CHAPITRE XI ALTERNATEURS

63. Généralités sur les alternateurs. — On désigne sous le nom i! alternateurs les machines dynamo-électriques con?tmiles spécialement pour fournir dans le circuit extérieur ou circuit d'utilisation un ou plusieurs courants alternatifs, sous une différence de potentiel déterminée. Cette différence de potentiel peut être de quelques dizaines de volts, comme c'est le cas pour certaines applications électro-métallurgiques, aussi bien que de plusieurs milliers de volts, comme l'exige la transmission éfectrique de Ténergie à grande dislance. Les dynamos à courant continu, modifiées par Fadjonction d'anneaux collecteurs et par des connexions spéciales de Tenrouleipcnt de rinduit, peuvent aussi débiter des courants alternatifs; mais ce type de dynamo est plutôt utilisé comme transformateur tournant^ ainsi qu'on le verra dans le chapitre xvi.

Les alternateurs industriels sont construits et établis suivant les applications auxquelles ils sont destinés, pour une fréquence variant de 40 à 50 périodes ou pour une fréquence voisine de 25 périodes. Lorsque le courant alternatif est utilisé seulement pour alimenter une installation d'éclairage électrique, c'est-à-dire comprenant des lampes et des moteurs, il est impossible d'utiliser des alternateurs dont la fréquence est inférieure à 40 périodes, car les lampes à arc apssi bien que les lampes à incandescence ne fonctionneraient pas convenablement. Si, au contraire, il n'y a pas de service d'éclairage à assurer, tout au moins directement, il est préférable d'avoir

ALTERNATEURS 157

un alternateur à basse fréquence, à cause du fonctionnement et de la conslrjiiction des moteurs et des convertisseurs à alimenter; mais, dans ce cas, le prix d achat des générateurs, transformateurs, moteurs et convertisseurs est plus élevé.

Tout alternateur comporte comme organes essentiels un inducteur et un induit, Tinducleur élant excité par le courant continu que fournit une dynamo spéciale appelée excitatrice^ actionnée soit par le moteur même qui commande l'alternateur , soit par un moteur spécial absolument indépendant. Dans le premier cas, Tinduit de l'excitatrice est généralement monté sur Tarbre de Talternateur {fig. H2), ce qui constitue uneexcellente disposition, tant au point de vue esthétique qu'à

celui de l'économie d'emplacement, quoique l'excitatrice doive, pour tourner à la vitesse angulaire de l'altemateur, avoir des dimensions plus grandes que celles qu'elle aurait normalement pour la même puissance.

L'énergie dépensée pour l'excitation des alternateurs d'une installation représente environ 2 à 3 0/0 de la puissance totale. Dans la^ plupart des cas, il est utile de pouvoir disposer d'une ou de plusieurs excitatrices (indépendamment des machines de réserve) actionnées par des moteurs indépendants et cela dans le but d'éviter, pour l'excitatrice, les brusques variations de vitesse que peuvent subir les alternateurs par suite de soudaines variations de charge. C'est la raison pour laquelle, même avec des alternateurs de puissance moyenne, il est préférable, dans certains cas déterminés, d'installer des excitatrices indépendantes.

Fio. 112.

64. Divers types d'alternateurs. — Depuis l'époque où Tulilisation pratique des transformateurs à courant alternatif développa l'emploi des alternateurs, de nombreux types ont été réalisés ; mais bien peu nombreux sont ceux qui ont reçu la sanction de la pratique comme remplissant les diverses conditions de construction et d'utilisation industrielle. Aujourd'hui presque tous les constructeurs sont d'accord pour reconnaître la supériorité des alternateurs à pôles alternés, sans pour cela avoir complètement abandonné l'alternateur à flux ondulé, dont l'emploi, dans certains cas, assez rares du reste, est à recommander (Voir § 17).

Des essais ont été faits récemment pour créer un nouveau type d'alternateur qui a la propriété, si on lexcite par un courant alternatif, de fournir à un circuit des courants alternatifs de fréquence égale à celle du courant d'excitation et tout à fait indépendante de la vitesse angulaire de la partie mobile. Il sera question de cet alternateur dans le tome II, sans entrer, à son sujet, dans de grands détails, car il n'est pas encore possible de se prononcer sur la valeur de ce type de machine qui, du reste jusqu'à présent, n'a reçu que très peu d'applications industrielles.

Les alternateurs industriels sont toujours multipolaires, sauf dans certains cas très spéciaux. En effet, pour obtenir une fréquence de 50 périodes avec une machine bipolaire, il faudrait qu'elle fasse 50 tours par seconde, ce qui donne une vitesse angulaire de 3000 tours par minute. Cette vitesse angulaire et même de plus grandes sont faciles à obtenir avec les turbines à vapeur, qui, au moins pour les grandes puissances, peuvent rivaliser, au point de vue de la consommation, avec les meilleurs moteurs à vapeur à un ou plusieurs cylindres ; ces turbines présentent en outre des avantages spéciaux dont on n'a pas à parler dans cet ouvrage. En dehors de ce mode spécial de commande, encore peu répandu, on peut dire que tous les alternateurs sont généralement multipolaires et ont un nombre de pôles variant suivant la fréquence désirée et la vitesse angulaire de l'organe mobile.

