Moteur électromagnétique     

Machines tournantes électriques

Constitution d'un moteur à courant continu

MOTEUR ÉLECTROMAGNÉTIQUE

DÉMONTRER COMMENT FONCTIONNE UN MOTEUR

C'est facile à l'aide

QUE FAIT LA BARRE AIMANTÉE LORSQU'ON EN APPROCHE A TOUR DE ROLE CHAQUE EXTRÉMITÉ DE L'ÉLECTRO-AIMANT ?

QUE FAIT LA BARRE AIMANTÉE ?

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On voit partout des moteurs, petits et gros. A la maison on les retrouve dans le réfrigérateur, la lessiveuse et la sécheuse, les ventilateurs, les climatiseurs et les magnétoscopes. On les retrouve également dans les petits ouvre- boîtes électriques, les cafetières, les mélangeurs et les horloges. A l'intérieur, l'électricité fait tourner l'induit par magnétisme. On utilise des moteurs pour faire marcher toutes sortes de machines. A cette fin, les moteurs sont fixés à la machine de différentes façons. Dans les ventilateurs et les moulins à café électriques, les moteurs sont fixés directement aux pales du ventilateur et au mécanisme du moulin. Le mécanisme tourne à la même vitesse que le moteur.

D'autres moteurs entraînent des machines qui sont plus lentes. Les horloges et les ouvre-boîtes électriques tournent plus lentement que leur moteur. Ils sont donc reliés au moyen d'engrenages. Les engrenages modifient la vitesse de rotation du moteur. Celui-ci peut ainsi tourner à haute vitesse, trop rapidement pour qu'on puisse voir le mouvement mais l'appareil tourne lentement pour qu'on puisse compter le nombre de tours. Les horloges tournent très lentement. Quelle est leur vitesse de rotation ?

On modifie aussi la vitesse de certains moteurs à l'aide de poulies. Dans la sécheuse, le tambour ne peut pas tourner aussi vite que le moteur. Une courroie en caoutchouc qui entraîne directement le tambour est reliée au moteur par une petite poulie. Ainsi, lorsque le moteur tourne, il fait tourner la poulie qui entraîne la courroie. Cette dernière entraîne le tambour beaucoup plus lentement que le moteur. Quels autres appareils ménagers utilisent des poulies ?

La plupart des moteurs ci-dessus sont branchés dans le circuit électrique au moyen de prises murales. Cependant, il arrive quelquefois que l'on s'empêtre dans les longs câbles qui relient certains appareils. C'est pourquoi les compagnies canadiennes fabriquent actuellement des appareils à piles. Philips fabrique des rasoirs, des mélangeurs, des couteaux électriques et des fers électriques qui fonctionnent à piles et sont plus commodes à utiliser. Certains d'entre vous avez sûrement des petits moteurs à piles à la maison. La radio est-elle branchée ou fonctionne-t-elle à piles ? Certains jouets comme les modèles d'automobiles et les petits robots fonctionnent aussi à piles.

Les métros, les autobus et les tramways ont tous des moteurs. Les tramways, les métros et les trolley- bus sont tous munis de moteurs électriques. Les autres types d'autobus ont des moteurs diesel. La voiture de chacun ici fonctionne sans doute à l'essence ou au diesel.

La Générale électrique du Canada fabrique des moteurs de toutes les dimensions. Certains sont fabriqués à Peterborough, en Ontario. Leurs nouveaux moteurs sont utilisés dans les aciéries et dans les mines, les papeteries et les installations d'extraction du pétrole et servent à pomper de grandes quantités de pétrole et d'eau. Certains de leurs moteurs de dimensions moyennes sont utilisés dans les fermes. Ils servent à actionner les ventilateurs des soues pour l'élevage des porcs. Les éleveurs savent que des porcs qui sont confortables sont en meilleure santé.

COMMUNIQUÉ ÉCLAIR

Un électro-aimant possède deux pôles, soit le nord et le sud. On a vu de quelle façon un pôle de la barre aimantée est attiré par l'électro-aimant et l'autre repoussé.

Pendant qu'une extrémité de la barre aimantée est attirée, on inverse le connecteur à boutons-pression et on touche à nouveau la batterie. Soudain, la barre aimantée est repoussée. Pour que cela se produise, les pôles de l'électro-aimant ont dû s'inverser.

Eh bien ! C'est ce qui s'est passé ! L'inversion du connecteur a également inversé le flux d'électrons. Ceux-ci se déplacent à l'inverse, ce qui a inversé les pôles. Le pôle nord est devenu le pôle sud et le pôle sud le pôle nord. Par conséquent, le même pôle qui attirait la barre aimantée la repoussait également après.

En continuant d'inverser rapidement le connecteur à boutons-pression au moment où les pôles s'approchent l'un de l'autre, il est possible de faire tourner la barre aimantée.

