe de vitesse- couple en un trait plein d'un caractère sensi blement général à des alternomoteurs à collec teur monophasés ordinaires et une courbe de vitesse-couple en un trait interrompu d'un moteur de ce genre perfectionné suivant l'in vention. La vitesse synchrone est indiquée par une ligne horizontale s-s. On remarquera que pour le moteur perfectionné la courbe de vi tesse-couple du moteur est modifiée à des vi tesses relativement basses et relativement élevées. Le voltage entre les balais auxquels l'enroulement inductif est relié est sensible ment zéro à la vitesse synchrone.
A mesure que la vitesse du moteur varie par rapport à la vitesse synchrone dans l'un ou l'autre sens, le voltage entre ces balais augmente. De cette façon, à des vitesses relativement basses et à des vitesses relativement élevées, le voltage entre ces balais est suffisamment grand pour obliger le circuit magnétique de l'enroulement inductif à devenir magnétiquement saturé, de sorte qu'un courant relativement grand passe par l'enroulement inductif.
De cette façon, on obtient à des vitesses relativement basses une augmentation du couple du moteur, tandis qu'à des vitesses relativement élevées, on obtient une diminution du couple du moteur. C'est- à-dire que, à des vitesses relativement élevées, ou pour des charges faibles, on obtient l'effet de limiter la vitesse du moteur, et de l'empê cher de s'emballer là où ses caractéristiques normales sont telles qu'il a cette tendance.
Bien que l'invention ait été décrite plus particulièrement pour un moteur bipolaire avec enroulement induit tournant, elle s'app lique, bien entendu, aussi aux moteurs ayant un nombre quelconque de paires de pôles et dans lesquels c'est l'enroulement induit, au lieu de l'enroulement inducteur, qui est sta tionnaire.
Single-phase alternating current electric motor with collector. The present invention relates to an electric motor with a collector for single-phase alternating current and its main aim is to improve its starting torque, particularly in the case of a repulsion motor.
A repulsion motor of the known type comprises an inductor winding and an armature winding with a main short circuit on the armature winding along an axis making an angle with the magnetizing axis of the inductor winding. In a motor of this kind, a current flowing in the inductor winding induces by a transformer action a current in the winding induces. The induced winding is closed by the main short-circuit in such a way that the magnetization axis of the induced winding with respect to this short-circuit makes an angle with respect to the magnetization axis of the inductor rolling .
The magnetization produced by the induced winding can be decomposed into two components, one in line with the magnetization axis of the inductor winding and the other at right angles to the first. The last component represents the torque producing field of the motor. The component of the magnetization of the armature winding which is in line with the magnetization axis of the inductor winding represents the working current of the motor.
It will be understood that if the axis of magnetization of the induced winding with respect to the main short-circuit coincides with the axis of magnetization of the inductor winding, the motor has no torque producing field and that, therefore, more, as the magnetization axis of the induced winding moves away from the magnetization axis of the inductor winding, the torque producing field increases, while the working current decreases, until these two axes are at right angles to each other, where then the motor's torque producing field is a maximum and the working current a minimum or zero.
The intensity of the torque producing field is thus determined by the angle between the axis of magnetization of the inductor winding and that of the induced winding with respect to the main short circuit on the latter.
By moving the brushes connected to the main short-circuit of such a repulsion motor, the magnetization axis of the induced winding is moved and the torque producing field of the motor is varied, thereby changing the speed of the motor. A low intensity torque producing field corresponds to a high speed, while a high intensity field corresponds to a low speed. When the brushes are in their low speed positions, the field strength of the motor will therefore be large and it follows that the inductor winding presents a considerable reactance which opposes the passage of current through it and limits the motor working current.
In the single-phase alternating current collector electric motor, which is the subject of this invention and which has, as is known, an inductor winding and an armature winding, the armature winding is connected to the collector having brushes connected to each other. way to form a main short circuit on the armature winding along an axis at an angle with the magnetizing axis of the inductor rolling, while an inductive winding is connected between some of the brushes of the collector of so as to form an auxiliary circuit on the induced winding along an axis which is in electrical quadrature with the axis of the main short circuit, the inductive winding having a magnetic circuit established so as to be saturated when the motor running at speeds sufficiently far from the synchronous speed.