ALTERNATEURS 15^

Si p représente le nombre de paires de pôles et n le nombre de tours par seconde que fait l'organe mobile, la fréquence est donnée par la relation :

Il en résulte que, pour une fréquence donnée, le nombre de pôles doit augmenter proportionnellement à la diminution du nombre de tours.

Dans certains alternateurs, Tinducteur est mobile et l'induit fixe ; dans d'autres, c'est l'induit qui est mobile, tandis que l'inducteur est fixe. 11 y a enfin d'autres alternateurs, ceux à flux ondulé, où l'induit ainsi que la bobine excitatrice sont fixes, le seul organe mobile étant l'inducteur constitué par une armature en fer.

Pour capter les courants produits par un alternateur, si l'induit est mobile, on relie les extrémités de l'enroulement à deux bagues isolées, montées sur l'arbre et sur chacune desquelles appuie un balai. Lorsque l'induit est fixe, de& bornes auxquelles aboutissent les extrémités des circuits de l'induit suffisent pour assurer la communication avec le circuit d'utilisation ; le courant d'excitation est, dans ce cas, amené aux bobines de l'inducteur mobile par l'intermédiaire de balais et de deux bagues isolées fixées sur l'arbre. Dans le& alternateurs à flux ondulé, tous les circuits étant fixes, de& bornes suffisent.

En ce qui concerne les alternateurs triphasés, les courants sont captés d'une manière analogue, avec cette seule différence que le nombre de bagues ou de bornes est porté à trois.

65. Classification des alternateurs. — Les alternateurs peuvent êlre classés de difi'érentes manières suivant le point de vue auquel on se place ; mais la classification la plus rationnelle consiste à considérer le système inducteur et l'on a alors deux catégories :

1° Les alternateurs à flux alternés;

2* Les alternateurs à flux ondulé.

Il a été déjà parlé de ces deux types de génératrices dans le chapitre ii, paragraphe 17.

FiG. 113.

Dans les alternateurs à flux alternés, le système inducteur est constitué par une série de pôles alternativement Nord et

FiQ. 114.

Sud, en regard desquels est disposé l'enroulement induit, Fun des deux organes étant mobile.

Dans les alternateurs à flux ondulé, le système inducteur

ALTERNATEURS

comporte aussi une série de pôles Nord et Sud ; mais le plan du flux de chaque circuit magnétique, considéré isolément, au lieu d'être perpendiculaire à Taxe de rotation, lui est parallèle. L'excitation est produite par une bobine unique qui entoure la partie centrale du système inducteur, de sorte que tous les pôles Nord de la machine sont situés d'un môme côté et les pôles Sud de l'autre.

Il est facile de se rendre compte de la disposition donnée aux alternateurs à flux ondulé en examinant les figures 113 et 114, qui représentent, la première le système inducteur d'un alternateur à flux ondulé construit par les ateliers d'Oeriikon et la seconde l'induit de la môme machine ; dans cette dernière figure, on voit également la bobine inductrice unique, placée concentriquement à l'induit.

Là figure 115 est une coupe d'un alternateur à flux ondulé, la bobine excitatrice unique A étant disposée entre les pôles N et S. Le circuit magnétique se ferme à travers une carcasse de fonte ou d'acier coulé extra-doux, dans laquelle sont fixés deux grands anneaux formés de feuilles minces de tôle, isolées entre elles et constituant le noyau de l'induit sur lequel sont disposés les enroulements. Par construction, ce dispositif nécessite deux enroulements pour l'induit; mais il est possible de les relier entre eux suivant le mode qui convient le mieux ou bien de les laisser indépendants.

Ce type d'alternateur se prête à diverses combinaisons spéciales. Par exemple, si l'un des deux induits a un nombre de spires différent de celui de l'autre, on peut réaliser un alternateur avec deux tensions difl'érentes ; de même, si le nombre des pôles Nord de l'inducteur n'est pas le même que celui des pôles Sud, on peut réaliser un alternateur à deux fréquences.

FiG. 115.

Eolin, en décalant d'un certain angle les pôles Nord par rapport aux pôles Sud, on peut rendre unique le système induit, ou bien obtenir deux forces électromotrices alternatives décalées de phase. Mais, aveccette dispositiondes pièces polaires, on augmente le parcours des lignes de force et il faut, par conséquent, un courant de plus grande intensité pour Texcitation. G^est pour ce motif que la disposition de circuit magnétique que représente la figure 115 est celle qui est le plus généralement utilisée pour les alternateurs à ilux ondulé.

La désignation d'alternateurs à flux ondulé a été donnée parce que le flux, coupé par une spire de Tinduit pendant le fonctionnement de la machine, n'est pas successivement positif et négatif, comme dans les génératrices à pôles alternés, mais varie constamment entre une valeur minimum et une valeur maximum sans jamais changer de sens (§ 17).

Dans les alternateurs à flux ondulé, l'organe mobile est toujours l'inducteur ; de plus, la bobine centrale excitatrice peut être fixe en la centrant convenablement de l'extérieur à l'aide de trois vis traversant Tinduit. Dans ce cas, l'alternateur ne comporte aucun conducteur mobile et c'est pour cela que ce genre de génératrice est parfois désigné sous le nom d'o/ternafeur à cuivre fixe.