Comme c'est le cas pour tous les aimants, les électro-aimants ont des pôles. La polarité peut être inversée en inversant le connecteur à boutons-pression sur la batterie. Il faut se rappeler qu'en magnétisme, les pôles de signe opposé s'attirent et les pôles de même signe se repoussent. Par conséquent, le pôle de l'électro-aimant attire le pôle le signe opposé de la barre aimantée. Lorsque les fils, et par le fait même la polarité, sont inversés, les pôles ont le même signe et se repoussent.

Une certaine connaissance des engrenages et des poulies serait utile pour cette activité.

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    MACHINES TOURNANTES ELECTRIQUES

PRINCIPES ELEMENTAIRES

INTRODUCTION

Les machines électriques sont classées suivant trois grandes familles:

· Moteur à courant continu

· Moteur asynchrone

· Moteur synchrone

Chacune de ces familles possède des propriétés dépendantes de la technologie employée à leur fabrication. Ce document n’a pour objet que de faciliter le choix d’une motorisation pour des applications ne nécessitant pas de variation de vitesse.

 

PRINCIPES ELEMENTAIRES

DE FONCTIONNEMENT

Dans un premier temps, une analogie avec des aimants permanents sera utilisée pour exposer le principe fondamental de fonctionnement de tous les types de moteur.

Ici sur la Figure 1, B excitation et B inducteur sont colinéaires, en d’autres termes les deux champs magnétiques sont alignés, ce qui donne un couple nul.

Sur la Figure 2, les champs sont orthogonaux, ce qui donne un couple maximum. C’est cette position idéale que toutes les machines devront essayer d’atteindre pour être au couple maximum.

Bien entendu, sur cette analogie aimants permanents, si le rotor effectue un tour entier le couple moyen est nul. Les diverses technologies, permettent sur ce principe d’obtenir un couple non nul.

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MOTEUR A COURANT CONTINU A EXCITATION PAR AIMANTS PERMANENTS

Rappel de physique :

En 1820, le physicien Hans Christian Oersted découvre que l’aiguille d’une boussole magnétique dévie lorsqu’on la place à côté d’un fil parcouru par un courant. Il constate qu’elle s’oriente perpendiculairement au courant, voir Figure 3.

Figure 3

En partant de ce principe, il est possible de recréer le champ magnétique fourni par un aimant permanent, à l’aide de conducteurs alimentés en courant, voir Figure 4.

 

Figure 4

La machine à courant continu conserve les aimants permanents au stator, stator appelé plus justement inducteur. Les aimants permanents du rotor, appelé l’induit, sont remplacés par un bobinage longitudinal alimenté en tension par un ensemble balais collecteur, Figure 5. Quelle que soit la position angulaire de l’induit, son champ sera toujours orthogonal au champ inducteur, donc quel que soit le régime du moteur, le couple sera maximal.

Figure 5

Avantages de la machine à courant continu :

· Couple toujours optimal.

· Alimentation très simple si le courant continu est disponible.

· Machines très largement diffusées.

Inconvénients de la machine à courant continu :

· Echauffement au rotor dû à l’ensemble balais-collecteur.

· Echauffement au rotor dû à la circulation de courant conjugué avec la résistance de l’induit.

· Vitesse de rotation limitée due à l’ensemble balais collecteur.

· Perturbations électromagnétiques dues à l’ensemble balais-collecteur.

· Bruits mécaniques dûs à l’ensemble balais-collecteur.

· Usure des balais puis pollution de l’environnement (alimentaire).

· Arcs électriques dus à l’ensemble balais collecteur (milieux déflagrants).

Remarque : Il est toujours préférable d’avoir les échauffements au stator, car les calories sont plus facilement dissipables par des ailettes ou une peinture noire mate. Ces échauffements peuvent êtres d’origine mécanique ou électrique (pertes Joules).

Pour palier à une partie de ces problèmes et grâce au progrès de l’électronique de puissance, une nouvelle catégorie de machine a vu le jour : machine DC-BRUSHLESS.

Plusieurs appellations sont en vigueur, voici une liste non exhaustive :

-DC-BRUSHLESS.

-BRUSHLESS TRAPEZOIDAL.

-SQUARE WAVE BRUSHLESS.

-MACHINE AUTO PILOTE.

-MACHINE A COMMUTATION ELECTRONIQUE.

Par rapport à l’analogie aimants permanents, ceux du rotor restent et ceux du stator sont remplacés par des bobinages, Figure 6.