The induced winding being thus closed by the auxiliary circuit along an axis at right angles to the axis of the main short-circuit, a current path is provided for a current whose magnetizing effect is to modify the field. engine torque producer. The auxiliary circuit has two effects; first, it alters the field strength of the motor and second, it alters the reactance of the inductor winding as a result of this change in field strength, and thereby alters the working current of the motor.
When the main short-circuit brushes are in their low speed positions, the auxiliary circuit operates at low speeds, first, to decrease the strength of the motor's torque-producing field and, then, to reduce the reactance of the motor. the inductor winding and to allow the passage of an increased working current.
When the voltage between the points of the induced winding to which the inductive winding is electrically connected is such that the magnetic circuit of the inductive winding is magnetically saturated, the inductive winding will have a relatively low impedance, and a current very strong will pass, through him. The flow of this relatively strong current through the inductive winding at low speeds decreases the torque producing field of the motor and increases the working current. The increase in working current is considerably greater than the decrease in field strength, and since the torque is proportional to the product of the working current and the field strength, an increase in torque of engine.
When the voltage between the points of the induced winding to which the inductive winding is electrically connected drops below the saturation voltage, for example as the motor speeds up after starting, the inductive winding acts as a Considerable impedance feedback coil and limits the current flow through it to a relatively small value.
It will be understood by this that an inductive winding connected in the manner indicated and having a predetermined saturation voltage acts automatically and has no or very little influence on the operation of the motor at normal running speeds, in the voi sinage of synchronism, while, at very low speeds and at very high speeds, the effect of this undue winding is very pronounced, thanks to the. saturation of its magnetic circuit. The saturated inductive winding thus allows the motor field to gradually increase in intensity as the motor accelerates its speed. market.
This automatic and gradual increase in field strength is precisely what is needed during motor start-up in order to achieve the desired characteristics of the switching and the relationship between speed and torque.
The appended schematic drawing represents, by way of example, several embodiments of the object of the invention: FIGS. 1, 2, 3, 8, 9 and 10 show the diagrams of various embodiments of the repulsion type; Figs. 4, 5, 6, 7 and 11 are dia grams.
The motors shown schematically in FIGS. 1, 2 and 3, are of the well known type of repulsion alternator having two sets of relatively movable short-circuited brushes associated with the rotor. An inductor winding 10 is mounted on the stator and arranged to be connected to a single phase alternating current source 11. The rotor of the motors carries an armature winding 12. This is a switched winding of the direct current type and is connected. to the segments of a commutator on which the commutator brushes rest. Collector brushes are divided into two sets, each of which includes a stationary brush and a movable brush.
The stationary brushes are placed in the axis of magnetization of the inductor winding, while the movable brushes are arranged on an axis forming an angle with the axis of magnetization of the inductor winding. The motors shown in fig. 1 to 3 are bipolar and therefore there are two stationary brushes 13 placed in the magnetization axis of the inductor winding 10. Each stationary brush 13 is combined with a cooperating mobile brush 14 connected there by a short conductor. -circuit 15. The brushes 14 are moved to obtain the desired speed setting of the motor and the displacement of the brushes 14 will be such that the brushes are always maintained (in a bipolar arrangement) diametrically opposed to one another. Four positions of the moving brushes are shown in fig. 1.
The brush position 14 is a low speed brush position and the brush position 14c is a high speed brush position, while the brush positions 14a and 14b are intermediate positions. In all the figures of the drawing, the stationary brushes are characterized by hatching, while the movable brushes are shown in white.
The operation and characteristics of the motors which have just been described are well known. The speed-torque curves for such a motor are shown in fig. 6. Curve 144 is the speed-torque curve of the motor when the moving brushes occupy the position 14c of FIG. 1, which is the normal running wave high speed position of the moving bays. The curves 143, 142 and 141 are the speed-torque curves corresponding, respectively, to the brush positions 14b, 14a and 14. It is assumed here that for the brush position 14c, the normal running speed is a little higher than the synchronous speed, which is indicated by the horizontal line ss. The starting torque for this brush position is very considerably higher than the normal running torque.
