CHAPITRE IV

G£N£RÂT£URS D ENERGIE ELEGTBIQUE

Les machines dynamos produisant une force électromotrice d'induction par le déplacement d'un conducteur dans un champ magnétique, sont des appareils qui transforment en énergie électrique l'énergie mécanique utilisée à mouvoir le circuit mobile.

Une dynamo comprendra donc deux parties essentielles, Tune fixe et l'autre mobile, mais peu importe que ce soit Tune ou l'autre qui produise le champ magnétique.

Le circuit, siège de la force électromotrice d'induction, porte le nom générique à^indu}t et la partie de la machine qui produit le champ celui âiinducteur.

Généralement, et surtout (Jans les petites machines, rinduit est mobile et l'inducteur fixe.

Si le champ magnétique est produit par un aimant permanent, la machine est dite magnéto-électrique ; elle est dite dynamo électrique si le champ est dû à un électro-aimant.

Celte dernière disposition étant aujourd'hui la seule employée nous ne parlerons que des machines dynamo éleclriques dites dynamos.

Une troisième catégorie d'organes complète une dynamo ; elle comprend les dispositifs variés, nécessaires à recueillir le courant engendré :

Le collecteur.

LECLAIRAGE ELECTRIQUE

•TTW

Les porle-bakis.

Les balais.

Machines Dyn&mo-Ëleotriciuefi.

Les générateurs d'énergie électrique par induction, quelle que soit leur catégorie, nous verrons plus loin qu'il y en a trois, procèdent tous du même principe.

Si l'on suppose qu'une spire constituée par un fil métallique se meuve dans le champ produit par l'électroaimant représenté par ses pôles NS (fig.42) et qu'elle soit animée d'un mouvement de rotation autour de l'axe o, elle sera le siège de iorces éleclromotrices égales mais de signe contraire, suivant qu'elle se trouvera en S' dans la région XSX, ou en S' dans la région XNX,.

Si donc, par xi v un artifice quel-

conque, on recueille le courant produit on constatera que la force électromotrice change périodiquement de signe, qu'elle sera Fig. 12. — Dynamo élémenlaire. tantôt négative et

tantôt positive, 2 fois par révolution, et que ces variations se produiront en des points déterminés dits points de commutation.

Les points de commutation se trouvent toujours aux deux extrémités d'un même diamètre YOY'. Dans une dynamo théorique ce diamètre est perpen-

diculaire à la ligne des pôles NS, mais praliquement II est rejeté en avant, dans le sens de la rotation, en YY^, d'un certain angle a.

Si l'induit, au lieu d'être formé d'une seule spire en contenait un nombre quelconque, également réparties de chaque côlé de XX^ les choses se passeraient delà même façon : toutes les spires situées dans la région XNXi seraient le siège d'une force électromotrice égale et de signe contraire à la force électromotrice développée dans les spires placées en XSX^.

Ces spires peuvent être constituées par un fil unique, qui recouvre tout l'induit et dont les deux extrémités sont reliées chacune à une bague métallique connectée au circuit extérieur. Ce dernier sera traversé par un courant dont la force électromotrice sera tantôt positive tantôt négative, comme on l'a vu plus haut, c'est-à-dire par un courant alternatif.

Les machines construites sur ce principe portent le nom de dynamos à courants alternatifs ou alterna-leurs.

Si, par un artifice convenable, les spires sont reliées entre elles et au circuit extérieur de telle sorte que le courant dans ce dernier soit toujours de même sens, ce courant sera dit continu et la dynamo dite dynamo à courant continu.

Les machines à courant redressé tiennent le milieu entre ces deux catégories ; le courant est toujours de même sens dans le conducteur extérieur, mais la force électro-motrice stibit, dans les types courants, des variations brusques et périodiques.

Les dynamos doivent présenter une résistance d'isolement élevée.

136 L'KCLArRAOE KLECTBrQUE

DirX.ïMÛS A COURANT CONTINU

Nous supposons l'induit I mobile et les iaducteurs Ë fixes.

L'induit est divisé en un certain nombre de sections s ou bobines élémentaires reliées entre elles de façon à former un circuit conlinu.