 

Figure 6

Maintenant le champs de l’induit est fixe par rapport au rotor, donc pour obtenir un mouvement le champs statorique doit tourner. Ce mouvement est obtenu par une commutation électrique des courants dont voici un schéma possible, Figure 7:

Figure 7

Une série de six interrupteurs électroniques, commandés à partir de l’information de position du rotor, aiguille des créneaux de courant dans chacune des phases du moteur. Maintenant la limitation de la vitesse de rotation du moteur est donnée par la tenue mécanique du rotor. Il est composé d’un arbre ferromagnétique avec à sa périphérie, des aimants permanents collés. De plus, dans un grand nombre de machines, une chaussette en matériaux composites évite la centrifugation des aimants permanents. Le prix de ces machines est encore assez élevé.

 

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MOTEUR ASYNCHRONE

Principe physique.

Si l’on fait traverser un aimant permanent au travers d’un fil conducteur, nous allons constater la circulation d’un courant dans celui ci. L’intensité du courant dépendra de la vitesse de l’aimant. Maintenant si l’aimant permanent circule en sens inverse, le courant le sera lui aussi. Notons que c’est la vitesse relative qui est importante, donc si l’aimant permanent est fixe et le fil mobile, le résultat est identique (voir Figure 8 et Figure 9).

Figure 8

Figure 9

C’est donc de ce principe que fonctionnent les machines asynchrones. Le rotor est bobiné généralement triphasé alimenté à partir du réseau polyphasé. Le champs statorique tourne alors à la vitesse de la pulsation du réseau (50Hz). Le rotor est soit bobiné ou à barreaux appelé aussi cage d’écureuil, Figure 10.

Donc le stator est l’inducteur, il forme un champs tournant à la fréquence du réseau dans la machine, en ce qui concerne le rotor plusieurs configurations sont à envisager :

· S'il tourne à la vitesse de synchronisme (vitesse de rotation du champs statorique) et en se référant au principe physique de base, la vitesse relative est nulle, donc il n’y a pas de courant d’induit et par conséquent pas de couple.

· S'il tourne à une vitesse différente donc nous retrouvons le principe physique, c’est à dire un fil conducteur en mouvement dans un champs magnétique. Il y a création d’un courant d’induit dans les bobinages ou dans les barreaux et comme il y a courant, nous retrouvons un champ magnétique d’induit. La conjugaison du champs statorique et du champs d’induit nous donne un couple. La différence de vitesse entre le champs tournant statorique et le rotor est appelée glissement.

La machine asynchrone est appelée ainsi car pour obtenir un couple, le rotor tournera toujours à une vitesse différente de celle du champs statorique.

Figure 10

Avantage de la machine asynchrone :

· Faible prix.

Inconvénients de la machine asynchrone:

· Faible couple au démarrage.

· Ne tourne pas à la vitesse du champs statorique.

· Utilisation d’un réseau polyphasé.

 

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MOTEUR SYNCHRONE

Le stator est identique à la machine asynchrone. Le rotor est bobiné et alimenté en courant continu par l’intermédiaire de balais et de bagues, Figure 11. Cette configuration permet de remplacer un aimant permanent. Nous retrouvons le principe de base des machines électriques avec un champs statorique tournant à la vitesse de synchronisme. Le rotor étant assimilable à un aimant permanent, il tourne donc à la vitesse du champs statorique d’où l’appellation de machine synchrone. Lorsque le champs inducteur et le champs d’induit sont colinéaires, le couple est nul et lorsqu' ils forment un angle de 90°, alors le couple est maximal. Si l’angle dépasse 90°, il y a apparition du phénomène de décrochage entraînant l’arrêt de la machine.

Figure 11

Avantage de la machine synchrone :

· Synchronisme du rotor par rapport au champs tournant statorique.

Inconvénient de la machine synchrone :

· Impossibilité de démarrage sans aide extérieure.

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MOTEUR A COURANT CONTINU

DEVELOPPEMENT

LA CONSTRUCTION

Voici en première approche, un plan de conception de moteur à courant continu. Tous les composants seront analysés et détaillés. Ce plan n'est une conception exhaustive, une grande partie des options possibles seront passées en revue.

Repère 1 · Le flasque avant.

Repère 2 · L'arbre.

Repère 3 · Le palier avant.

Repère 4 · Les balais.

Repère 5 · Le guide balais.

Repère 6 · Les ressorts.

Repère 7 · Le collecteur.

Repère 8 · La carcasse.

Repère 9 · Les aimants.

Repère 10 · Les tôles magnétiques.

Repère 11 · Le cuivre.

Repère 12 · L'agrafe.

Repère 13 · Le palier arrière.

Repère 14 · Le flasque arrière.

Repère 1, LE FLASQUE AVANT.

Ses missions.

La principale mission est de porter le palier avant, sur ces machines les efforts mécaniques sont modérés, par contre le positionnement géométrique est très important, car le jeu entre les aimants et les tôles magnétiques est faible (quelques dizièmes de millimètres). La seconde mission est le centrage de la carcasse, qui doit posséder une bonne concentricité avec le palier. Bien souvent le palier avant assure aussi la fixation du guide balais.

