CAUSES DE DIMINUTION DU RENDEMENT D'UNE MACHINE A COURANT CONTINU
113. Inertes dans le fer de Tinduit. — 114. Pertes dans le cuivre de l'induit. — 113. Perles au collecteur. — 110. Pertes par excitation. — 117. Pertes par courants parasites et hystérésis dans les pièces polaires. — 118. Pertes mécaniques.
Dans toute dynamo la production du courant électrique est inséparable d'un grand nombre de portes d'origines diverses : magnétique, électrique et mécanique. Nous les distinguerons et classerons de la manière suivante :
Pertes dans le fer de P induit ■:
a) Perte par hystérésis ;
/>) Perte par courants parasites ou de Foucault;
c) Perte par défaut d'isolement des boulons de serrage.
Pertes dans le cuivre de l'induit :
(i) Perte due au passage du courant ;
b) Perte due aux courants de Foucault.
Pertes au collecteur :
a) Perte au contact des balais;
/;) Perte due aux courants de Foucault dans les lames du collecteur ;
c) Perte due au frottement des balais.
Pertes par excitation :
a) Perte dans Tenroulement en dérivation ; ôj Perte dans Tcnroulement en série ; c) Perte dans les résistances de réglage de l'excitation.
Pertes par courants de Foucault dans les pôles inducteurs.
Pertes mécaniques :
a) Perte par frottement aux paliers ;
h) Perte par frottement de Tair ;
c) Perte par vibrations de la machine.
Nous allons étudier ces pertes dans Tordre ci-dessus.
113. Pertes dans le fer de Finduit. — a) Perle par hystérésis. — Lorsqu'un cylindre en fer tourne autour de son axe dans un champ magnétique, bipolaire, par exemple (fig.
363), ses molécules s'aimantent tantôt dans un sens tantôt dans l'autre. Chacune d'elles peut être, suivant la tliéorie admise, considérée comme un petit aimant (aimant élémentaire) qui par suite, s'il était libre de se mouvoir, se placerait toujours de telle façon que son axe magnétique coïncidât avec la direction de la force magnétisante. La molécule A, par exemple, |)rendrait successivement les positions A^, A,, Aj, et A4 pendant un tour complet effectué sur lui-même par le cylindre.
On voit ainsi que les molécules individuelles ont tendance à tourner en même pig. 303. temps que l'armature et avec la môme Aimantation du fer de lin-
duit dans une machine
vitesse angulaire moyenne. — Gomme il bipolaire, existe cependant une sorte de résistances
de frottement entre ces molécules individuelles, elles ne peuvent pas obéir complètement à la force magnétisante qui les sollicite et ne tournent pas toutes. A la surface externe du cyhndre la direction de la force magnétique varie très uniformément et cette action est intense dans toutes les positions/ depuis A, jusqu'à A^. tandis que, pour les couches internes, cette force magnétique disparaît presque complètement pour les positions Aj et A3. Il y a, par suite, un nombre relativement plus élevé de molécules
en rotation dans les couches externes que dans les couches internes.
Si Ton admet que la théorie moléculaire du magnétisme est conforme aux phénomènes physiques dans le fer, on comprend que, pendant un tour du cylindre de fer sur lui-même, il soit consommé de l'énergie en aimantation cyclique de ce fer; un certain nomhre de molécules tournent, en effet; d'autres oscillent entre deux positions et les points de contact des molécules indivuelles ont des sens de mouvement opposés, comme on le voit sur la figure 364. La propriété que présentent les molécules de ne pas pouvoir, par suite d'une sorle de frottement entre elles, suivre la force magnétique qui les sollicite, a reçu le nom iï hystérésis^ et la dépense d'énergie nécessaire à leur aimantation, celui de perte par hystérésis ou perte hystérétiqiie. RoUik)n <i?s*nioK'.. ^^ dépense d'énergie occasionnée par Tai-
cuies de fer sous mantation cyclique du cylindre de fer dépend, les actions ma- , t v ' • i i'- • -^y j
gnéiiques. comme le montre 1 expérience, de Imtensité de
la force magnétique. Cette relation n'est cependant pas simple : la force magnétisante et les frottements n'y interviennent en effet pas seuls; il faut aussi tenir compte de la composition chimique et de la constitution physique de la matière.
Si la machine est multipolaire (fig. 365), les molécules ont des mouvements semblables à ceux décrits plus haut. A chaque tour la molécule de fer passe devant p paires de pôles et est, par conséquent, soumise à p déplacements et rotations sur elle-même.
On obtient un autre mode d'aimantation cyclique plus facile à étudier en roulant un fil sur un anneau de fer, comme, par exemple, l'anneau de la figure 363, et en lançant un courant alternatif dans la bobine ainsi constituée. Les molécules s'aimantent alors toujours dans la direction de tangentes à des cercles concentriques. L'alternance du courant magnétisant entraîne celle de la force magnétisante et les molécules ou aimants élémentaires doivent modifier leur orientation. Ce changement d'orientation ne peut cependant pas s'effectuer tout d'un coup et les molécules ne sont pas toutes sollicitées à se mouvoir dans le même sens; elles oscillent dans le même sens entre deux positions finales.
A la suite de nombreuses recherches Steinmetz a trouve que pour ce dernier phénomène, qui se produit par exemple dans le noyau de fer d'un transformateur, la perte d'énergie volumique par période peut être considérée comme approximativement égale à
fi . -^^^x. ergs par centimètre cube,
T, étant une constante propre à la sorte de fer employée et c6„,„, désignant l'induction maxima dans ce fer. Si le volume V du fer est
Fig. 365.