De cliaque point de jonctioo de deux bobinas successives part un connect-'ur qui abouiit à la touche t correspondante du collecteur.

Le collecteur compte uu nombre de louches généralement égal à celui des sections : il est monté sur l'arbre de rotation de l'induit et tourne avec lui.

Deuxfta/(iis,irig.43, dans le cas d'une machine bipolaire, fixes, frottent avec le collecteur. Ils recueillent le courant engendré et l'amènent à deux bornes fixées avec la machine.

C'est de ces bornes . que partent les conduc-

Fig.43. — Éléments induila d'une dynamo. 7 .-. .. ■

teurs constituantlecir-

cuit d'utilisation.

Modes d'enroulement de r induit. — Sauf dans les machines à disques le circuit induit est toujours enroulé sur un noyau de fer. La raison en est que cette disposition diminue dans un large mesure la résistance magnifique du mifieu interposé entre les pôles magnéliques des inducteurs, que les lignes de force du champ traverseront

UQ plus grand nombre les spires de l'induit et que comme conséquence directe la production de la machine sera augmentée.

Cette piècft de fer supportant le circuit induit porte le nom de noyau de l'induit.

Pendant la marche elle est le siège de courants de Foucault dont nous avons parlé précédemment, courants dont l'action se manifeste par un écbauiïement du noyau dont la température peut devenir telle que l'isolant des fils de l'induit se carbonise.

C'est pour éviter et les chances de brûler l'induit et la perte d'énergie résultant de la production de ces courants, que plusieurs constructeurs formant le noyau non plus d'une masse de fer, mais d'une série de lames de tôle douce trf-s minces, isolées entre elles au papier gomme laqué et montées perpendiculairement à l'axe de rotation.

Dans les machines Rechniewski on a étendu cette division des noyaux à celles des inducteurs.

L'enroulenunt proprement dit de l'induit peut être fititdc deux façons distinctes, en anneau ou en tambour.

Enroulement en anneau.

— Dans cette disposition, le (il passe sur les laces extérieure et intérieure du noyau, qui a la forme d'une couronne cylindrique.

Les bobines élémentaires sont donc comme enfilées gur le noyau.

La figure 44 montre la disposition en anneau adop- *''^- **■ ~ '"''"'' '" "'""""'■

i38 t'ÉGLAIRAOE ÉLECTRIQUE

tée dans lee machines Gramme dont le noyau est formé d'un tore en fils de 1er doux, isolés entre eux par un vernis à la gomme laque ou autre résine convenable.

Mnroulement en tambour. — Ûénommée aussi enroulement Siemens, du nom du premier constructeur qui t'ait utilisée, celte disposition dilTère totalement de la précédente.

L& le fil ne porte plus que sur la face extérieure du

Fif. 45, — Induit an lombouf.

Boyau, et de plus la disposition de chaque section affecte une forme particulière.

Ces sections sont reliées entre elles de façon à former un circuit continu, la fin d'une section et le commencement de la suivante aboutissent au même connecteur.

Le mode d'enroulement peut ôlre expliqué ii l'aide de la figure schématique 43.

Parlant delà touche a du collecteur, le fil prend la direction a a,, suit le noyau cylindrique suivant une génératrice a, a„ traverse diamétralement la face opposée de noyau en a, a,, longe le cylindre suivant la génératrice a, a, opposée à a, a^ ; puis de là, serpentant sur la face avant du noyau il revient eu b, seconde touche du

MAGHINES DYNAMO-ELECTRIQUES

collecteur d'où partira le Gommencemeat de la section suivante.

Le fil de cette dernièrç suit le chemin b b^ — b^ bj — ba b^ — b4 ba — ba c.

£t ainsi de suite.

On remarquera que les spires sont disposées symétriquement à droite et à gauche de Tarbre de rotation, et que le noyau porte des cales pour maintenir renroule-» ment.

Dynamos multipolaires. — Le champ magnétique des dynamos de grande puissance est généralement formé par plusieurs électron-aimants,

Les pôles magnétiques, en nombre pair, sont alternativement de nom contraire et placés symétriquement autour de Tarmature.