On the other hand, in the low speed brush position 14, the speed is lower than the synchronous speed for the same operating torque. It will be seen that the speed-torque curve 141 is of such a character that the starting torque is only slightly higher than the normal running torque for this corresponding brush position 14.
It is therefore obvious that in this position of the brushes at low speed, the torque of the motor is relatively low and it follows that if the resting friction of the load to be controlled is very high, it may not be possible to make start the load with the brushes in the low speed position, but it will be necessary to start the load with the brushes in the high speed position and then, after the motor has accelerated to the desired speed, to return the brushes to the desired low speed position.
It is precisely to avoid this difficulty that the improved motors are provided with means for adjusting the speed-torque characteristics of the motor so as to obtain a satisfactory starting torque when the brushes are moved to the low speed positions.
These means comprise a reactive coil arranged to become magnetically saturated at a predetermined voltage value and connected between the two sets of short-circuited brushes 13, 14. According to FIG. 1, this reactive coil is formed of a winding 16 inductively coupled with a magnetic circuit 17 and connected between the short-circuited conductors 15.
The magnetic circuit 17 is set up in such a way that it becomes magnetically saturated when a predetermined voltage exists between the short-circuit conductors 15, which voltage is chosen so that saturation is reached when the motor is started, allowing thus a relatively large quantity of current to pass through the bearing 16. The current passing through the inductor bearing 10 induces by a transformer action a current in the induced winding 12. The arrangement of the brushes is such that the working current of the motor crosses that of the portions of the induced winding which is between the two relatively movable and short-circuited brushes of each set.
The magnetization due to the current passing through the corresponding portion of the inductor winding is substantially neutralized by the magnetization produced by the working current. But the magnetization due to the current flowing through the portion of the inductor winding between the two short-circuited sets of bars is not neutralized by the currents flowing in the induced winding and is, therefore, effective in establishing a field for the motor. It will thus be understood that the conductors of the short-circuiting 15 determine short-circuits for the induced winding along an axis forming an angle with the magnetization axis of the inductive winding and that the inductive winding 16 is connected in a auxiliary local circuit along an axis at right angles to the axis of the main shorts.
The inductive bearing is thus connected along the axis of the induced winding which is inter- connected with the torque producing field of the motor and the effect of the inductive winding, thus connected, is to modify the field. torque producer.
The intensity of the torque producing field of the motors of FIGS. 1, 2 and 3 is determined by the angle embraced between a stationary broom 13 and the mobile broom 14 of the adjacent short-circuited brush set and it follows that when the movable brushes are moved away from the stationary brooms of the brush set adjacent short circuit, the torque producing field is relatively large. These last positions of the moving brushes are their low speed positions, and as a result of the large motor field which exists when the brushes occupy these positions, the inductor winding will have a considerable reactance, which restricts the passage of current through it, with the result that the working current of the motor is reduced.
The auxiliary circuit enclosing the inductive winding connected between the short-circuited brush sets provides a current path for the portion of the induced winding which is interconnected with the torque producing field of the motor. A current will thus flow through the portion of the induced winding which is interconnected with the torque producing field of the motor and this current partially neutralizes the effect of the current flowing through the portion of the inductive winding interconnected with the motor field, thanks to at which the intensity of the motor field is reduced. This decrease in the intensity of the motor field reduces the reactance of the driver winding and allows a greater current to pass through it, which increases the working current of the motor.
The voltage between the two sets of shorted brushes is a function of the glowing angle between the sets of shorted brushes and is further a function of the motor speed. At synchronous speed, this voltage is zero and the voltage gradually increases as the speed varies in either direction from the synchronous speed, being a maximum at rest. , and relatively high at speeds considerably above synchronism. As the voltage between the two sets of short-circuited brushes, and hence across the portion of the field winding which is effective for generating the motor field, is relatively high at rest, the motor will have a very strong field at rest. .