Dans les génératrices à flux alternés, au contraire, l'organe mobile peut être l'inducteur aussi bien que l'induit. Dans les génératrices de faible puissance, on préfère généralement la seconde disposition; pour celles de grande puissance, il vaut mieux rendre l'inducteur mobile, tant au point de vue des facilités de construction qu'au point de vue du rendement.

Si l'inducteur est mobile, le courant d'excitation lui est fourni par l'intermédiaire de deux bagues métalliques, isolées de l'arbre, sur lesquelles appuient des balais, ordinairement en graphite. Dans le cas où l'induit est mobile, le courant produit par la génératrice est capté à l'aide de deux bagues ou de trois sur lesquelles appuient des balais; deux bagues si le courant produit est simple, trois bagues si la génératrice

ALTERNATEURS 163

donne des courants triphasé§. En ce qui concerne les alternateurs diphasés, il faut, suivant les cas, trois ou quatre bagues; mais il n'est pas nécessaire d'insister sur ce sujet, car Talternateur triphasé est aujourd'hui presque toujours préféré.

Le fait de pouvoir, dans ralternateur à flux ondulé, rendre fixes tous les enroulements constitue, à première vue, un avantage très important. Les constructeurs eux-mêmes ont commis Terreur de préférer pendant un certain temps ce genre d'alternateurs à celui à pôles alternés. Mais l'expérience a démontré que, par suite de la forme môme du circuit magnétique, la partie de flux réellement utilisée pour l'induction était de beaucoup inférieure au flux total produit, parce qu'il se produisait dés fuites magnétiques très notables, d'autant plus importantes que, pour réduire le poids de la machine, le fer. de Tinducteur était diminué et fonctionnait alors presque à son point de saturation.

Dans les alternateurs à flux alternés, la force électromotrice induite est proportionnelle dixx maximum absolu du flux de force traversant la section de l'induit, tandis que, dans les alternateurs à (lux ondulé, cette force électromotrice est proportionnelle à la difl'érence:

f^ étant le flux maximum qui traverse la spire lorsqu'elle se trouve exactement en regard du pôle, comme le montre la figure 116, et f<i étant le flux minimum qui traverse cette spire lorsqu'elle se trouve entre deux pôles consécutifs, le second de ces pôles ayant une action contraire à celle du premier en ce qui concerne la force electromo-

trice induite dans une bobine déterminée. Donc une partie du flux produit agit en sens contraire dans les alternateurs à flux ondulé. •

FiQ. 117.

Les flux /g et fi^ {fig. 117) sont Ae^ flux de dispersion : le premier, /j, part du pôle pour pénétrer dans le noyau de Tinduit, mais sans traverser la bobine; le second, ^4, part du pôle Nord

sur le côté pour arriver directement sur le pôle Sud à travers l'air, sans passer par le circuit magnétique.

C'est pour cela qu'on revient aujourd'hui au type d'alternateur à pôles alternés et qu'on n'utilise les alternateurs à flux ondulé que dans certains cas spéciaux. Du reste, il y a lieu de faire remarquer que les alternateurs à flux ondulé peuvent être aussi bons que ceux à flux alternés, car, pour éviter les fuites magnétiques, il suffit de calculer la machine pour avoir une induction moins élevée dans le fer et alors, dans ces conditions, Talternateur a les mêmes qualités que celui à flux alterné, mais il est beaucoup plus lourd.

Un autre inconvénient à signaler est le suivant: si les deux entrefers respectifs des deux enroulements induits ne sont pas rigoureusement identiques, les effets d'attraction qui s'exercent pour chacun d'eux entre les parties magnétiques en présence ne s'équilibrent pas complètement et il se produit alors des efforts mécaniques considérables sur les supports et sur les coussinets.

Les alternateurs à flux ondulé ont été principalement préférés lorsque des constructeurs n'osaient pas encore se risquer à établir des alternateurs à flux alternés fonctionnant à de grandes vitesses tangentielles, de crainte de compromettre la solidité mécanique des enroulements soumis à l'action d*une force centrifuge très élevée. Lorsque la vitesse angulaire de l'organe mobile de l'alternateur est fixée et la fréquence déterminée, le nombre de pôles s'en déduit facilement. Suivant la puissance de l'alternateur, l'espace dans lequel peuvent être

ALTERNATEURS 165

distribués les pôles est limité et il ne faut pas songer à réaliser des pôles très longs dans le sens de leur axe et très étroits dans le sens de la largeur pour produire un flux de valeur déterminée, c'est-à-dire de réduire Tespace périphérique qu'occupent les pôles. Par suite, en donnant aux pôles des dimensions convenables, il était nécessaire de les répartir sur une surface périphérique supérieure à celle qui était imposée par la vitesse tangentielle maximum admise et qui était de 20 à 25 mètres par seconde. C'est pourquoi, dans les cas où il fallait réaliser de grandes vitesses tangentielles, l'alternateur à circuit fixe donnait une solution très satisfaisante, puisque aucun des enroulements n'était en mouvement et que l'on pouvait alors atteindre des vitesses périphériques relativement considérables, quelquefois plus de 50 mètres par seconde.

