C'est quoi une machine à courant continu ? C'est un convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle (réve...
C'est quoi une machine à courant continu ?
C'est un convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle (réversible) d'énergie.
Domaine d'application
Les moteurs à courant continu restent très utilisés:
- Dans le cas de faibles puissances: industrie automobile (essuie-glace, ventilateurs, lève-vitre, démarreur, etc.), la robotique, ainsi dans l’électroménager et l’outillage.
- Dans le cas de moyennes puissance: engin de levage (treuils, grues, etc.)
- Dans le cas de grandes puissances: traction électrique (train)
Symbole
Constitution
Une machine à courant continu (MCC) comprend quatre parties principales :
- Une partie fixe : Le stator appelé inducteur
- Une partie mobile (tournante) : Le rotor appelé induit
- Le collecteur
- Les balais également appelés charbons
Stator et rotor
Sur le plan mécanique, un moteur est constitué d’une partie fixe, le stator et d’une partie mobile, le rotor, entre lesquelles se trouve un petit intervalle d’air, l’entrefer.
Un dispositif particulier est nécessaire à son fonctionnement, le collecteur et les balais.
Une machine à courant continu comprend quatre parties principales :
- Le stator è appelé inducteur
- Le rotor è appelé induit
- Le collecteur
- Les balais également appelés charbons
Le stator (Inducteur)
Le stator est la partie fixe: constitué d’un circuit magnétique portant l’enroulement d’excitation parcouru par un courant continu (ou des aimants permanents), dont le rôle est de créer un flux magnétique dans l’entrefer
Inducteur formé par des aimants permanents: Les pertes joules sont supprimées mais l’excitation magnétique est fixe.
Dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution.
bobines enroulées sur des noyaux polaires disposés sur le stator: Le réglage de l'excitation rend possible le fonctionnement en survitesse.
Dans une machine à courant continu (MCC), le stator est constitué de plusieurs paires de pôles magnétiques.
Le nombre de pôles, toujours pair, est appelé 2p , c’est-à-dire qu’on préfère parler du nombre de paires de pôles
Le rotor (induit)
Le rotor est la partie tournante: formé d’un empilage de tôles magnétiques, comprenant un certain nombre d’encoches, sur lesquelles sont placés un certain nombre de bobinages.
Les conducteurs de l’induit sont parcourus par le courant continu absorbé (moteur) ou débité (génératrice) par la machine.
Le collecteur
- le collecteur est monté sur l’arbre de la machine et fait de lames de cuivre isolés les unes des autres par le mica.
- Les deux fils sortant de chaque bobine de l’induit sont successivement et symétriquement soudés aux lames du collecteur.
Les balais
- les balais faits en carbone en raison de sa bonne conductivité électrique et de son faible coefficient de frottement
- Les balais solidaires du stator frottent sur le collecteur (contacts glissants), ils assurent le contact électrique entre l’induit et le circuit extérieur
- Les machines multipolaires ont autant de balais que de pôles
La pression des balais sur le collecteur peut être réglée par des ressorts ajustables
Les balais sont parfois appelés "charbons" car ils sont constitués de graphite.
Inversion du sens de rotation : Pour inverser le sens de rotation d’un moteur à courant continu, il suffit d’inverser la polarité de la tension aux bornes de l’induit
Schéma de principe du système Ballais-Collecteur :
- Les balais et le collecteur constituent les points faibles de la machine MCC (usure prématurée des balais et collecteur)
- Plus la vitesse de rotation est élevée, plus les balais doivent appuyer fort pour rester en contact et plus le frottement est important
Principe de fonctionnement
Si un conducteur de longueur L et en forme de spire, parcouru par un courant I, est placé dans un champ magnétique B (flux magnétique Ф), il est soumis à des forces de Laplace F = B*L*I
Ces forces créent un couple de rotation qui fait tourner la spire sur son axe.
Quand la spire a fait un demi-tour, il faut inverser la polarité pour inverser le sens des forces et continuer le mouvement. Ce sera le rôle du collecteur
Schéma simplifié d'une spire en rotation dans un champs magnétique crée par l'aimant
Le sens est déterminé par la règle des trois doigts de la main droite.
Loi de LAPLACE :
Le pouce se place dans le sens du champ (le sens des lignes d'induction est toujours du N au S à
l'extérieur d'un aimant et du S au N à l'intérieur)
Le majeur se place dans le sens du courant (sens conventionnel toujours du + vers le -)
L'index détermine alors le sens de la force
Caractéristiques des moteurs à courant continu
La qualité du moteur (régularité de l’entrainement, couple, vitesse…) est donc directement liée à sa constitution :
- Nombre de pôles
- Nombre de faisceaux (et donc de lames du collecteur)
- Nombre de spires dans un faisceau
- Choix des matériaux constituant l’ensemble
La vitesse de rotation du moteur est directement liée à la tension d’alimentation.
Le sens de rotation dépend de la polarité de l’alimentation du bobinage de l’induit (rotor) ou du stator lorsque celui-ci est constitué d’électroaimants.
Modes d'excitation
On parle d’excitation pour décrire le mode d’alimentation des circuits inducteur bobiné et induit des moteurs à courant continu. Une machine à courant continu comporte deux circuits électriques : l’enroulement de l’induit et l’enroulement de l’inducteur. Ces deux circuits peuvent être couplés l’un par rapport à l’autre de différentes manières ce qui définie les différents modes d’excitation.
Modèle équivalent d'une excitation indépendante ou séparée
En régime continu on néglige l’effet des inductances, on tient en compte que l’effet résistif des enroulements.
- r : Résistance de l’inducteur (Ω)
- R : Résistance de l’induit (Ω)
- Ie : Courant d’excitation (A)
- I : Courant d’induit (A)
- Ue : Tension d’alimentation de l’inducteur (V)
- U : Tension d’alimentation de l’induit (V)
- E : est appelée force électromotrice (f.e.m) en fonctionnement génératrice, et force contre électromotrice (f.c.e.m) en fonctionnement moteur (V)
Il faut deux alimentations : une pour l'inducteur et l'autre pour l'induit
Les quatre grandeurs qui déterminent le fonctionnement du moteur sont : E,U, I et Φ.
Equation électrique à l’induit :
L'inducteur crée le flux magnétique φ en Weber [Wb]
Le rotor est composé de N conducteurs et tourne à la vitesse angulaire Ω en [rad/s]
Avec K une constante sans dimension qui dépend de la machine
Le couple électromagnétique est proportionnel à l'intensité qui circule dans l'induit
Bilan de puissance
Dans tous les cas La puissance électromagnétique : Pem = Tem.Ω = E.I
Les pertes mécaniques (frottements, vibrations, ventilation …)
Les pertes “fer” (dues aux matériaux ferromagnétiques)
La puissance utile développée :
Le rendement :
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