This strong field gives rise to destructive sparking at the commutator brushes and, as a result of the increased reactance of the inductive winding, tends to reduce the magnitude of the working current in the motor. But, the magnetic circuit of the inductive winding is set up so as to become magnetically saturated at a suitable voltage value to limit the reactance effect of the torque producing field and to restrict the voltage induced per collector segment to a value. eligible. When the voltage between the two sets of shorted brushes to which the inductive winding is connected is such that the magnetic circuit of the inductive winding is magnetically saturated, the inductive winding will have a relatively low impedance and a very large current. will go through it.
The flow of this relatively large current through the inductive winding during starting of the motor decreases the torque producing field thereof and results in an increase in the working current. When the voltage between the two sets of shorted brushes drops below the saturation voltage, for example as the motor accelerates its speed after starting, the inductive winding acts as a reactance coil of considerable impedance. and limits the passage of current through it to a relatively low value.
It is thus understood that the effect of the saturated inductive winding to modify the motor torque producing field is automatic, since the torque producing field is only modified appreciably when the magnetic circuit of the winding inductive is saturated, as at rest or at relatively high speeds.
The magnetization curve of the inductive winding 16 of FIG. 1 is shown in fig. 4. During motor starting, the magnetic circuit 17 works at the saturation point, for example in the vicinity of the point S, and the inductive winding therefore acts to provide a local current path around the induced winding. relatively low impedance.
As the motor accelerates its speed, the voltage between the points of the induced winding to which the inductive bearing is electrically connected, i.e. across the two sets of cross-circuited brushes, decreases, and consequently the current flowing in the local circuit comprising the inductive bearing decreases, after which the magnetic circuit 17 will not be saturated any longer, and the inductive winding will act under these conditions as a relatively impedance feedback coil. high, so that at normal motor running speeds little or no current will flow through the inductive winding circuit. During normal engine operation, the magnetic circuit 17 works in the vicinity of point R.
The effect of the inductive winding on the speed-torque curves of the motor is illustrated in fig. 7, the curves 114, 214, 314 and 414 corresponding to the brush positions 14, 14a, 14b and 14c and to the curves 141, 142, 143 and 144 of FIG. 6. It will be seen by examining the curves of FIG. 7 that even in the low speed positions of the brushes, the starting torque of the motor will be much greater than the normal running torque for that brush position and powerful enough to start any load that a motor of this type can. to train. The saturated reaction coil effect is most beneficial for low speed brush positions, as the motor has a relatively high starting torque, much greater than that obtained when the coil is not driven. bent.
When the moving brushes are moved to their full speed position, the induced voltage between the two sets of shorted brushes will not be high, even at very high motor speed. For this reason, the saturated inductive winding is most efficient when the brushes are in the low speed positions. The power factor of the motor can also be improved by using, for the inductive winding, the secondary winding of a transformer, the primary winding of which is connected in series with the inductive winding of the motor. . An embodiment of this type is shown in FIG. 2.
In this figure, a transformer has a primary winding 18 connected in series with the inductor rolling 10 and a secondary winding 19 connected between the sets of short-circuited brushes. It goes without saying that the transformer can take the form of a compensator in which case there would be only one transformer bearing. The magnetic circuit 20 of the transformer is set up so as to become magnetically saturated by the effect of the motor starting current in the same manner as described above in connection with FIG. 1. The phase of the electromotive force induced in the secondary winding 19 of the transformer and applied to the two sets of shorted brushes is such that a power factor composition is obtained.
In the variant of FIG. 3, which also provides for an improvement in the power factor, apart from improving the starting, an inductive winding 21 is connected in series with an excitation source, between the two sets of short-circuited brushes. In this figure, an arrangement is shown whereby the desired excitation is obtained from the field winding of the motor, although of course a separate winding can be used for this purpose inductively connected to the field winding or from any source of electromotive force independent thereof. When the excitation is provided by the inductive winding, the phase will of course be chosen suitably to improve the power factor. In the variant of FIG.
