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BTS Electrotechnique (deuxième année)

MCC

MACHINE A COURANT CONTINU

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2. Principe de fonctionnement des machines à courant continu

2.1. Obtenir un mouvement grâce à l'électromagnétisme

interaction magnétique rotor-stator
Fig 1

Voici le principe de rotation du moteur de Gramme décrit sur la figure 1 ci-contre. le mouvement est obtenu par le principe du flux maximal : le circuit induit tend à se déplacer de telle sorte que le flux magnétique qu'il embrasse soit maximal. Sur le stator, on crée de part et d'autre du cylindre du rotor un champ magnétique inducteur continu, c'est-à-dire un pôle nord et un pôle sud. En quadrature du champ du stator, on crée sur le rotor un champ magnétique induit. Si les pôles du rotor sont placés à 90° de ceux du stator, le flux magnétique issu du stator, embrassé par le rotor est nul et, d'après la règle du flux maximal, le rotor aura tendance à tourner afin que ce flux devienne maximal. Une autre façon de voir les choses consiste à dire que le pôle nord du rotor sera attiré par le pôle sud du stator (et inversement), donc le rotor tourne. Afin d'entretenir la rotation, il faut maintenir cet configuration quelque soit la position du rotor. Nous allons voir dans la suite par quel moyen on y parvient.

2.2. Le champ inducteur

Champ magnétique inducteur
Fig 2

Le circuit magnétique de l'inducteur (stator) possède une forme qui épouse celle de l'induit (rotor). Cela permet d'obtenir un champ magnétique radial dans l'entrefer de la machine. Ainsi quelque soit sa positon, le rotor voit toujours quasiment le même champ magnétique sauf au niveau de la ligne de neutre ou celui-ci s'annule.

L'entrefer est la zone d'air comprise entre le stator et le rotor.

Inducteur à aimant permanent
Fig 3

Il y a deux solutions pour créer le champ magnétique inducteur. Soit on utilise des aimants permanents comme sur le figure 3 ; on parle alors de moteur à aimants permanents. Les moteurs à aimants permanents n'ont pas besoin d'alimentation au stator.

Inducteur à électroaimant
Fig 4

Soit on utilise des électroaimants comme sur la figure 4. Généralement les moteurs à électroaimants permettent d'obtenir des puissances supérieures par rapport au moteur à aimants permanents, mais il faut prévoir une source électrique pour alimenter le circuit inducteur.

2.3. L'induit

Une spire + balais glissants
Fig 5

Pour simplifier l'étude préliminaire, considérons un moteur dont l'induit ne comporte qu'une seule spire (fig 5), en gardant en mémoire qu'une telle machine ne saurait être efficace.

Le premier problème à résoudre est l'adduction du courant électrique à la spire du rotor tournant. La solution la plus simple semble être l'utilisation de balais fixes glissant sur des bagues solidaires du rotor (fig 5), mais nous verrons que cette solution ne convient pas à la machine à courant continu.

En effet, cette solution ne permet pas d'entretenir la rotation car lorsque la spire est positionnée sur la ligne de neutre, il s'agit d'une position d'équilibre stable.

Une spire + balais glissants
Fig 6

Si malgré tout, la spire parvient a dépasser la ligne de neutre comme sur la figure 6, on constate que le sens de rotation s'inverse !

Pour maintenir le même sens de rotation au passage de la ligne de neutre, il faudrait que la polarité de la spire de l'induit s'inverse. Pour cela, il faut inverser le sens du courant dans la spire au passage de la ligne de neutre.

Une spire + balais-collecteurs
Fig 7

Dans ce but, le système d'alimentation du rotor est constitué de deux balais fixes alimentés par un générateur de tension continu et d'un collecteur constitué, pour cette machine sommaire à une spire, de deux lames séparées par un isolant. Le collecteur est placé en quadrature de la spire de telle sorte que quand la spire passe la ligne de neutre, le conducteur qui était en contact avec le balai + vient en contact avec le balai -. Il y a bien inversion du courant au passage de la ligne de neutre, ainsi, sur le schéma de la figure 7, le pôle nord de la spire est toujours situé dans la partie inférieur du rotor et le pôle sud dans la partie supérieure. On remarque qu'il est très simple d'inverser le sens de rotation du dispositif en inversant les polarités des balais.

Schéma avec plusieurs spires
Fig 8

Pour améliorer les performances du dispositif, on répartit tout autour du rotor des conducteurs. Il y aura autant de lames de collecteurs qu'il y aura de conducteurs actifs. Pour limiter les risques d'arrachement des conducteurs, ceux-ci sont logés dans des encoches du rotor. L'ensemble des spires créent, grâce au système balais collecteurs, par exemple un pôle nord sur la moitié inférieure du rotor et un pôle sud sur la moitié supérieure et cela quelque soit la position angulaire du rotor.

Il est possible d'augmenter le nombre de pôle de la machine. Le schéma d'une machine bipolaire correspond à la figure 8, mais on pourrait construire une machine quadripolaire avec peut de modifications : il faudrait 4 pôles inducteurs au stator répartis régulièrement et 4 balais au rotor.

2.4. Couple électromagnétique

couple moteur
Fig 9

Figure 9 : La partie supérieure du rotor (pôle sud ici) est attiré par le pôle nord du stator, la partie inférieure (pôle nord) par le pôle sud du stator. Globalement, le rotor subit deux forces motrices opposées qui entraînent la rotation. Il subit donc un couple de forces d'origine électromagnétique.

