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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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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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Couplages de l’excitation
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2. Modélisation d’une machine à courant continu
Nous avons étudié de façon sommaire la constitution des moteurs à courant continu. Leur construction sera abordée dans l’article Machines à courant continu- Construction. Comme nous l’avons présenté paragraphe 1, nous allons procéder à une mise en équation simple de la machine à courant continu, à l’aide du modèle laplacien. Cette approche reste valable dans la plupart des cas, car les moteurs à collecteur ne sont en général pas beaucoup saturés et les interactions entre l’inducteur et l’induit restent faibles.
2.1 Calcul du couple
En examinant la figure 9, nous avions vu, que dans un moteur industriel, tous les courants réels sont de même sens sous le pôle Nord et de sens opposé sous le pôle Sud. Par conséquent, les forces de Laplace appliquées aux conducteurs créent un couple résultant de même signe.
La figure 13 illustre cette démonstration. Elle rappelle que la structure du moteur à courant continu correspond à la configuration idéale pour la création d’une force électromagnétique : les vecteurs champ magnétique et courant perpendiculaires induisent une force F résultante tangentielle au rotor.
Reprenons donc l’expression de la force de Laplace :
d F = I dL x B ;puis appliquons-la à un conducteur élémentaire...
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