En adoptî^nt la disposition générale précédente il faudrait autant de pairesde

Fig. 46, — Dynamo tétraçolaire, enroulement en quantité.

balais qu'il y a de paires de pôles, mais on évite cet inconvénient d'une façon très simple ; et généralement les dynamos multipolaires n'ont qu'une paire de balais.

On réalise cette condition en réunissant entre elles les sections de l'induit d'après, la méthode indiquée par Mordey, méthode qui permet d'obtenir avec un même induit, un courant de grande intensité ou de haute tension.

Enroulement en quantité. — Le mode de liaison de«

'•" L'kCLAIRAOE KLECTRIQL'E

sections dépend évidemment du nombre de pôles de la machiae.

AinM,dans une dynamo à 4pôles (lig.iC) ou réunit entre elles les sections situées aux extrémités d'un même diamètre ; dans une machiQ3 à 6 pôles on réunira les sections qui font entre elles un angle de 120".

Dans une machine à 4 pôles les deux balais sont placés à 90" l'un de l'autre.

Ce mode d'enroulement qui convient très bien à la production de couranis intenses, a l'inconvénient de donner à la force électromotrice une amplitude d'oscillation plus grande ' que dans le cas d'une dynamo bipolaire ayant même nombre de lames au cols lecteur.

en série. série. — On divise

, , l'armature en un

■ombre de sections A = a K ± I, /f étant un nombre enuer premier avec A.

On réunit les sections de A: en A: suivant l'ordre des cotés d un polygone éloilé (fig. 47).

Une seule paire de balais suffit comme dans le cas de l'enroulement en quantité.

Indocikiihs. - L'éloclro aimant ou la série d-éleciro aimants qui entourent l'induit sont généralement faits

de fer doux massif ou de lames de tôle de fer doux isolées entre elles par du papier gomme laqué.

On emploie la fonte dans les machines ordinaires, et l'acier dans les types récents.

L'excitalion des électro aimants est oblenue par un enroulement traversé par la totalité où une fraction du courant de la machine.

Enroulement sur les inducteurs. — Les deux branches de chaque électro inducteur sont recouvertes d'un ou deux enroulements distincts suivant que la machine est ou non compound.

Le fil, ou les barres constituant ces enroulements sont généralement appliqués sur des carcasses en bois enfilées sur les électros ; chaque branche supporte quelquefois plusieurs de ces bobines. Ce fractionnement de l'enroulement a pour objet de faciliter les recherches en cas d'accident et ultérieurement la réparation.

Collecteur. — 11 est formé par l'assemblage d'une série de lames de cuivre ; les surfaces extérieure et intérieure de la couronne ainsi constituées sont cylindriques, et le collecteur présente ainsi l'aspect d'un cylindre de cuivre.

Les lames constituantes, dénommées touches^ ne sont pas en contact, elles sont séparées par un intervalle rempli d'une substance isolante qui peut être l'air comme dans les machines Siemens Halske, Ayrton Perry, etc.

L'isolant solide à interposer entre les touches ne devant absorber ni l'huile ni l'humidité ; le plâtre et le papier ne peuvent servir. La fibre vulcanisée, lardoise et surtout le mica sont les substances à préférer.

Le métal des touches doit être dur pour éviter une usure rapide ; on emploie soit des lames étirées, soit

142 L'ÉCLAlRAatî ÉLECTRIQUE

d0s pièces forgées en cuivre dur, en bronze phosphoreux, ou alliage de cuivre et d'argent.

Le nombre de touches varie avec le mode de bobinage de rinduit et la différence de potentiel à obtenir aux bornes.

On admet généralement une différence de potentiel de 5 à 6 volts entre deux touches : une différence plus grande pourrait entraîner une usure rapide par la production d'étincelles aux balais. A égalité de puissance la machine qui produit le courant de plus haute tension aura donc le plus grand nombre de touches.

Cependant par raison d'économie, on ne peut pousser outre mesure la subdivision du collecteur.

