tout savoir sur les moteurs électriques

rôle des pôles auxiliaires

Avant de parler de pôles auxiliaires, il peut être important de rappeler ce que sont les pôles principaux.Ce sont les enroulements de l'inducteur.

flux dans un moteur DC

Il faut se rendre compte que l'induit est traversé sous un pôle de l'inducteur par un courant de même sens et de sens contraire pour chaque pôles. Il en résulte un effet de bobine engendrant son propre flux magnétique (en bleu) dont le sens est perpendiculaire à celui de l'inducteur ( en rouge).

La résistante (somme vectorielle ou géométrique- en vert) de ces deux flux est donc légèrement désaxée par rapport au flux inducteur. ceci est important, car il faut que la commutation (emplacement des charbon) ai lieu dans cette axe magnétique.

Bien sûr on pourrait calculer tout cela et décaler physiquement la position des charbons. Mais selon l'intensité du courant électrique (qui varie en fonction de la puissance demandée) le flux infuit varie et donc la résultante et aussi son axe et donc la position idéale des charbon

Pour palier à ce phénomène, on construit des pôles auxiliaires ( on n'y arrive) en série avec l'induit et dont le flux est opposé à celui engendré par l'induit. Une variation de courant induit provoque une même variation dans les pôles auxiliaires. La résultante ne bouge ( pratiquement) pas.

Ces pôles auxiliaires se place soit dans l'axe du champ de l'induit, soit sous les pôles de l'inducteur .

moteur DC à excitation indépendante

Aspirateur de voiture:

1: interrupteur principale

2: pôle inducteur ( aimant permanent)

3: induit (3 bobines sur le rotor)

4: collecteur (ici seulement 3 plaques)

5: charbon (alimentation du rotor)

note : sur cette photo le support des charbons a été découplé du reste du moteur.

Moteur DC à aimants permanents (205844 octets)

Dans ce moteur le flux inducteur (stator) est indépendant du courant absorbé par le rotor. Le rotor est alimenté par les 3 plaques du collecteur et présente toujours les mêmes pôles d'induit face aux pôles des inducteurs.La force exercée sur les conducteurs du rotor ne change jamais de sens en un point donné; par contre nous avons un couple de force qui permet aux rotor de se mettre en rotation.

Si l'on fait tourner manuellement le rotor, nous obtenons une tension induite continue aux balais (charbons). Ce moteur est donc réversible en dynamo.

Pour changer le sens de rotation de ce moteur, il faut changer le sens du courant de l'induit ou modifier la polarité des aimants permanents.

caractéristiques:

si n diminue, Iinduit augmente

si I augmente , le couple augmente (peu)

moteur de faible puissance

note : Ce moteur ne peut pas être employé en moteur universel ( avec une alimentation électrique alternative).

Les formules principales sont :

force contre-électromotrice : E' = N . n . F

courant dans l'induit : I = (U-E') / R_i

I démarrage : I = U / (R_i + Radd )*ou Idém = U / Ri

n = ( U - R . I ) / (N . F) = E' / (N * F)

E' en [V] (aussi appelé FCEM)

N nombre de spire [-]

n vitesse de rotation en [s^-1 ] (tr/s)

I en [A]

U tension d'alimentation en [V]

R_i résistance de l'induit en [¨W]

F flux magnétique phi en webers [Wb]

* Si l'induit ne tourne pas, il se comporte comme une résistance pur ( pas de E') les valeurs de courant de démarrage sont environs 12 fois la valeur nominale. Pour limiter ce courant à une valeur acceptable, on place généralement un rhéostat (Radd) en série avec l'induit. La vitesse pourra être réglée avec un rhéostat de champ en série avec l'inducteur ( dans le moteur shunt) ; au démarrage sa position doit être telle que le courant comme l'excitation soient maximum.

moteur DC à excitation série

moteur DC d'un mixer :

1: graduateur de vitesse

2: inducteur ( 4 enroulements)

3: induit bobiné

4: collecteur

5 charbons

Moteur série

Dans cet exemple, le moteur est alimenté en alternatif. Pourtant le moteur est un moteur à courant continu. On appèle ce moteur universel. Ce type de moteur est aussi utilisé pour des aspirateur, perceuse à main, mais aussi dans les moteurs de traction ( bien que la tendance dans ce domaine est d'utiliser des moteurs asynchrones avec un asservissement).

La caractéristique de ce moteur est que si la charge utile ( puissance demandée ) augmente, la vitesse de rotation diminue, ce qui entraîne une diminution de la force contre-électromotrice E' et une augmentation du courant induit et inducteur et donc en finalité une augmentation du flux magnétique inducteur ( donc du couple - on 'remplace' de la vitesse par de la puissance).

caractéristiques:

si n diminue, Iinduit augmente
si I augmente , le couple augmente ( beaucoup)
la vitesse maximal peut atteindre 30 000 [min^-1] (tr/min)
grand couple au démarrage

Pour changer le sens de rotation de ce moteur, il faut changer le sens du courant soit l'induit soit l'inducteur.

remarques : alimenté en tension continue, le rotor est parcouru par un courant alternatif dont la fréquence égale la vitesse de rotation ( en tr/s).