3, the reactance has an open magnetic circuit 22 so that there will be appreciable excitation at any speed, regardless of the voltage between the shorted brushes. The magnetization curve of the magnetic circuit 22 is shown in FIG. 5. Note that there is no pronounced bend in this curve and that saturation is reached here rather gradually than abruptly as previously. The magnetic circuit works during the starting of the motor in the vicinity of point S ', while, during normal operation of the motor, the magnetic circuit works in the vicinity of point R'.
Fig. 8 shows a drive-neck alternator motor for single-phase current of the repulsion type, in which the brushes are arranged in quadrature and are all movable as a single unit, preferably being carried by the same brush-holder yoke. The brushes 23 and the brushes 24 correspond to the brushes 13 and to the brushes 14, respectively, of the motors of FIGS. 1, 2 and 3, and the operation of the motor of FIG. 8 is substantially the same as that of the motors of FIGS. 1, 2 and 3. Of the windings 18, 19 of a transformer, that 18 is connected in series with the field winding 10, and that 19 has its terminals connected between the sets of short-circuited brushes exactly as in fig. 2.
It is understood that the magnetic circuit of the transformer is established so as to come magnetically saturated when the vol tage between the brushes to which the transformer winding is connected reaches a predetermined value.
The repulsion motor of FIG. 9 com carries a stator winding 10 and a switched armature bearing 12 of the same nature as in the motors of FIGS. 1, 2, 3 and 8. The motor brushes of fig. 9 are arranged in electrical quadrature; one set of opposing brushes 33 is directly shorted along an axis at an angle with the magnetizing axis of the driver winding, while the other set of op posed brushes, 34, is closed by the inductive winding 16 along an axis in electrical quadrature with respect to the axis of the main short-circuit. The magnetic circuit 17 of this inductive winding 16 is intended to become magnetically saturated when the. Motor speed is such that a predetermined voltage exists between the brushes 34.
All the brushes are mounted here on the same brush holder yoke and are therefore movable in a single unit to obtain the desired speed setting of the motor.
In fig. 10, the inductive winding 16 of FIG. 9 is replaced by the secondary winding 19 of a transformer whose primary 18 is in series with the inductor in order to obtain motor power factor compensation. The magnetic circuit of the transformer is established so as to become magnetically saturated when a predetermined voltage exists between the brushes 34 and the operation and the mission of the transformer are those described in connection with fig. 2.
It will be understood that the main brushes 34 of the motors shown in FIGS. 9 and 10 establish a main short circuit for the induced winding along an axis at an angle to the axis of magnetization of the inductive winding and that the auxiliary circuit comprising the inductive winding 16 or 19 , is established along an axis which is electrically at right angles to the axis of the main short-circuit.
In fig. 11, there is shown, for purposes of comparison, a speed-torque curve in a solid line of a character substantially general to ordinary single-phase collector alternators and a speed-torque curve in a broken line. an engine of this type perfected according to the invention. The synchronous speed is indicated by a horizontal line s-s. It will be noted that for the improved engine the speed-torque curve of the engine is modified at relatively low and relatively high speeds. The voltage between the brushes to which the inductive winding is connected is substantially zero at synchronous speed.
As the motor speed varies from the synchronous speed in either direction, the voltage between these brushes increases. In this way, at relatively low speeds and at relatively high speeds, the voltage between these brushes is large enough to cause the magnetic circuit of the inductive winding to become magnetically saturated, so that a relatively large current passes through it. inductive winding.
In this way, an increase in engine torque is obtained at relatively low speeds, while at relatively high speeds, a decrease in engine torque is obtained. That is to say, at relatively high speeds, or for low loads, the effect is obtained of limiting the speed of the motor, and of preventing it from revving up where its normal characteristics are such. that he has this tendency.
Although the invention has been described more particularly for a bipolar motor with rotating armature winding, it applies, of course, also to motors having any number of pairs of poles and in which it is the armature winding, instead of the inductor winding, which is stationary.