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En anglais
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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Modélisation d’une machine à courant continu
En anglais
1. Présentation générale
Nous utiliserons, pour tout l’article, le modèle laplacien, qui consiste à ramener les conducteurs à la périphérie de l’entrefer sous la forme de courants superficiels fictifs. Cette approche est moins rigoureuse que l’analyse variationnelle avec des aimants équivalents, mais elle permet de décrire simplement tous les phénomènes principaux et secondaires qui régissent ces machines.
D’un point de vue structurel, un moteur à courant continu comporte un induit tournant et un inducteur fixe. Cette dernière partie peut être soit bobinée, soit réalisée avec des aimants permanents. Nous commencerons notre étude par un moteur simplifié de ce dernier type.
1.1 Analyse d’un moteur simplifié à aimants permanents
1.1.1 Moteur simplifié à une bobine au rotor
-
Commençons par étudier, sur la figure 1, une version simplifiée de ce moteur. Il ne contient qu’une seule bobine rotorique, qui est alimentée par un collecteur à deux lames et un inducteur (stator) à aimants permanents (pôles nord N et sud S). Précisons que cette version ne démarre pas, car, en dessous de trois lames au collecteur, le rotor (induit) se bloque sur une position d’équilibre stable.
La source de tension alimente, via des frotteurs fixes, les bobines du rotor. Chacun de ces balais fixes touche successivement les lames du rotor, en direct ou en inverse. Les conducteurs vus par chaque pôle seront donc toujours orientés dans le même sens. Les premiers balais étaient réalisés en fil de cuivre d’où l’utilisation courante de ce mot, mais des charbons les ont rapidement remplacés.
Le modèle laplacien adopté nous incite à supposer que le flux magnétique émis par les aimants inducteurs est radial dans l’entrefer et que les conducteurs de l’induit sont ramenés à la périphérie de ce dernier. La figure 2 met en évidence cette disposition.
Nous remarquons que cette disposition est idéale car les deux vecteurs (induction et courant) sont orthogonaux.
La force de Laplace :
F = ILB0sinαappliquée sur un seul conducteur de longueur...
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