Le moment du couple électromagnétique est notée Tem. Sa valeur dépend des polarités du stator, donc de la valeur du flux inducteur Φ et des polarités du rotor crée par le courant à l'induit (rotor) I :

Tem = K.Φ.I

Le moment du couple électromagnétique s'exprime en Newton.mètre (N.m), le flux magnétique en Weber (Wb) et le courant à l'induit en Ampère (A).
K est une constante de fabrication du moteur sans dimension.

2.5. Force électromotrice

fem
Fig 10

Figure 10 : Le circuit magnétique en matériau ferromagnétique canalise les lignes de champs. Les lignes de champ issus de l'entrefer passe préférentiellement dans le fer du rotor plutôt que dans les encoches ou les conducteurs. Ainsi, les conducteurs sont soumis à un champ magnétique beaucoup plus faible que le circuit magnétique du rotor. Cependant, lors de la rotation du rotor, les conducteurs balayent l'entrefer, ils coupent des lignes de champs, donc le flux magnétique embrassé varie : il y a création d'une fem induite.

La force électromotrice induite est notée E. Sa valeur dépend des polarités du stator, donc de la valeur du flux inducteur Φ et de la vitesse de rotation du rotor Ω :

E = K.Φ.Ω

La fem s'exprime en Volt (V), le flux magnétique en Weber (Wb) et la vitesse de rotation en radian par seconde (rad/s).
K est la constante de fabrication du moteur sans dimension.

2.6. Machine à courant continu : convertisseur d'énergie

La machine à courant continu est un convertisseur d'énergie (ou de puissance). elle réalise la conversion réversible de puissance électrique en puissance mécanique :

Puissance électrique ↔ Puissance mécanique

La machine s'appelle « moteur à courant continu » lors du transfert puissance électrique → puissance mécanique ;
la machine s'appelle « génératrice à courant continu » lors du transfert puissance mécanique → puissance électrique.

Le transfert de puissance s'effectue sous forme électromagnétique, l'équation de transfert de puissance s'écrit :
puissance électromagnétique de type électrique = puissance électromagnétique de type mécanique.

Soit : E.I = T.Ω

E.I = Pem, puissance électromagnétique de type électrique et T.Ω = Pem, puissance électromagnétique de type mécanique.

Pem s'exprime en Watt (W), E en volt (V), I en Ampère (A), T en Newton.mètre (N.m) et Ω en radian par seconde (rad/s).

2.7. Description

Schéma général
Fig 11

Figure 11, description de la machine à courant continu :
1 : ligne des pôles.
2 : Bâtit, circuit magnétique extérieur du stator.
3 : Rotor, circuit magnétique de l'induit.
4 : Axe de rotation.
5 : Entrefer.
6 : Bobines inductrices.
7 : Pôles inducteurs.
8 : Axe des pôles.
9 : Ligne de neutre.
10 : Conducteur de l'induit.
11 : Encoche au rotor.
12 : Collecteur.
13 : Balai.

Le circuit magnétique est constitué par le bâtit, les pôles inducteurs, l'entrefer et le rotor.

Bibliographie et sites web associés à cette page :

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Commentaires (4)

Erreur page2 Moteur à  Courant Continu
Bonjour,

J'adore votre cours pour réviser son BTS ya pas mieux mais...
J'ai trouver une petite erreur :)
Page 2 commentaire de la figure4
"... puissance supérieur par rapport au moteur à  aiment permanent"

Cordialement

Thomas Vidal
#1 - Vidal - 05/10/2012 - 11:07
@ Thomas
Oups ! Effectivement, cela ne voulais pas dire grand chose ! Merci de votre aide et bon courage pour l'examen ...
#2 - Olivier - 05/11/2012 - 05:54
Et pourtant l'E.N. veut utiliser Laplace!
Enfin un cours qui s'attaque au dogme de la force de Laplace ! Continuez à  secouer l'obscurantisme.

- Bon, je vous propose cependant une petite démonstration élémentaire de la fem que je trouve intéressante :

Examinons la petite rotation d'un angle dthéta = 2 pi / Ne pour laquelle une encoche prend la place de la précédente et, par conséquent, les brins devant un pôle coupent la totalité du flux phi sous ce pôle. Cette rotation est effectuée pendant l'intervalle de temps dt = T / Ne = 2 Ï€ / Ω.Ne. La somme des fem prenant naissance dans tous ces brins vaut donc E = Σ δφ / δt = Φ / δt (s'il n'y a qu'un brin par encoche). donc E = Φ / ( 2 Ï€ / Ne Ω ) = (2 Ï€/Ne) Φ . Ω

La somme des fem prenant naissance dans tous ces brins vaut donc E = Σ δφ / δt = Φ / δt (s'il n'y a qu'un brin par encoche). donc E = Φ / ( 2 π / Ne Ω ) = (2 π/Ne) Φ . Ω
#3 - Schlumberger - 04/07/2013 - 19:14
@ Schlumberger
L'EN ne veut plus forcement que l'on utilise les forces de Laplace. L'inspection recommande même fortement de ne plus le faire. Cependant les habitudes ont la vie longue ...

Merci pour la petite démonstration ... que l'on ne fait plus depuis longtemps, même au niveau BTS, l'EN n'aime plus le formalisme mathématique ! Trop dure pour les élèves !!

Quoiqu'on en dise, le niveau baisse ...
#4 - Olivier - 04/07/2013 - 19:38
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