Mais, du jour où la pratique a sanctionné pour les enroulements des bobines inductrices des

alternateurs à flux

alternés (lorsque le système inducteur est mobile} l'emploi de conducteurs à section carrée ou mieux de ruban de cuivre [fig, H8), pour remplacer les fils cylindriques, on a pu obtenir une solidité mécanique qui permet aux bobines inductrices de supporter sans inconvénients des vitesses tangentielles de 34 à 40 mètres par seconde. Depuis, l'alternateur à flux ondulé a été presque complètement délaissé, au point qu'il ne s'en construit presque plus. On ne l'utilise maintenant que dans les cas où la commande est effectuée par des moteurs à grande vitesse angulaire (turbines à vapeur par exemple), dont la vitesse tangeutielle est supérieure à 50 mètres par seconde.

66. Pôles et épanouissements polaires des alternateurs. — La carcasse sur laquelle sont fixés les noyaux polaires des inducteurs d'alternateurs à flux alternés (et dans ce qui suit il ne sera question que de ce type, à moins d'indication contraire) est en fonte ou en acier coulé. Au point de vue de la diminution de poids, l'acier coulé est préférable; mais, si l'inducteur doit avoir un poids considérable, il vaut mieux employer la fonte. C'est le cas qui se présente lorsque l'alternateur est commandé directement par un moteur à faible vitesse et que l'inducteur sert de volant h ce moteur.

Les noyaux polaires qui font saillie en dehors de la carcasse peuvent être massifs ou feuilletés. Pour donner les motifs qui ont engagé plusieurs constructeursàutiliser encore des noyaux entièrement feuilletés au lieu de se contenter simplement de constituer ainsi les pièces polaires, afin d'éviter les courants parasites (courants de Foucault), il est nécessaire d'anticiper sur certaines explications qui seront données ultérieurement.

67. E£Fets produits par la réaction d'induit. — Quand une dynamo fonctionne, qu'elle soit à courant continu ou à courant alternatif, le courant qui circule dans l'induit donne naissance à un flux magnétique de réaction qui produit une distorsion du flux principal et se ferme partiellement à travers les pôles inducteurs. Dens l'étude des dynamos à courant continu, on a appris que de la valeur de ce flux de réaction dépend la chute de iensioîi, c'est-à-dire la baisse de tension qui se produit lorsque la dynamo passe du fonctionnement à vide au fonctionnement à pleine charge, l'intensité du courant d'excitation restant constante.

Ne pouvant diminuer la valeur des ampères-tours qui produisent ce flux de réaction, le seul moyen à employer pour diminuer sa valeur consiste à lui constituer un circuit de perméabilité aussi faible que possible, c'est-à-dire de réluctance élevée ; comme ce circuit se ferme en partie à travers les pôles inducteurs, qui sont déjà saturés par le flux principal du courant d'excitation, ces pôles présentent une réluctance

ALTERNATEURS i67

considérable qui s'oppose à rétablissement du flux de réaction (Pinduit.

C'est pour ce motif que, dans un grand nombre de types de dynamos à courant continu bien construites, les extrémités des pièces polaires vont en diminuant d'épaisseur du côté de la sortie du flux, parce, que le flux de réaction d'induit tendant h se fermer à travers les pièces polaires, ces dernières se trouvent complètement saturées déjà à faible charge. Certains constructeurs ne se contentent pas seulement d'amincir les extrémités des pièces polaires, mais ils allongent, en outre, Tune des extrémités dans le

sens du mouvement {fig. *,

119), parce que le flux principal, tendant à se concen- J k.,,.^^^

trer sous l'extrémité de sor- .-Cl^ ^ '^^^ ^^^^

tie à cause de la distorsion J^"^""^ •"—- -*kr"""""">v^^

que subit le champ, reste, "^ -" '' >.

avec cette disposition, mieux fig. no.

distribué dans l'entrefer.

Dans les alternateurs, lorsque l'intensité est en concordance de phase avec la force électromotrice, le flux de réaction d'induit se ferme h travers les extrémités des pièces polaires seulement, comme dans les dynamos à courant continu; il suffit alors de saturer ces extrémités pour diminuer la chute de tension. Mais l'intensité reste toujours un peu décalée, quand ce ne serait qu'à cause de la self-induction de l'induit, et elle • Test d'autant plus que le circuit extérieur a un facteurde puissance moins élevé.

Dans ces conditions, comme on le verra plus loin, le flux de réaction d'induit se ferme partiellement à travers le circuit magnétique principal en afl"aiblissant fortement le flux d'excitation et en donnant lieu à une chute de tension notable.

C'est pourquoi dans les alternateurs, spécialement dans ceux qui sont destinés à alimenter des moteurs, il convient de saturer non seulement les extrémités des pièces polaires, mais aussi le noyau du système inducteur. A ce propos, se pose la

question s'il convient de préférer les noyaux feuilletés aux noyaux massifs.

A première vue, on ne saisit pas l'utilité de cette question, parce qu'il est aussi facile de saturer un noyau massif qu'un noyau feuilleté. Mais, au point de vue construction, il n'en est pas de même, parce que, pour obtenir la saturation nécessaire, il est indispensable de connaître très exactement les propriétés magnétiques du fer employé. Les propriétés magnétiques des tôles sont faciles à déterminer, puisqu'on peut établir la courbe de perméabilité avant de construire la machine ; on ne peut procéder de même pour les noyaux massifs, car les propriétés magnétiques du fer varient suivant diverses circonstances d'une coulée à l'autre, ce qui fait qu'un alternateur, calculé d'après les coefficients obtenus pour un autre, construit antérieurement, peut ne plus donner exactement les mômes résultats.

