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.