Les dimensions des touches, longueur et épaisseur radiale, ne sont pas liées par une formule aux constantes du courant à produire : les dimensions adoptées sont le résultat de Texpérience de chacun.

On admet cependant une longueur de 3 centimètres par centaine d'ampères de débit. L'épaisseur radiale doit être suffisante pour parer à l'usure, le collecteur ayant besoin d'être tourné de temps à autre pour recouvrer sa forme cylindrique.

La largeur doit être telle que le balai ne puisse porter sur plus de deux touches à la lois.

Les touches sont fixées solidement, par emboitement, dans un manchon de bronze clavelé sur Tarbre de l'induit, dont il est isolé avec le plus grand soin pour un manchon intermédiaire en fibre vulcanisée ou autre substance isolante.

Celte disposition est applicable quand l'induit est in* térieur aux pôles inducteurs et que le collecteur est monté sur l'arbre de rotation ; elle ne Test plus, quand

MACHINES DYNAMO-ÉLECTRIQUES îlâ

rinduit est extérieur aux pâles comme dans certaines machines construites par Siemens Halske et la société Alsacienne de Construction Mécanique.

Dans ce dernier cas, collecteur, balais et porte-balais doivent être différemment disposés comme on le verra plus loin.

Chaque touche est prolongée à l'arrière par une queue redressée à angle droit, dont l'extrémité sera reliée au connecteur de la bobine correspondante de l'induit (fig. 48).

La longueur de la queue et son mode d'attache au pig. 43. colUoteur théorique. oonnecleur varient d'un

constructeur à l'autre ; la liaison est obtenue généralesoit par une soudure, soit ment par le serrage du connecteur sous la tète d'une vis prise dans la queue.

La figure 48 montre la coupe théorique d'un collecteur dont les touches sont désignées par la lettre t, les queues par q, l'isolant entre deux touches consécutives par i et l'arbre de rotation par a.

Tous les collecteurs sont construits d'après les principes énoncés ci-dessus, ils ne diffèrent en- ,^

, ,. ... Fie.W. — Collecteur Hoch-

tre eux que par des dispositions = hausen. de détail.

Collecteur Boehhausen. Représenté par la figure 49, il

144 l'ÉCLAIHAGE ÉLliCTHUJUU

est à isolement d'air. Les queues q sont fixées sur un disque d'ardoise A et sont reliées aux connecteurs par un serrage à vis.

Collecteur Gramme. — Il est formé par une série de lames de cuivre taillées en coin et isolées entre elles au papier ou au mica. Ces lames sont ensuite réunies en un cylindre unique qui sera fretté au moyen d'une bague également isolée (fig. îiO).

A chaque lame de collecteur est soudée une lamelle en cuivre terminée par un crochet.

Collecteur extérieur Siemens Ilalske. — Le collecteur est formé par la surface extérieure des spires elles-mêmes, et pour faciliter la compréhension nous rappellerons brièvement la disposition de l'enroulemeat de l'induit.

Fis. 50. — Colleclenr i i- j ■. i r j.

Gramme, *^ induil a la forme d un anneau

cylindrique de grand diamètre, de largeur et d'épaisseur comparativement faibles ; il est mobile.

L'inducteur multipolaire de forme étoilée est fixe ; il est monté ù l'intérieur de l'induit.

L'enroulement de ce dernier est formé exlérieurcraent de barres de cuivre parallèles entre elles, disposées suivant la génératrice du cylindre ; elles constituent le collecteur de la machine.

Le collecteur d'une machine de 330 kilowatts qui a figuré à l'Exposition de Francfort en 1891, comprenait 810 touches de 1 centimètre de largeur isolées au papier. Il supportait 10 jeux de 3 balais chacun.

L'anneau mesurait 3,10 mètres de diamètre et tournait à 65 tours par minute.

Collecteur Siemens Halske. — Les touches sont faites d'une barre de cuivre recouverte d'une bande d'acier maintenue par des vis : elles sont isolées à Tair^ c'est-àdire qu'il n'y a pas de matière isolante entre elles.

Ce collecteur peut être graissé en plein.