Faut-il en conclure que, pour alimenter des circuits ayant un facteur de puissance peu élevé, il est préférable d'employer des alternateurs dont le système inducteur a un noyau fortement saturé, cas dans lequel le constructeur proposera très probablement des noyaux feuilletés? Une pareille conclusion serait prématurée, parce que si les alternateurs à noyau fortement saturé permettent d'éviter une forte chute de tension, ils présentent par contre l'inconvénient de laisser moins de marge pour les variations de tension obtenues par l'excitation. Dans certains cas, il est pourtant nécessaire de prévoir des limites très grandes pour ces variations.

C'est pour ces divers motifs que les inducteurs à noyau massif et faiblement saturés sont aujourd'hui préférés,* d'autant plus que l'on peut obtenir une petite chute de tension en augmentant l'entrefer, disposition qui s'oppose à l'établissement du tlux de réaction d'induit et qui oblige, par suite, à donner un poids plus considérable au système inducteur.

68. Forme des noyaux polaires. — En ce qui concerne la forme donnée aux noyaux de bobines inductrices, leur section est rectangulaire, ovale ou ronde. Avec les noyaux feuil-

ALTERNATEURS 169

letés, la section est forcément rectangulaire ; les noyausc à section ovale sont principalement employés dans les alternateurs de faible puissance, étant donné leur faible développement périphérique et aussi pour profiter, au moins en partie, des avantages que présente la section circulaire, qui, à égalité de surface, présente le développement périphérique minimum. À cause de cet avantage, les noyaux à section circulaire sont toujours préférables, chaque fois qu'il est possible de les employer, car l'enroulement des bobines, à égalité du nombre des spires, présente un développement minimum pour une section déterminée.

La longueur des noyaux polaires ou plutôt leur hauteur suivant Taxe est aussi Tobjet de nombreuses études de la part des constructeurs. Des pôles de grande hauteur entraînent une faible épaisseur pour renrouicment, augmentent la longueur du circuit magnétique et facilitent les fuites magnétiques de noyau à noyau, d'où affaiblissement du flux utile; des pôles trop courts présentent des avantages au point de vue magnétique, mais répaisseur de l'enroulement devient trop considérable et il s'ensuit que la surface de refroidissement est très limitée et, par suite, le rendement diminue.

69. Épanouissements polaires. — Les épanouissements polaires dont sont munis les noyaux des bobines inductrices servent à porter le flux développé dans les noyaux sous les bobines de l'induit.

Ces pièces polaires vA v^j V ) l ^j

peuvent être massives ou feuilletées; dans un cas cohame dans l'autre, elles ont une forme appropriée de manière k rendre l'entrefer d'épaisseur uniforme ou variable.

La question des pièces polaires feuilletées ou massives est liée à celle de la nature du noyau de Tinduit, qui peut être complètement lisse, c'est-à-dire muni de trous (let 2, fig. 120), ou

bien denté, c'est-à-dire pourvu de rainures à peine ouvertes (3) ou encore de rainures ouvertes de section plus ou moins rectangulaire (4).

Dans les deux premiers cas et presque toujours dans le troisième, le flux dans l'entrefer est presque uniformément distribué, sans pour cela éviter une légère production de courants de Foucault dans les épanouissements polaires, qui peuvent être massifs. Dans le quatrième cas, c'est-à-dire avec des rainures

de section plus ou

moins rectangulaire et

ouvertes, comme dans

rn p^ les dynamos à courant

\ WsSSni-JïïIIIïï^ C^,^^^ continu à induit denté,

C P ^"^ le flux est divisé en fais-

\ / ceaux (/îy. 121) ; il y a

FiG. 121. ondulation du flux le

long des génératrices de la surface des épanouissements polaires et, par suite, production de courants parasites intenses qui consomment de rénergie en pure perte. 11 suffit alors d'employer des épanouissements polaires feuilletés pour éviter cet inconvénient. Toutefois, dans les alternateurs triphasés avec noyau d'induit muni de rainures à section rectangulaire, on peut utiliser des pièces polaires massives, pourvu que le nombre de rainures soit au moins de 6 par pôle, le flux se trouvant alors presque uniformément distribué, à condition toutefois que la rainure n'ait pas une largeur supérieure à 50 0/0 de l'épaisseur correspondante de l'entrefer moyen. Avec les pièces polaires massives, on évite une difficulté de construction qui est de les fixer à un noyau massif; en outre, les pièces polaires massives présentent encore un autre avantage dont il sera parlé à l'occasion du couplage des alternateurs.

On désigne sous le nom de pas d'un alternateur la distance qui sépare deux pôles consécutifs de nom contraire ^ l'arc em-

1. Dans les allernateurs à pôles de mt^ine nom, le pas est la moitié de rintervalle qui sépare deux pôles successifs.

ALTERNATEURS

FiQ. 122.

brassé par les pièces polaires variant suivant les constructeurs de 0,50 à 0,75 de la longueur du pas; c'est généralement la valeur de 2/3 qui est la plus employée. Lorsque Tare embrassé est petit, rinduclion dans l'entrefer atteint une valeur trop élevée; quand Tare est trop grand, il se produit des dérivations magnétiques entre les pôles voisins, comme le montre la figure 122.

