CHAPITRE VI

Générateurs mécaniques d'éleetrieité.

42. L'exemple numérique que nous avons donné dans le chapitre précédent montre que dès qu'il s'agit d'obtenir à l'aide d'une pile une force électro-motrice ou une intensité un peu considérable, on est conduit à employer un très grand nombre d'éléments et par suite à avoir une source d'électricité lourde et encombrante. Aussi dans beaucoup de cas, et notamment pour les installations d'éclairage, a-t-on recours à des générateurs mécaniques d'électricité. Le plus grand nombre de ces générateurs sont basés sur les phénomènes d'induction produits par le déplacement d'un conducteur dans un champ magnétique. Ce champ magnétique peut être produit par des aimants permanents, et on a alors les machines dites magnéto-électriques, ou par des électro-aimants, auquel cas on a les machines dites dynamos-électriques, ou par abréviation dynamos.

43. Théorie des machines électro-magnétiques. — Toute machine électro -magnétique comprend deux parties essentielles : un inducteur destiné à produire un champ magnétique, et un induit, ou armature, constitué par la portion du circuit où se produit le courant sous l'action du champ magnétique. Dans la plupart des machines l'inducteur est fixe et l'induit reçoit un mouvement de rotation devant les pôles de cet inducteur.

La machine idéale la plus simple que l'on puisse concevoir est représentée par la figure 53. L'inducteur est formé de deux pôles d'aimant placés en regard l'un de l'autre. L'induit est constitué par

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un fil de cuivre m n dont les extrémités sont repliées de manière à former une boucle fermée, et qui peut recevoir un mouvement de rotafion autour de Taxe oo entre les pôles de l'inducteur.

Supposons que Ton imprime à la boucle un mouvement de rotation uniforme dans le sens indiqué par la flèche. D'après ce que nous avons vu, le champ magnétique inducteur est constitué par des lignes de force sensiblement parallèles , allant de N vers S.

Lorsque m n sera dans la position a b, dans le plan perpendiculaire à la direction des lignes de force,

le nombre de lignes de force intercepté par la boucle sera maximum. Il ira ensuite en décroissant, et deviendra nul lorsque m n sera en cd. Puis il croîtra pour passer de nouveau par un maximum en a'b', et ainsi de suite. Le fil m n sera donc parcouru par des courants induits.

Pour trouver le sens de ces courants, appliquons la règle que nous avons donnée au § 16. Supposons un individu couché sur le fil m n, ayant par exemple la tête en m et les pieds en n, et placé de telle sorte que son bras droit indique le sens du mouvement. On voit immédiatement que, durant toute la demi-révolution pendant laquelle m n passera devant le pôle nord, l'individu regardera ce pôle nord. Le courant sera donc dirigé dans le sens m n. De même, durant toute la demi-révolution qui fait passer m n devant le pôle sud , l'individu regardera ce pôle sud , et le courant induit sera par suite dirigé dans le sens n m.

Donc , si le mouvement de rotation est continu , le fil m n sera parcouru par des courants alternatifs, le sens du courant changeant chaque fois que le fil passe dans le plan abab'. Ce plan est désigné sous le nom de zone neutre. De part et d'autre de la zone neutre, la force électro-motrice d'induction est de sens différent.

La valeur de cette force électro-motrice n'est d'ailleurs pas cons-

Fig. 54.

tante, et varie périodiquement pendant le mouvement de rotation. Prenons comme point de départ la position a b. Le fil m n se trouve alors dans la zone neutre, et la force électro-motrice, en changeant de sens, passe par zéro. La force électro-motrice va ensuite en augmentant progressivement, jusqu'en c rf, où elle passe par un maximum. Puis elle décroît, et redevient nulle en a b', après

une rotation de 180°.

Elle change alors de sens, et repasse de nouveau par un maximum en c'd'. Un diagramme très simple (fig. 54) représente cette variation du sens et de l'intensité de la force électro-motrice, ou, ce qui revient au même, du sens et de Tintensité du courant dans le fil m n.

Pour que les courants ainsi produits puissent être utilisés, il faut pouvoir les faire circuler dans un circuit fixe quelconque, indépendant de la machine. On peut employer dans ce but la disposition suivante. Supposons que Ton coupe la boucle en un point, et que Ton soude les extrémités libres du fil à deux manchons en

cuivre isolés l'un de l'autre, et montés sur l'arbre de rotation (fig. 55).

