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Auteur(s)
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François BERNOT : Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité - Docteur en sciences pour l’ingénieur - Maître de conférences à l’UTBM (Belfort)
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Lire l’articleINTRODUCTION
La classe des moteurs à courant continu n’intègre que les moteurs à collecteurs alimentés en courant continu. Elle exclut les moteurs alternatifs à excitation série, dits universels, qui utilisent la même structure à collecteur, ainsi que les structures « brushless », où le collecteur devient électronique.
Le moteur à collecteur fut la première machine électrique inventée. L’histoire retient le nom de Zénobe Gramme pour sa première réalisation industrielle en 1871. Wernher von Siemens proposa peu après la version à induit cylindrique de cette machine. Ces deux machines, conçues comme une application de la théorie des champs, ne fonctionnaient alors qu’en génératrice. Elles engendrèrent bien des sourires face à la puissance de la vapeur. Mais leur application rapide comme moteur réversible leur valut un franc succès et, dès 1880, des trains de mines furent électrifiés et un premier ascenseur électrique fut construit. Au début du siècle, la traction électrique acquit ses lettres de noblesse, avec plusieurs vitesses record de 205 km/h.
Le moteur à courant continu a l’avantage d’être facile à appréhender, car les deux bobines qui le composent sont non seulement fixes dans l’espace grâce à l’action du collecteur, mais aussi faiblement couplées. Il offre donc une introduction facile au fonctionnement de ses homologues, en donnant des repères clairs, auxquels le néophyte pourra toujours se raccrocher.
Les moteurs à courant continu ont pendant longtemps été les seuls aptes à la vitesse variable à large bande passante (robotique). Ils ont donc fait l’objet de nombreuses améliorations, et beaucoup de produits commercialisés aujourd’hui n’ont rien à envier à leurs homologues sans balais.
Ce sont les progrès de l’électronique de puissance qui ont détrôné les machines à balais, à l’avantage des technologies synchrones autopilotées. Mais les raisons essentielles de ces choix restent l’accès à des vitesses de rotation plus grandes, une meilleure compacité et, très rarement, la fiabilité.
cet article est une coédition partielle d’un des chapitres du livre de l’auteur : la vitesse variable électrique, motovariateurs à courant continu [1].
ce fascicule décrit tout d’abord la constitution et le fonctionnement d’un moteur simplifié, avant d’aborder une modélisation complète du fonctionnement du moteur seul, puis avec différents couplages. Nous continuons par une étude des modes de commande en vitesse, associée aux problèmes de démarrage. Enfin, nous terminons par une synthèse des utilisations potentielles des moteurs à courant continu, et de leurs perspectives d’évolution.
L’article Machines à courant continu- Construction constituera la suite logique de cet exposé en traitant de la construction des moteurs industriels où les différentes parties constitutives sont analysées en détail. Nous y parlerons des techniques de bobinage de l’induit et de l’inducteur, de leurs calculs, puis des pôles auxiliaires.
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6. Conclusion
Nous avons étudié la constitution physique élémentaire et le fonctionnement du moteur à courant continu, puis nous avons modélisé son fonctionnement avec divers modes d’excitation. Dans le deuxième article nous aborderons les questions relatives au dimensionnement des moteurs à courant continu.
Nous retiendrons de ce qui précède les grandes lignes suivantes.
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Un moteur à courant continu est un actionneur commandé en vitesse, cette dernière ne varie pas beaucoup lorsque le couple change.
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Le fonctionnement en mode défluxé permet d’accélérer au-delà de la vitesse nominale, avec une perte de couple proportionnelle.
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Le couple massique d’un moteur à courant continu est moins bon que celui de ses concurrents, sauf pour les servomoteurs à aimants permanents.
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De plus, certaines applications comme le positionnement très précis, ne peuvent pas s’en passer.
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Nous concluons que cette technologie est robuste et bien maîtrisée. Son avenir n’est pas du tout bouché, au contraire ; car on aura toujours besoin de systèmes simples dans le domaine de la vitesse variable ou constante. Le taux d’expansion du moteur à courant continu est même le plus important aujourd’hui, en raison de la prolifération d’équipements dans les voitures particulières.
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Nous pouvons discerner aujourd’hui les grandes classes suivantes d’utilisation du moteur à courant continu :
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la robotique, où son surcouple est apprécié, ainsi que son faible niveau de vibrations ;
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la traction, où la source est souvent continue (batterie, caténaire) ;
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la motorisation basse tension (jouets, équipements de voitures, de volets roulants...).
Précisons qu’un moteur à courant continu est rarement utilisé à vitesse constante en application industrielle, cette fonction revenant aux moteurs asynchrones. Ce cas n’arrive donc que lorsque la source est elle-même continue : systèmes de secours alimentés en énergie solaire, équipements de voitures classiques... De la même façon, la génération d’énergie en courant continu fera le plus souvent possible appel aux alternateurs synchrones ou asynchrones suivis de redresseurs à diodes.
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