Les constructeurs consciencieux donnent à la surface extérieure des pièces polaires une

courbure un peu plus grande que celle qui correspond au rayon (c,/îy. 123) ou bien abattent les angles aux extrémités

(A,/îj7. 123), afin d'obtenir une courbe de force électromolrice presque sinusoïdale, au lieu de ravoir aplatie ou pointue. C'est pourquoi, si les pièces polaires ont la forme indiquée en a {fig. 123), les conducteurs d'une section de l'induit se trouvent placés brusquement dans le champ maximum et la force électromotrice induite a une valeur presque constante pendant tout le temps que la section induite n'est pas sortie du champ; la courbe présente alors'l'allure que montre la figure 124 en a. Au contraire, si les pièces polaires ont la forme indiquée en A ou en c (fig. 123), les conducteurs de la section de l'induit entrent

FiG. 124.

dans un champ dont Tintensité va d'abord en augmentant, puis en diminuant et la courbe de la force éiectromotrice a alors Tallure que montre la figure 124 en 6. Pour donner à la surface des pièces polaires une courbure différente de celle du rayon de rotation, il faut effectuer un travail supplémentaire de construction assez important; c'est pourquoi on préfère généralement arriver presque au même résultat en abattant les angles des extrémités en forme de plan incliné.

Dans les machines h pôles alternés, la force électromotrice pendant le premier quart de la période est toujours symétrique à celle du deuxième quart ; dans les alternateurs à flux ondulé, la force électromotrice aux mêmes moments est dissymétrique (Voir chapitre vi).

70. Induits des alternateurs. — L'induit, qui, dans les alternateurs à flux ondulé, est toujours disposé à Fextéricur,

peut, dans les machines à pôles alternés, être aussi bien h Texterieur qu'à Tintérieur.

Dans les alternateurs à flux ondulé, le noyau d'induit est constitué par deux anneaux feuilletés entourant l'inducteur et reliés entre eux au point de vue magnétique par une carcasse ou couronne de fonte ou d'acier coulé {fig. 125). La nécessité d'avoir un noyau d'induit feuilleté, au moins dans les parties qui entourent les pièces polaires, devient évidente lorsqu'on sait que le flux en cet endroit subit de fortes variations. Dans la carcasse, au contraire, le flux, pour une charge déterminée, reste presque constant, comme du reste dans les autres parties du circuit magnétique et c'est pourquoi la carcasse peut être massive.

Sur la périphérie intérieure du noyau d'induit sont logés les conducteurs de l'enroulement, soit dans des trous, soit

FiG. 125.

ALTERNATEURS 173

dans des rainures; il sera donné ultérieurement des détails à ce sujet.

Dans les machines à flux alternés, chacun des circuits ma- ^étiques est perpendiculaire à Taxe au lieu de lui être parallèle. Les deux induits qu'il y a dans les alternateurs à flux ondulé sont ici remplacés par un induit unique^ qui est fixe et constitué par un anneau feuilleté supporté par une carcasse généralement en fonte, lorsque Tinduil est à l'extérieur. Lorsque Tinduit est à l'intérieur, c'est-à-dire mobile, c'est la disposition inverse qui est adoptée, mais l'ensemble reste le même. Le noyau d'induit est alors supporté par une étoile, en bronze ou en fonte, clavetée sur l'arbre, tandis que les bobines inductrices font saillie à l'intérieur d'une carcasse de fonte ou d'acier coulé, comme dans les dynamos multipolaires à courant continu.

Pour les alternateurs de faible puissance, il est préférable d'avoir Tinduit mobile et placé à l'intérieur, quoique cette disposition réduise toujours l'espace angulaire nécessaire pour placer les bobines inductrices ; mais on peut alors donner plus de largeur à la machine dans le sens de l'axe et l'on arrive ainsi à des types d'alternateurs qui, au point de vue de la forme, se rapprochent beaucoup de celle des dynamos à courant continu.

Dans les alternateurs de grande puissance, la largeur de la machine dans le sens de l'axe est toujours relativement faible, parce que Tespace nécessaire pour la bonne répartition du flux se retrouve en augmentant convenablement le diamètre de la machine, à la condition toutefois que la vitesse tangentielle de l'organe mobile n'atteigne pas une valeur trop élevée. On a ainsi des alternateurs de forme assez élancée, tout en leur conservant la solidité mécanique nécessaire.

Dans les alternateurs de grand diamètre, l'induit doit être solidement maintenu; à cet effet on munit la carcasse à laquelle il est fixé de nervures qui lui donnent une grande

1. U se construit aussi des alternateurs à flux ondulé qui n'ont quun seul induit.

174 lA TECHNIQUE DES GOURANTS ALTERNATIFS

rigidité, car cet orgaDe est soumis à. des efforts considérables et à de grandes vibrations.