Imaginons deux lames métalliques frottant sur ces manchons de manière à leur permettre de tourner tout en restant constamment en contact avec eux, et réunissons les extrémités A et A' de ces lames par un conducteur. Le fil mn fait alors partie d'un circuit fermé, et ce circuit, dont une portion est fixe et extérieure à la machine, sera parcouru par les mêmes courants alternatifs que le fil m n. Les deux extrémités A et A' des lames métalliques constitueront les pâles de la machine, chacun de ces pôles étant tantôt positif, tantôt négatif, puisque le sens du courant est variable. L'ensemble des deux manchons qui servent à recueillir les courants produits dans le

Fig. 55.

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fil m n est désigné sous le nom de collecteur. Les lames métalliques qui frottent sur ces manchons portent le nom de balais.

Les machines à courants alternatifs, ou alternateurs, sont fondées sur le principe que nous venons d'exposer. Ces courants sont utilisés dans certaines applications , mais dans un grand nombre de cas on a besoin de courants continus , c'est-à-dire parcourant toujours le circuit extérieur dans un même sens. On arrive à ce résultat en modifiant le collecteur de manière à lui faire jouer en même temps le rôle de commutateur, c'est-à-dire d'appareil ser-

Fig. 56.

vant à changer convenablement le sens du cqjirant. Imaginons que les deux extrémités de la boucle soient reliées, non plus à deux manchons séparés comme dans le cas précédent, mais à deux demi-manchons entourant l'arbre de rotation et isolés l'un de l'autre (fig. 56), et plaçons sur le collecteur ainsi formé deux balais dont les points de contact soient diamétralement opposés. On voit que si les choses sont disposées de telle sorte que chaque balai abandonne un des demi-manchons pour venir en contact avec l'autre au moment précis où le fil m n passe dans la zone neutre, un conducteur réunissant les pôles A et A' sera parcouru par un courant continu. En effet, au moment où m n passe dans la zone neutre, le sens du courant induit change, mais au même instant le point ???, par exemple, se trouve relié au balai A et non plus au balai A'. Les courants alternatifs produits dans le fil m n sont donc redressés dans le circuit extérieur, qui est alors parcouru par un courant d'intensité variable, mais de sens constant, A' étant le pôle

positif et A le pôle négatif. Le diagramme de la figure 57 représente la variation du courant dans le circuit extérieur, celui de la

figure 54- représentant toujours la variation du courant dans le fil m n. Si p est la résistance du fil m n, R celle du circuit extérieur, E la force électro-motrice, l'intensité du courant est, à un instant quelconque,

Fig. 57.

la valeur de E, et par suite celle de I, variant comme l'indique la courbe représentative de la figure 57.

Cette variation d'intensité des courants obtenus à l'aide d'une armature constituée comme nous venons de .l'indiquer rendrait ces courants difficilement utilisables dans la pratique , où l'on a besoin en général de courants constants. On atteint ce résultat, au moins avec une approximation suffisante, en combinant ensemble un certain nombre d'éléments identiques au fil m n, et en les groupant convenablement. Suivant la disposition de ces éléments , on obtient soit l'armature en anneau, soit l'armature en tambour, que

nous allons étudier successivement.

44. Théorie de l'armature en anneau. — Reprenons la figure 56, et mettons-la sous une forme plus simple en supposant le fil m n rabattu dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (fig.

58). Tant que m n sera à gauche de la zone neutre , la flèche indiquant le sens du courant ira de la circonférence vers le centre; à droite de la zone neutre, elle ira du centre vers la circonférence. Appelons Ei, E„ E„ les valeurs de la force électro-motrice d'induction lorsque m n est à 30°, 60°, 90° de la zone neutre. On peut représenter comme

Fig. 58.

GÉNÉRATEURS MÉCANIQUES D'ÉLECTRICITÉ. 71

Tindique la figure les différentes valeurs que prendra la force électro-motrice pendant une rotation complète, en remarquant que, de part et d'autre de la zone neutre, la force électro -motrice est de sens contraire. Nous désignerons par B+ le balai positif, par B le balai négatif.

