moteurs à courant continu |
Le moteur à courant continu à
excitation indépendante est réversible en dynamo. Pour les autres types, il faut un
inducteur qui a suffisamment de magnétisme rémanent pour engendrer une tension induite
lors de la mise en rotation du rotor.fonctionnnement :
Ci-dessus le fonctionnement d'un moteur électrique réduit à sa plus simple
expression. A l'intérieur de l'armature d'un aimant en U, est placée un circuit en
boucle parcouru par un courant l'axe de rotation autour duquel la boucle peut être mis en
rotation a été omis.
Les flèches rouges indiquent le sens de l'intensité du courant (du plus vers le
moins). Vous pouvez reconnaître les lignes du champ magnétique, représentées en bleu
et dirigées du pole Nord (en rouge) vers le pole sud (en vert). Les flèches noires
représentent la force de Laplace qui est exercée sur un circuit parcouru par un courant
et placé dans un champ magnétique.
La force de Laplace est orthogonale à la direction de l'intensité du courant et à
celle du champ magnétique.
L'orientation de cette force résulte de l'application de la règle très connue des trois
doigts (pour la main droite!):
| Pouce: |
Sens du courant |
| Index: |
Champ magnétique |
| Majeur: |
Force de Laplace |
merci à :
© Walter Fendt, 29 Novembre 1997
© Traduction: Yves Weiss, 19 Juin 1998 |
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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. 
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 .
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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. |
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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') / Ri
I démarrage : I = U / (Ri + 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]
Ri 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. |
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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 |
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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') / (Ri + RI)
[A]
I démarrage : I = U / (Ri + RI+
Radd )* ou I dém = U
/ (Ri + 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]
Ri résistance de l'induit en [W]
RI résistance de l'inducteur en [W]
F flux magnétique 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. |
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moteur DC
à excitation shunt |
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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') / (Ri) [A]
courant dans l'inducteur : II
= U / RI
[A]
courant moteur : Ii + I I
[A]
Ii démarrage : Ii = U / (Ri + Radd )ou Idém = U / (Ri
)
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)
Ii (dans l'induit) II ( dans l'inducteur) en
[A]
U tension d'alimentation en [V]
Ri résistance de l'induit en [W]
RI résistance de l'inducteur en [W]
F flux magnétique en webers [Wb] |
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moteur DC
à excitation compound |
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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 |
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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 ( Ul
= Xl . 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.
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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
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. |
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