Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
Catégories
Techniques
Sciences
Encore plus...
Techno-Science.net
Partenaires
Organismes
 CEA
 ESA
Sites Web
Photo Mystérieuse

Que représente
cette image ?
 A | B | C | D | E | F | G | H | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | +
Machine à courant continu

Une machine à courant continu est une machine électrique : convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un dispositif mécanique.

  • En fonctionnement moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la lumière, calculer. Ce travail est proportionnel à la quantité...) est transformée en énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie d'un système emmagasinée sous forme d'énergie cinétique et d'énergie potentielle mécanique. C'est une...).
  • En fonctionnement générateur l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...),...) est transformée en énergie électrique. La machine se comporte comme un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.). La génératrice à courant continu (Le courant continu (CC), par opposition au courant alternatif, est un courant électrique unidirectionnel : le courant circule à chaque instant dans le même...) est aussi appelée dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en Belgique en 1869 par Zénobe Gramme. La dynamo repose sur un principe...)

Inventeur officiel : Zénobe Gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.). C'était au départ un simple générateur de courant continu (pour applications galvanoplastiques, par exemple, les accumulateurs étant onéreux). Un ouvrier des usines Gramme ayant par erreur branché un dispositif à l'envers, on découvrit ainsi par hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à...) son utilisation possible comme moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir...).

Machine de base ou machine à excitation indépendante

Description sommaire

Une machine électrique (Une machine électrique est un dispositif permettant la conversion d'énergie électrique en travail ou énergie mécanique :) à courant continu est constituée :

  • D'un stator qui est à l'origine de la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...) magnétique longitudinal fixe créé soit par des enroulements statoriques soit par des aimants permanents. Ce stator est aussi appelé inducteur (L'inducteur est une organe électrotechnique, généralement un électroaimant, ayant comme fonction d'induire un champ électromagnétique dans un induit : machine électrotechnique, alternateur, moteur.) en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine.
  • D'un rotor bobiné relié à un collecteur rotatif inversant la polarité dans chaque enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour d'un support). Cet enroulement peut n'être constitué que d'une seule spire (tour du...) rotorique au moins une fois par tour de façon à faire circuler un flux magnétique transversal en quadrature avec le flux statorique. Les enroulements rotoriques sont aussi appelés enroulements d'induits, ou communément induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine.

Constitution et principes physiques

Le schéma de ce type de machine est donc le suivant :

  • Le courant I, injecté via les balais au collecteur, traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des véhicules circulant...) un conducteur rotorique ( =une spire rotorique ) et change de sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...) ( =commutation ) au droit des balais. Ceci permet de maintenir la magnétisation du rotor perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin...) à celle du stator.

La disposition des balais sur la " ligne neutre " (=zone où la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...) de flux est nulle), permet d'obtenir la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) contre-électromotrice maximum. Cette ligne peut néanmoins se déplacer par la réaction magnétique d'induit ( influence du flux statorique sur le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) inducteur ) selon que la machine travaille à forte ou à faible charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice...). Une surtension, due en partie à la mauvaise répartition de la tension (La tension est une force d'extension.) entre lames du collecteur et en partie à l'inversion rapide du courant dans les sections de conducteur lors du passage de ces lames sous les balais, risque alors d'apparaître aux bornes de la spire qui commute et de provoquer la destruction progressive du collecteur. Pour palier cela, c’est-à-dire compenser la réaction d'induit, et aussi améliorer la commutation on utilise des pôles auxiliaires de compensation/commutation.