Imaginons maintenant qu'au lieu d'un fil unique m n on en ait 12 répartis régulièrement, à 30° l'un de l'autre. A un instant quelconque, si Fun des fils est dans la zone neutre, les autres seront parcourus par des courants de

force électro-motrice égale à E,, .Zone [neutre

E,, E„ E, , etc. Associons tous ces i ! ..'N

fils en tension (fig. 59) et divi- ^ ,^ ^s£ "'* '\&2

sons le collecteur en 12 segments /' St^vw reliés chacun au fil de jonction // ; ... §\

de deux éléments voisins. Pla- { ' .

çons les balais de telle sorte qu'au \ moment où un élément passe \ dans la zone neutre, le sens \, x

dans lequel il est relié aux balais ^-^ ' ^

soit interverti. De chaque côté Fi 5g

de la zone neutre, les forces

électro-motrices seront de même sens et s'ajouteront. On voit immédiatement sur la figure que l'ensemble des 12 fils peut être considéré à un instant quelconque comme partagé en deux groupes de 6, associés en quantité. En effet, au moment où un élément franchit la zone neutre , il en est de môme de l'élément diamétralement opposé, de sorte que chaque groupe est toujours composé de 6 éléments parcourus par des courants de même sens et associés en tension. Désignons par E la somme des forces électro-motrices des éléments d'un même groupe, par p la résistance d'un élément. En se reportant à ce que nous avons dit au sujet des groupements d'éléments de pile (§ 30), on voit que l'on aura à chaque instant :

Voyons maintenant comment varie la valeur de E. Pour un élé-

ment considéré isolément, la variation de la force électro-motrice est représentée par la courbe de la figure 54. L'écart angulaire des éléments étant égal à 30°, la variation de la force électro-motrice dans les autres éléments sera représentée par la même courbe déplacée de 30°, 60°, 90°, etc. En traçant ainsi (fig.

60) les six courbes relatives aux six éléments d'un groupe, et en faisant la somme des ordonnées de ces courbes, on aura la courbe représentative de E, c'est-à-dire la courbe représentant la variation de l'intensité dans le circuit extérieur.

On voit sur la figure que cette courbe présente des ondulations beaucoup moins accentuées que la courbe obtenue avec un seul élément. Si, au lieu de 12 éléments, on en prenait un nombre plus considérable , on obtiendrait une courbe dont les ondulations seraient encore plus faibles. En augmentant suffisamment le nombre des éléments, on arrivera donc à une courbe différant très peu d'une ligne droite, et la force électro-motrice pourra alors être considérée comme sensiblement constante.

D'après ce que nous avons dit, le nombre d'éléments devra toujours être un nombre pair, et le collecteur devra être fractionné en autant de segments ou lames qu'il y a d'éléments.

Lorsque les éléments sont très nombreux , et par suite très rapprochés les uns des autres, on peut admettre sans erreur sensible qu'un certain nombre d'éléments juxtaposés passent ensemble dans la zone neutre. On peut alors diminuer le nombre de lames du collecteur, en considérant comme un seul élément l'ensemble formé par ces éléments juxtaposés groupés en tension. Cet élément multiple, auquel s'appliquent tous les raisonnements que nous avons faits jusqu'ici, est désigné sous le nom de section. La figure 61

GÉNÉRATEURS MÉCANIQUES D'ÉLECTRICITÉ. 73

représente le schéma d'une armature ainsi formée. Pour ne pas compliquer la figure, l'armature a été supposée réduite à 6 sections composées ' chacune de 3 éléments. Le collecteur est alors divisé en 6 lames. Zon«|n«ulre

En réalité , le nombre des sections est toujours beaucoup plus considérable, et elles sont juxtaposées de manière à former un anneau continu. On peut aussi , dans une môme section , superposer plusieurs éléments distribués suivant des couches concentriques à Taxe de rotation. D'une manière générale, si n est le nombre de sections, p la résistance '

d'une section, et E la somme des forces F,g * 61 '

électro-motrices des sections formant une moitié de l'armature , on aura :

R étant la résistance du circuit extérieur.

Il est important de remarquer que le collecteur, tout en étant calé sur l'arbre , peut être orienté d'une manière quelconque par rapport à l'armature, et que par conséquent le diamètre des points de contact Zone ineutredes balais ne coïncide pas forcément avec la zone neutre. C'est ce que représente la figure 62, qui est au fond identique à la figure 61. La coïncidence n'a lieu que lorsque chaque élément est placé dans le plan bissecteur des plans moyens des deux lames du collecteur auxquelles il est relié.