A ce sujet, il est utile de faire remarquer qu'il est de la plus grande importance que Tinduit soit parfaitement centré, car il est soumis à une attraction considérable exercée par les pôles du système inducteur. Pour se rendre compte de la valeur de cette force d'attraction, il suffit d'indiquer que, dans un alternateur ordinaire, chaque centimètre carré de surface polaire exerce sur chaque centimètre carré de surface de Tinduit un effort qui est rarement inférieur à 1,5 kg. Lorsque l'induit est parfaitement centré, ces efforts, qui s'exercent tous dans une direction rayonnante, s'équilibrent mutuellement; mais le moindre défaut de centrage fait que l'entrefer n'est plus uniforme ; par suite, les efforts d'attraction ne sont plus équilibrés et il peut s'ensuivre de graves conséquences.

L'induit ainsi que la carcasse qui le supporte doivent être disposés pour qu'il soit possible de leur faire subir de petits déplacements dans tous les sens, de manière à pouvoir régler le centrage au moins au dixième de millimètre. Les divers dispositifs employés pour obtçnir ce résultat varient suivant les constructeurs.

Un dispositif ingénieux et élégant pour assurer la rigidité de l'induit et de la carcasse est celui qu'emploie quelquefois la maison Brown, Boveri et C*% dispositif qui consiste à faire supporter la caisse en fonte de la carcasse par deux séries de bras rayonnants [fig. 126). Grâce à celte disposition, l'induit ne repose pas directement sur le sol, mais sur deux anneaux venus de fonte avec le palier de la machine à vapeur. Dans ces conditions, la carcasse peut tourner à volonté autour de ces anneaux lorsqu'on procède au nettoyage ou à une réparation. Pendant le fonctionnement de l'alternateur, l'induit est maintenu par des vis de butée fixées dans deux plaques de fonte que l'on scelle dans le sol.

Il y a à examiner maintenant les dispositions données à la surface de Tinduit, surface périphérique intérieure s'il s'agit d'un alternateur dans lequel l'induit entoure l'inducteur ou

ALTERNATEURS

surtace périphérique extérieure lorsque Tinduit est placé concentriquement à Tinducteur.

Le noyau de Tinduit peut avoir une surface parfaitement lisse. Dans ce cas, les conducteurs constituant rcnroulement sont logés dans des trous oblongs ou circulaires faits d'avance dans les tôles, avant de les assembler, à laide d'une machine à découper (/î^^. 121, 1 et 2).

FiG. 12U.

Celte disposition constitue des avantages à un certain point de vue, mais, d'un autre côté, présente aussi des inconvénients. Elle est avantageuse en ce sens que le flux se distribue d'une manière uniforme et que tous les conducteurs logés dans le môme trou sont soumis simultanément à la môme induction (Voir §21). La réiuctance de Tentrefer est minimum et, par suite, pour obtenir une induction donnée, il faut, pour Texcitation, un courant d'intensité moindre qu'avec une autre disposition. Mais, par contre, la self-induction de l'enroulement induit est augmentée, car le flux développé par le courant et

i76 LA. TECHNIQUE DES COURANTS ALTERNATIFS

d'où dépend la valeur de la self-induction, au lieu de se fermer

complètement à travers l'entrefer {fig. 127, B), comme cela se

produit dans les noyaux munis de rainures ouvertes, se

ferme partiellement à travers la partie de fer du noyau qui

sépare le trou de ' la surface en i

'^-::-^\ [fig' 127, A); quoique l'épaisseur de

; li'/^V}^ cette portion du noyau soit réduite au

--^ - minimum et, par suite, se trouve tou-

./Ç^ I jours saturée, le flux de réaction est

I I plus considérable que dans le cas de la

^'V-'/\ rainure ouverte. Généralement cette dis-

v^xVj n position constitue un inconvénient, mais

^ ^Mi elle présente certains avantages lorsque

l'alternateur, pendant son fonctionnement, est susceptible d*ètre mis en

Fig. i27.

court-circuit (par exemple, lorsqu'il alimente des fours électriques), parce qu'alors la self-induction considérable produite fait que l'intensité du courant, lors du court-circuit, ne dépasse pas le double ou le triple de l'intensité normale.

Les considérations qui précèdent sont relatives à la partie électrique ; mais, au point de vue construction, il y a avantage à loger l'enroulement dans des trous, car on peut ainsi placer les conducteurs dans des tubes isolants, ce qui permet d'obtenir un meilleur isolement, surtout dans les alternateurs à haute tension (15000 volts et au delà); dans ces conditions, l'enroulement de l'induit exige une main-d'œuvre très coûteuse, par suite de Tobligation d'enfiler les conducteurs dans les trous qui leur servent de logement.

Généralement, les constructeurs préfèrent, sauf dans certains cas spéciaux, pratiquer dans le noyau une fente transversale assez étroite qui n'enlève aucune des qualités de Falternateur, c'est-à-dire réduit la self-induction de l'induit et permet d'introduire plus facilement les conducteurs de l'enroulement, étant donné que Ton peut pratiquer une ouverture longitudinale dans le tube isolant.

ALTERNATEURS

Actuellement et surtout pour les alternateurs de grande puissance, on préfère les noyaux dentés comportant des rainures destinées à recevoir les bobines induites. Avec ce système, chaque section de Tenroulement peut être façonnée séparément sur gabarit, isolée avec tout le soin possible et essayée une fois mise en place; en cas d'avarie, une bobine peut être facilement remplacée sans démonter l'induit ; il suffit d'enlever simplement un des pôles de FindactiMir.

FiG. 128.