  • L'existence du couple s'explique par l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de...) magnétique entre stator et rotor :
    • Le champ statorique (Bs sur le schéma) est pratiquement nul sur les conducteurs logés dans des encoches et n'agit donc pas sur eux. L'origine du couple reste la magnétisation transversale du rotor, inchangée au cours de sa rotation (rôle du collecteur). Un pôle statorique agit sur un pôle rotorique et le moteur tourne.
    • Une manière classique mais simpliste de calculer le couple est de s'appuyer sur l'existence d'une force de Laplace (La force de Laplace est une force qui s'exerce sur un fil conducteur () dans lequel passe un courant électrique (I), dans un champ magnétique (). Son expression est :) (fictive) créée par le champ statorique (Bs sur le schéma) et agissant sur les conducteurs rotoriques traversés par l'intensité I . Cette force (FL sur le schéma) qui résulte de cette interaction est identique en module pour deux conducteurs rotoriques diamétralement opposés mais comme ces courants sont en sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement,...) grâce au système balais-collecteur, les forces sont aussi de sens opposés.
  • La force ainsi créée est proportionnelle à I et à Bs . Le couple moteur T est donc lui aussi proportionnel à ces deux grandeurs.
  • La tige (La tige est chez les plantes à fleurs, l'axe, généralement aérien, qui prolonge la racine et porte les bourgeons et les feuilles. La tige se ramifie généralement en branches et rameaux formant l'appareil...) conductrice traversée au rotor par le courant I se déplace soumise au champ statorique Bs . Elle est donc le siège d'une force contre-électromotrice (FCEM) induite (loi de Faraday-Lenz) proportionnelle à Bs et à sa vitesse (On distingue :) de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le déplacement...) donc à la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le...) de rotation. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de ces forces contre-électromotrices à pour conséquence l'apparition d'une force contre-électromotrice globale E aux bornes de l'enroulement rotorique qui est proportionnelle à Bs et à la vitesse de rotation du moteur.
  • Pour permettre au courant I de continuer à circuler, il faudra que l'alimentation électrique (Le terme d'alimentation électrique désigne un ensemble de systèmes capables de fournir de l'électricité aux appareils fonctionnant avec cette énergie.) du moteur délivre une tension supérieure à la force contre-électromotrice E induite au rotor.

Schéma électrique idéalisé

Ce schéma rudimentaire n'est pas valable en régime transitoire.

Ri et Re sont respectivement les résistances du rotor et du stator

Ce schéma correspond aux équations électriques suivantes :

  • - au stator : Ue = Re . Ie (loi d'ohm) et le champs statorique vaut Bs = ke . Ie (la moins exacte des formules de ce paragraphe car on ne tient pas compte des non-linéarités qui sont importantes et, en plus, on suppose que la machine comporte des enroulements de compensation/commutation qui rendent ce champ indépendant des courants rotoriques. En fait, on fait passer dans ces enroulements de compensation/commutation un courant tel qu'il crée un champ annulant le champ induit au niveau des balais. Ce courant est le courant passant dans l'enroulement d'armature car le champ de commutation doit varier de la même manière que le champ induit.)
  • - au rotor : Ui = E + Ri.Ii

D'autre part on a deux équations électromécaniques :

  • - La force contre électromotrice : E = Cte . Bs . Ω (Ω = fréquence de rotation en rad/s).
  • - Le couple électromécanique (L'électromécanique est l'association des technologies de l'électricité et de la mécanique.) (moteur ou résistant) : T = Cte . Bs . Ii

On peut montrer que les constantes sont les mêmes pour les deux lignes, ce qui implique :

  • E . Ii = T . Ω ou " Puissance électrique utile " = " Puissance mécanique ".

Descriptif du fonctionnement

Imaginons une machine électrique alimentée par une source de tension U constante. Lorsque le moteur tourne à vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) ( il ne fait pas d'effort ) il n'y a pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins...) de fournir de couple, Ii est très faible et UE. La vitesse de rotation est proportionnelle à U.

  • fonctionnement en moteur

Lorsque l'on veut la faire travailler, en appliquant un couple résistant sur son axe, cela la freine donc E diminue.
Comme U reste constante, le produit Ri.Ii augmente donc Ii augmente, donc le couple T augmente lui aussi et lutte contre la diminution de vitesse : c'est un couple moteur.
Plus on le freine, plus le courant augmente pour lutter contre la diminution de vitesse. C'est pourquoi les moteurs à courant continu peuvent " griller " lorsque le rotor est bloqué, si le courant de la source n'est pas limité à une valeur correcte.

  • fonctionnement en génératrice

Si une source d'énergie mécanique essaie d'augmenter la vitesse de machine, ( la charge est entrainante : ascenseur (Un ascenseur est un dispositif mobile assurant le déplacement des personnes (et des objets) en hauteur sur des niveaux définis d'une construction.) par exemple ), Ω augmente donc E augmente.
Comme U reste constante, le produit Ri.Ii devient négatif et augmente en valeur absolue (Un nombre réel est constitué de deux parties: un signe + ou - et une valeur absolue.), donc Ii augmente, donc le couple T augmente lui aussi et lutte contre l'augmentation de vitesse : c'est un couple frein.
Le signe du courant ayant changé, le signe de la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) consommée change lui aussi. La machine consomme une puissance négative, donc elle fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés...) de la puissance au circuit. Elle est devenue génératrice.

Ces deux modes de fonctionnement existent bien entendu pour les deux sens de rotation de la machine. Celle-ci pouvant passer sans discontinuité d'un sens de rotation ou de couple à l'autre. On dit alors qu'elle fonctionne dans les quatre quadrants du plan couple-vitesse.

