MACHINES TOURNANTES ELECTRIQUES PRINCIPES ELEMENTAIRES

MACHINES TOURNANTES ELECTRIQUES

PRINCIPES ELEMENTAIRES

Chapitre 1 : INTRODUCTION

Les machines électriques sont classées suivant trois grandes familles:

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.

Chapitre 2 : 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.

Figure 1 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.

Figure 2

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 champ de l’induit est fixe par rapport au rotor, donc pour obtenir un mouvement le champ 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 champ 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 champ 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 champ 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 champ 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 champ statorique et du champ d’induit nous donne un couple. La différence de vitesse entre le champ 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 champ 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 champ 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 champ statorique tournant à la vitesse de synchronisme. Le rotor étant assimilable à un aimant permanent, il tourne donc à la vitesse du champ statorique d’où l’appellation de machine synchrone. Lorsque le champ inducteur et le champ 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 champ tournant statorique.

Inconvénient de la machine synchrone :

· Impossibilité de démarrage sans aide extérieure.

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dernière modification le 27 Janvier 1997