Sa construction.

Les matériaux utilisés sont soit l'aluminium ou le plastique. Le moyen d'obtention pour l'aluminium est dans la majorité des cas la fonderie, et pour le plastique l'injection est utilisée.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 2, L'ARBRE.

Ses missions.

L'arbre assure le maintien de toutes les pièces en rotation. Les tôles magnétiques sont montées généralement en force par un gonflement local du diamètre de l'arbre. Tout le couple créé transite par cet emmanchement. La flexion de l'arbre est particulièrement à surveiller, la charge appliquée sur son extrémité peut engendrer un couple tel qu'une flexion critique s'induise. Cette flexion se traduit par une fatigue de l'arbre, un mauvais positionnement des balais et cas extrême un contact entre les tôles magnétiques et les aimants.

Sa construction.

Ils sont en acier, et s'ils sont ouvragés pour le montage des paliers, le tour est utilisé pour leur fabrication.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 3, LE PALIER AVANT.

Ses missions.

Le palier avant reprend la majorité des efforts radiaux, et tout les efforts axiaux quand ils sont présents. Seuls les calculs mécaniques permettent le choix entre les roulements à billes ou les paliers lisses. Les paliers lisses sont inaptes à encaisser les efforts axiaux.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 4, LES BALAIS.

Leur mission.

Le transport du courant de la partie fixe vers la partie mobile. Ces composants sont fortement sollicités en température. L'élévation de température est produite par les pertes Joule et par le frottement des balais sur le collecteur. Un bon calage de l'axe des balais par rapport à l'axe magnétique de la machine est nécessaire pour éviter les arcs électriques. La précédente étude indiquait un angle de 90°, mais pour palier aux temps d'établissement des courants, une légère avance peut être requise. Ce calage peut ce faire si un seul sens de rotation est demandé.

Dans certaines applications, un troisième balai est disposé, ce qui permet d'obtenir une varation très simple de la vitesse de rotation. En effet, ce troisième balai est disposé non pas à 180° d'un autre mais a un angle tel que le rendement s'effondre ainsi que la vitesse de rotation. Une simple commutation du courant vers ce troisième balai offre une deuxième vitesse de rotation. Voici une photo montrant la disposition de ce balai:

Leur construction.

Ils sont généralement frittés. La composition est à base de graphite plus divers composants que les constructeurs gardent jalousement.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 5, LE GUIDE BALAIS.

Sa mission.

Ce guide est une liaison glissière pour les balais. Le guidage doit avoir une hauteur suffisante et avec un jeu convenable pour éviter aussi bien les coincements que les battements. Dans quelques cas, des rainures antipoussières sont aménagées sur les faces des balais ou dans le guide pour éviter tout blocage.

Leur construction.

Deux grandes technologies: Une ancienne qui utilise de la tôle laiton pliée. Ceci est encore très répandu. Une plus moderne qui utilise du plastique injecté.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 6, LES RESSORTS.

Leur mission.

La mission est d'obtenir une pression de contact entre chaque balai et le collecteur. Cet effort doit être suffisant pour limiter la chute de tension sous les balais et de plus éviter tout décollement. L'effort ne doit pas être trop important pour limiter les échauffements et usures aux contacts.

Leur construction.

Ils sont soit hélicoïdaux, à spirales ou à lames. Parfois le guide balais intègre cette fonction.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 7, LE COLLECTEUR.

Sa mission.

C'est un interrupteur tournant qui assure la distribution du courant quelque que soit la vitesse de rotation de la machine. L'ensemble collecteur-balais peut aussi être vu comme un onduleur de courant mécanique. Ce collecteur permet de garder les champs magnétiques perpendiculaires quelque soit la position du rotor.

La constance du couple sur un tour, dépend du nombre de lames sur le collecteur. Par un raisonnement quantitatif, si un rotor possédait un collecteur à deux lames, le moteur tournerait mais son couple oscillerait de zéro à sa valeur maximale. Deux lames ne permettent pas de garder les deux champs magnétiques orthogonaux. Par opposition, un collecteur avec un nombre de lames infini donnerait un couple parfaitement constant.

Sa construction.

L'âme est une bague isolante, cette bague est chaussée d'un anneau de cuivre possédant des crochets pour y souder ou pincer le fil de cuivre. Aprés montage du cuivre sur l'isolant, des saignées sont réalisées pour obtenir les lames. Sur la photo ci-dessus, les saignées sont parfaitement visibles.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 8, LA CARCASSE.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 9, LES AIMANTS.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 10, LES TOLES MAGNETIQUES.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 11, LE CUIVRE.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 12, L'AGRAPHE.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 13, LE PALIER ARRIERE.

· Le plan du moteur.

 

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Repère 14, LE FLASQUE ARRIERE.

· Le plan du moteur.

 

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