Machine à excitation constante

C'est le cas le plus fréquent : Bs est constant car il est créé par des aimants permanents ou bien encore parce que Ie est constant.

Si l'on pose : Cte . Bs = K, les équations du paragraphe précédent deviennent :

    • U = E + Ri.Ii
    • E = K . Ω
    • T = K . Ii

Moteur série

L'excitation série étant aujourd'hui réservé à des moteurs, il n'est pas habituel d'utiliser le terme de machine à excitation série.

Ce type de moteur est caractérisé par le fait que le stator est raccordé en série avec le rotor.

  • Donc le même courant traverse le rotor et le stator : Ii = Ie = I
    et la tension d'alimentation U = Ui + Ue
  • Bs = ke . I

les équations de la machine deviennent :

    • U = E + Ri.I + Re . I = E + (Ri + Re) . I
    • E = k . ke . I . Ω = K . I . Ω
    • T = k . I . ke . I = K . I2
  • Les équations ci-dessus permettent de montrer que les moteurs à excitation série peuvent développer un très fort couple en particulier à basse vitesse, celui-ci étant proportionnel au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même...) du courant. C'est pourquoi ils ont été utilisés pour réaliser des moteurs de traction de locomotives jusque dans les années 1975.
    Ce type de machine présente toutefois, du fait de ses caractéristiques, un risque de survitesse et d'emballement à vide.
  • Aujourd'hui, les principales applications sont :
    • les démarreurs d'automobiles.
    • les moteurs universels ( perceuses, outillage à main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à l’extrémité de l’avant-bras et relié à ce dernier par le poignet. C'est un organe destiné à saisir et manipuler...), etc ) : le couple T = K . I2 reste de même sens quel que soit le signe de I. Une des conditions pratiques pour qu'un moteur série soit un moteur universel (Un moteur universel est une machine à courant continu à excitation série: le rotor est connecté en série avec l'enroulement inducteur. Le couple de la machine est indépendant...) est que son stator soit feuilleté, car dans ce cas le flux inducteur peut être alternatif. (Remarque : une perceuse prévue pour le raccordement sur le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité d'une...) 230V alternatif fonctionne aussi en courant continu : essayez de la brancher sur votre batterie d'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de...), ce n'est que du 12 V et elle tourne ...)

Excitation Shunt

Dans le moteur shunt le stator est monté en parallèle avec le rotor. Il n'y a plus beaucoup d'application à ce montage.

  • Donc la tension aux bornes du rotor est la même que celle aux bornes du stator : Ui = Ue = U
    • Bs = ke . Ie K . U

les équations de la machine deviennent :

    • U = E + Ri.Ii
    • E = K . U . Ω
    • T = K . U . Ii

Excitation composée ou Compound

Dans le moteur compound une partie du stator est raccordé en série avec le rotor et une autre est de type parallèle ou shunt.

  • Ce moteur réunit les avantages des deux types de moteur : le fort couple à basse vitesse du moteur série et l'absence d'emballement ( survitesse ) du moteur shunt.

Avantages et inconvénients

L'avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse. Voire même leur raccordement direct à la source d'énergie : batteries d'accumulateur, piles, etc.

Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou " charbons " et le collecteur rotatif. Ainsi que le collecteur lui même comme indiqué plus haut et la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par Henri Atlan), en sociologie, en informatique ou en...) de sa réalisation. De plus il faut signaler que :

  • Plus la vitesse de rotation est élevée, plus la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) des balais doit augmenter pour rester en contact avec le collecteur donc plus le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) est important.
  • Aux vitesses élevées les balais doivent donc être remplacés très régulièrement.
  • Le collecteur imposant des ruptures (Ruptures est le second album de la série de science-fiction Orbital constituée de diptyques, dessiné par Serge Pellé et écrit par Sylvain Runberg,...) de contact provoque des arcs, qui usent rapidement le commutateur et génèrent des parasites dans le circuit d'alimentation, ainsi que par rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique et magnétique.).

Un autre problème limite les vitesses d'utilisation élevées de ces moteurs lorsque le rotor est bobiné, c'est le phénomène de "défrettage", la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage).

Un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous...) au rotor, comme les moteurs "disques" ou les moteurs "cloches", qui néanmoins possèdent toujours des balais.

Les inconvénients ci dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) du moteur brushless, aussi dénommé " moteur à courant continu sans balais ", ou moteur sans balais.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

Vous pouvez soumettre une modification à cette définition sur cette page. La liste des auteurs de cet article est disponible ici.