Les formules principales sont :

force contre-électromotrice : E' = N . n . F [V]

courant dans l'induit : I = (U-E') / (R_i + R_I) [A]

I démarrage : I = U / (R_i + R_I+ Radd )* ou I dém = U / (R_i + R_I )

n = (U - R . I) / ( N . F ) = E' / (N . F)

E' en [V] (aussi appelé FCEM)

N nombre de spire [-]

n vitesse de rotation en [s^-1] (tr/s)

I en [A]

U tension d'alimentation en [V]

R_i résistance de l'induit en [W]

R_I résistance de l'inducteur en [W]

F flux magnétique en webers [Wb]

moteur DC à excitation shunt

Comme le moteur série, il peut être alimenté en alternatif. Si la polarité de la source électrique change, les pôles magnétiques des inducteurs changent ainsi que le sens du courant dans l'induit. La force résultante ne change pas de sens, donc le sens de rotation non plus.

Dans ce moteur, pour une tension d'alimentation constante, le courant d'excitation ( dans l'inducteur) ne varie (presque) pas. donc si la charge augmente, le vitesse du rotor ne diminue que de très peu.

On peut légèrement régler la vitesse à l'aide d'un rhéostat de champ en série avec l'inducteur.

caractéristiques:

si n diminue, Iinduit augmente
si I augmente , le couple augmente ( un peu )

Les formules principales sont :

force contre-électromotrice : E' = N . n . F [V]

courant dans l'induit : I _i = (U-E') / (R_i) [A]

courant dans l'inducteur : I_I = U / R_I[A]

courant moteur : I_i+ I _I[A]

Ii démarrage : I_i = U / (R_i + Radd )ou Idém = U / (R_i )

n = (U - R . I ) / (N . F) = E' / (N * F)

E' en [V] (aussi appelé FCEM)

N nombre de spires

n vitesse de rotation en s^-1 (tr/s)

I_i (dans l'induit) I_I ( dans l'inducteur) en [A]

U tension d'alimentation en [V]

R_i résistance de l'induit en [W]

R_I résistance de l'inducteur en [W]

F flux magnétique en webers [Wb]

moteur DC à excitation compound

Ce moteur est utilisé dans des machines dont les charges sont irrégulières.

Ce moteur pourrait être appelé série-shunt. En effet sa caractéristique est d'avoir deux inducteurs.

l'un est en série avec l'induit,

l'autre en parallèle avec le groupe induit + inducteur 1.

Une augmentation de la charge, implique une diminue de la vitesse donc une augmentation du courant d'induit. ce courant traverse également un des inducteurs et augmente ainsi le flux magnétique (donc le couple ).

La vitesse de ce type de moteur est relativement constante quelque soit la charge, Il a un bon couple au démarrage

moteur universel

Les moteurs DC (à excitation dépendante) peuvent être moteur est alimenté en alternatif. On appèle ce moteur " universel" (alternatif ou continu). Ce type de moteur est aussi utilisé pour des aspirateur, perceuse à main, rasoir, moulins à café,etc., mais aussi dans les moteurs de traction ( bien que la tendance dans ce domaine est d'utiliser des moteurs asynchrones triphasé avec un asservissement).

Dans ce moteur les inducteurs sont aussi alimentés par le réseau. Si la polarité de la source électrique change, les pôles magnétiques des inducteurs changent ainsi que le sens du courant dans l'induit. La force résultante ne change pas de sens, donc le sens de rotation non plus.

Toutefois lorsqu branche un moteur DC sur un réseau de même tension U , on constate que le courant absorbé, le couple du moteur et son rendement sont bien plus faible qu'en continu. Il faut également faire attention aux étincelles sur le collecteur qui produit un échauffement.

Pour améliorer le fonctionnement du ce type de moteur avec une alimentation alternative, il faut :

feuilleter le stator ( diminue les pertes par hystérésis et courant de Foucault),

Il faut diminuer le nombre de spire au stator ( diminue son inductance car celle-ci est plus grande en alternatif ) et augmenter celui du rotor pour compenser la perte du couple (du à la diminution du flux de l'inducteur).

ne pas l'utiliser pour des puissances supérieures à 1 kW ( mauvaise qualité de moteur à cause de sa mauvaise commutation).

Si la fréquence diminue, le pertes fer et la chute de tension réactive ( U_l = X_l . I ) diminuent. Donc pour une tension donnée, la tension induite E' augmente. Le fonctionnement de ce moteur est donc meilleur si la fréquence diminue ( à f=0, il est très bon !!).

Attention comme le moteur série continu, le moteur universel s'emballe à vide et se vitesse varie fortement selon sa charge.

moteur brushless

Ce type de moteur à courant continu, a l'avantage de ne pas avoir de balais, donc pas d'usure de contact.

Ci-dessous, deux modèles différents sont représenté

moteur Brushless.gif

Le rotor est constitué d'un aimant permanent ( par exemple : Alnico ou SmCo - samarium + cobalt) alors que le stator est constitué d'enroulement cuivre.

Le moteur brushless est utilisé pour de grandes vitesse ou si l'emplacement du moteur est difficile d'accès.

fonctionnnement :