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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 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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3. Couplages de l’excitation
Un moteur à courant continu comporte donc deux parties distinctes :
-
l’une qui ne sert qu’à magnétiser ( inducteur) ;
-
l’autre qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique ( induit).
Plusieurs possibilités de connexions électriques existent nous allons les examiner maintenant, en partant des deux relations fondamentales [2] et [4] :
C = hIfI et E = hΩIfPrécisons que, dans tous les calculs qui suivent, nous ne nous intéresserons qu’au régime établi, d’où la suppression des inductances dans les schémas équivalents.
3.1 Excitation séparée ou à aimants permanents
Dans un moteur à excitation séparée, l’inducteur et l’induit sont alimentés par deux sources distinctes. Les cas fréquents où la tension d’excitation est constante sont équivalents à ceux des moteurs à aimants permanents, dont le flux est constant.
La figure 16 présente le principe de l’excitation séparée.
La loi d’Ohm appliquée à la maille définie par l’ inducteur donne :
Ef = RfIf.De la même façon, la maille d’induit permet d’écrire :
U = RiI + E.Nous en déduisons, avec la relation [4] :
E = U − RiI = hΩIf.Nous obtenons, en utilisant la relation ...
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