Moteur Courant Continu

L’étude de l’électromagnétisme a mis en évidence, le principe de fonctionnement des machines à courant continu:

- fonctionnement en moteur, par déplacement d’un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique, sous l’action des forces de Laplace.

- fonctionnement en génératrice, par l’apparition d’une f.é.m induite aux bornes d’un conducteur qui se déplace dans un champ magnétique.

Une machine à courant continu est un convertisseur d’énergie réversible.

1°) Description

Cette machine est constituée :

- d’un circuit magnétique, comportant une partie fixe (le stator) et une partie tournante (le rotor) séparées par un entrefer. Le stator et le rotor sont constitués par un assemblage de tôles afin de limiter les pertes par courants de Foucault et par hystérésis.

- d’un ou plusieurs circuits électriques, le circuit de l’inducteur, qui est la source de champ magnétique et le circuit de l’induit.

- d’un collecteur qui, associé aux balais, permet de relier le circuit électrique rotorique de l’induit à un circuit électrique extérieur à la machine.

1.1) L’inducteur

Il peut-être formé soit par des aimants en ferrite, soit par des bobines inductrices en série (électroaimants). Les bobines sont placées autour de noyaux polaires.

La machine est dite bipolaire si elle ne comporte qu’un pôle Nord et un pôle Sud.

1.2) L’induit

Il est formé de conducteurs logés dans des encoches.

1.3) Le collecteur et les balais

Le collecteur est un ensemble de lames de cuivre isolées latéralement les unes des autres, réunies aux conducteurs de l’induit en certains points.

Les balais, portés par le stator, frottent sur les lames du collecteur, et permettent d’établir une liaison électrique entre l’induit qui tourne et l’extérieur de la machine.

1.4) Le circuit magnétique

Forme des lignes de champ dans le rotor, le stator et l’entrefer:

Forme du champ magnétique dans l’entrefer:

2°) Principe de fonctionnement

2.1) Rappel

Soit un circuit fermé orienté, on détermine la normale à cette surface, en respectant la règle du tire-bouchon, afin d’algébriser le flux.

Vecteur unitaire normale à la surface S

: Vecteur surface

2.2) F.é.m instantanée induite dans une spire

Faisons l’étude avec une machine simplifiée, elle ne possède qu’une paire de pôles, que deux encoches sur son rotor, dans lesquelles sont logés deux conducteurs, réunis pour former une spire et que deux lames de collecteur. Voir animation http://lyc-renaudeau-49.ac-nantes.fr/physap/spip.php?article295

Nous supposons que la vitesse angulaire du rotor est constante et égale à . L’origine des temps est choisie de manière à avoir  = 0 pour t = 0s, dans ces conditions t. On admettra, que le flux embrassé par une spire est une fonction sinusoïdale de , cela suppose que la composante radiale du champ magnétique dans l’entrefer varie sinusoïdalement avec , ce qui n’est pas exactement le cas.

Pour , le flux est maximal,

La spire est le siège d’une f.é.m induite

2.3) F.é.m de la machine simplifiée

Rôle du collecteur:

Si le balai A est sur la lame C et le balai B sur la lame D, alors emachine = uAB = vC-vD = es =e1+e2

Si le balai A est sur la lame D et le balai B sur la lame C, alors emachine = uAB= vD-vC = -es = - (e1+e2)

L’ensemble (balai, collecteur) assure une fonction de redressement, par conséquent la valeur moyenne de la f.é.m de la machine simplifiée est:

2.4) Généralisation

En conclusion, la f.é.m de la machine est moins ondulée et sa valeur moyenne est plus grande.

On appelle voie d’enroulement, l’ensemble des conducteurs parcourus pour aller d’un balai à un autre.

Pour une machine réelle, on a N conducteurs logés dans les encoches de l’induit, qui sont réparties sur tout le pourtour de l’entrefer en a paires de voies d’enroulement entre les balais (donc elles constituent 2a branches parallèles). A chaque instant, chacune de ces branches met en série N/(2a) conducteurs, soit N/(4a) spires. Les f.é.m engendrées dans les N/(4a) spires, sont décalées en fonction de la répartition spatiale de celles-ci. Elles engendrent entre les balais, une f.é.m résultante presque continue, qui correspond à la somme des valeurs moyennes des f.é.m engendrées.

Pour une machine bipolaire:

Pour une machine ayant p paires de pôles:

On utilisera la formule suivante:

E exprimé en V

K constante dépendant de la construction de la machine:

 Flux maximal sous un pôle en Wb

 Vitesse de rotation du rotor en rad/s

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