Aimantation du fer de Tinduit dans une machine niultipolaii'c.
exprimé en décimètres cubes et, si U = -y est la fréquence du courant alternatif considéré, on a pour la perte hystérétique de puissance P„, avec de bonnes sortes de fer (ti = 0,0016) :
j f cri \ i.«
Dans la figure 366, -j^ ("Tï^/ ^^^ porté en fonction de
Le mouvement moléculaire est cependant tout différent pour les phénomènes magnétiques qui se rencontrent dans une armature en mouvement; aussi la relation entre P^ et ftt„„. est-elle tout autre. On donne à cette aimantation le nom A' aimantation rotative ou tournante^ parce qu'on suppose que les molécules tournent.
Bailey a trouvé que, pour de faibles inductions, le champ tournant occasionne une perte par hystérésis légèrement supérieure à celle produite par le champ alternatif, et, de plus, que, pour 53^^^ =16 000 gauss, la perte atteint un certain maximum élevé, i:. Arnold. — La machine dynamo à courant continu. 33
ul4 CIIAPITUE VINGT-TROISIÈME
pour redescendre ensuite rapidement, avec des inductions encore plus élevées (53„»g,. = 20 000 gauss environ). Ces résultats sont en parfaite concordance avec la théorie moléculaire.
Des recherches entreprises en mai 1900 par M. L. Bloch au Laboratoire de l'Institut électrotechnique de Karlsruhe sur les
Fi g. 366.
Courbe pour le calcul des pertes par hystérésis.
pertes par hystérésis tournante dans une armature lisse ont donné de très faibles écarts par rapport aux pertes par magnétisation Hlternalive des mêmes sortes de 1er. Les résultats de ces recherches sont traduits par lu figure 367.
L'appareil construit par VAuleur pour ces recherches consistait en deux machines bipolaires accouplées par un ressort en boudin. L'une d'elles servait de réceptrice et l'autre était munie, eu guise d'armature, d'un simple noyau lisse en tôles de 0,5 milUmèlre d'épaisseur isolées au papier, fixé sur l'arbre par de fortes rondelles de fibre et un moyeu. Le couple exercé par le moteur était évalué II l'aide d'un ressort de torsion dont le déplacement angulaire pouvait être mesuré exactement au moyen d'un contact éleclri(|ue. La séparation des pertes par hystérésis et par courants
(le Foucault ainsi mesurées s'effectuait d après la fréquence.
Le même fer a été ensuite essayé avec magnétisation alternative et suivant un cycle magnétostatique (c'est-à-dire parcouru lentement).
M. A. Dina (E. T. Z. 1902, p. 41) a effectué des recherches sur les pertes par hystérésis tournante et les résultats obtenus par lui, représentés par la figure 368, concordent avec ceux de M. Bloch
"T ir j
■ drthende Hystérésis
Vr
ttOOQ
Fig. 367.
Délermination expériinontale des pertes hystéréliques pour différents modes
do magnétisation, par L. Bloch.
Drehende Hystérésis = Hystérésis tournante. Wechselslrom Hysl, ^ Hystérésis altemative. Magneto-statische H. = Hystérésis magnéto-statique.
en ce que les pertes suivant les trois modes de magnétisation ne diflferent pas essentiellement les unes des autres et que les perles par aimantation tournante sont, pour de hautes inductions, inférieures à celles dues h l'aimantation alternative.
Ces diverses recherches relatives à l'aimantation tournante ne donnant pas pour les pertes par hystérésis des écarts importants par rapport à celles calculées par application de la loi de Steinmetz, nous leur étendrons cette loi et poserons
p„ -— rt ( — siii. I . V watts,
^^ ' lUO \ 1 OOU /
ff étant un coefficient relatif à la qualité des tôles, coefficient, égal ou inférieur à 1 pour la bonne tôle de transformateur.
Perte par hystérésis dans le noyau d'induit. — Considérons une armature dentée. Il y a à calculer séparément la perte par hystérésis dans le noyau même et celle dans les dents. La perte par hystérésis dans le noyau se déduit de la formule
^- = ^i^(iw)"-^--«^*^
Fig. 368.
Dclcrminalion expérimentale des pertes par hystérésis pour difTérents modes
de magnétisation. (Recherches de Dina.)
Stafische \ ' statique.
Drehende [ Hystérésis = Hystéi-ésis ) tournante.
Wechselstrom ) ' alternative.
quand le flux est uniformément réparti dans la section de ce noyau.
û = -^jp- est la fréquence des inversions magnétiques,
iQ^ rinduction maxima dans le noyau, et Ka le volume de fer de ce noyau, en décimètres cuhes.
L'induction ne se répartit pas cependant tout à fait uniformément sur toute la section droite du noyau, comme le montrent 1ers recherches suivantes effectuées aux Ateliei's cTOErlikon.
En différents points de Tarmature d une maclûne (fig. 369) on a disposé des bobines d'épreuve I à VI comportant chacune 10 spires. La tension alternative mesurée à ces bobines est indiquée, en fonction de l'excitation, par les courbes I à VI de la figure 370. On avait percé, dans l'armature, parallèlement à son axe, 3 trous de 8 millimètres de diamètre entre lesquels étaient roulées les bobines d'épreuve I àlV; la bobine V embrassait radia-
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