Les avantages que présente ce mode de construction sont supérieurs de beaucoup aux inconvénients, qui sont une plus grande réluctance de l'entrefer et, par suite, une intensité plus grande du courant d'excitation pour obtenir le flux nécessaire, parce que le flux tend à se diviser en faisceaux, ce qui entraîne l'obligation, si les rainures sont larges, d'utiliser des pièces polaires feuilletées. Mais il est facile de remédier à cet inconvénient en répartissant les conducteurs d'une même section dans deux ou plusieurs rainures voisines {fig. 128), ce qui permet, en outre, d'obtenir une courbe de force électromotrice se rapprochant beaucoup de la sinusoïde, comme on le verra plus loin. Dans ce cas, les pièces polaires peuvent être massives.

La répartition des conducteurs d'une même seclion dans plusieurs rainures (5 au maximum) présente encore l'avantage de diminuer la réaction d'induit et, par suite, de diminuer la chute de tension.

71. Enroulement de l'induit. — Suivant que Taltemateur doit fournir du courant alternatif simple ou des courants triphasés, le nombre de bobines de Tenroulement varie ainsi que leur disposition.

Si on suppose l'entrefer développé en plan, l'enroulement d'un alternateur simple peut être effectué soit comme l'indique le schéma a (Voir la planche I), soit comme le montre le schéma b, La première disposition est diteàioim^ coî/r/e, parce que chaque spire induite a une largeur presque égale à celle des pièces polaires, soit environ les 2/3 du pas. La seconde disposition est désignée sous le nom de bobine longue^ parce que chaque bobine a une largeur presque égale au pas de la machine.

Dans le premier cas, il n'y a qu'un seul côté de la spire qui soit soumis à l'induction ; dans le second cas, au contraire, les

deux côtés sont soumis en même temps à l'induction et il s'y développe des forces électromptrices qui s'ajoutent.

pj^ ^2g II est facile de voir que

les forces électromotrices induites dans les bobines de rang impair, aussi bien dans le cas des bobines courtes que dans celui des bobines longues, sont opposées en phase à celles qui sont induites dans les spires de rang pair {fig. 129); donc, si on veut relier en série les différentes sections de l'induit afin d'obtenir une force électromotrice élevée, et c'est là le cas qui se présente généralement, il faut enrouler ou relier en sens opposé les sections de rang pair, par exemple, par rapport à celles de rang impair.

ALTERNATEURS HO

Avec le mode d'enroulement à bobines courtes, les conducteurs d'une même section sont logés dans un trou fermé ou demi-ouvert ou bien dans une rainure; au contraire, lorsque Tenrouleraent est constitué par des bobines longues, système fréquemment utilisé pour les alternateurs simples, chaque trou ou rainure reçoit les conducteurs de deux sections voisines (dispositions h et c, planche I).

Dans les alternateurs à basse tension, les conducteurs constituant une bobine peuvent être réduits à deux seules barres de section rectangulaire ou cylindrique [fig. 130).

Le professeur Sylvanus P. Thompson a donné une règle mnémonique très simple pour reconnaître le sens

de la force électromotrice dans un conducteur placé dans une direction déterminée sous un pôle inducteur.

Fio. 130.

Ai^

fe^?'

Fig. 131.

Soient SNSN... les pôles d'un alternateur [fig. 131). En marquant les pôles Nord et Sud à Taide de hachures inclinées

vers la gauche, pour les pôles Sud, et de hachures inclinées vers la droite, pour les pôles Nord, on remarque que, pour les pôles Nord, la direction des hachures est la même que celle du jambage du milieu de la lettre N. Le sens de ces hachures a sa raison d'être; si au lieu de la ligne a 6, représentant un conducteur, on place sur le dessin de la face polaire une feuille de carton dans laquelle on a pratiqué une fente étroite et qu'on la déplace vers la droite dans la direction indiquée par les flèches en pointillé, la fente, en passant devant les hachures, donne Tillusion d'un mouvement qui donne le sens du courant.

Le schéma donné par la figure 131 se rapporte à un alternateur simple dont Tenroulement à bobines longues est constitué par des barres.

La disposition indiquée en c sur la planche I se rapporte & un alternateur simple à flux ondulé dont l'enroulement est à bobines longues.

11 y a lieu de remarquer que l'enroulement à bobines longues est universellement employé pour les alternateurs simples, parce que, avec le même nombre de conducteurs, on obtient une force électromotrice plus élevée.

Quelquefois, dans les alternateurs de grande puissance, au lieu de placer les conducteurs d'une même section dans une seule rainure, on les dispose moitié dans une rainure et moitié dans la rainure voisine (dispositions /, i, /, planche II). Cette disposition présente deux avantages : on obtient d abord une meilleure distribution du flux et, de plus, la forme de la courbe de la force électromotrice se rapproche davantage d'une sinusoïde. Au contraire, lorsque les conducteurs d'une même section sont placés dans une même rainure, la courbe de la force électromotrice est aplatie, parce qu'elle contient une harmonique du troisième ordre (Voir a, fig. 124). En divisant les conducteurs en deux faisceaux, les forces électromotrices, développées dans chacun d'eux, diffèrent en grandeur el en phase et leur somme est approximativement une sinusoïde. Dans les alternateurs diphasés, l'intervalle correspondant