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Première version: 13/10/2003
Dernière version: 2014-06-12
Les moteurs électriques (page 3/5)
Principes de fonctionnement spécifiques pour les moteurs sans collecteurs
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Principes de fonctionnement généraux
Principes de fonctionnement spécifiques pour les moteurs sans collecteur <-- Vous êtes ici
Principe de fonctionnement spécifique pour les moteurs à collecteur
Sommaire de la page
- Rappels rapides
- Moteurs à champ tournant
- Moteur aimants permanents (MSAP)
- Moteur asynchrone (MAS)
- Moteur à réluctance variable (MSyRV)
- Moteur à rotor bobiné (MSRB)
- Moteur à collecteur (MCC)
- Moteurs piézo-électriques
- Moteurs électrostatiques
Préambule
Maintenant que nous connaissons un peu mieux le principe général de fonctionnement de chaque moteur, et dans quels conditions ils sont utilisés, voyons le fonctionnement de chacun plus en détail.
Rappels rapides
Nous verrons en fait que tous les moteurs se ressemblent, à quelques variantes de construction ou de pilotage près. Nous avons vu en détail les principes généraux des moteurs dans la deuxième page, faisons un résumé rapide.
Principe de fonctionnement
Constitution de la machine électrique
Nous parlons de machine électrique car cette dernière peut être un moteur si on lui applique une tension, ou un générateur si on récupère l'électricité produite quand elle tourne. Nous utiliserons par le suite le terme de moteur.
Le principe du moteur est l'attraction et la répulsion magnétique entre les aimants d'un rotor (la partie qui tourne) et d'un stator (la partie fixe).
Sur une des parties (soit le rotor soit le stator, ça dépend de la
construction du moteur), le champ magnétique est fixe, c'est
l'inducteur.
Ce champ magnétique peut être généré par des aimants permanents ou par des
bobines parcourues par un courant. Par la suite nous appellerons aimant un
dipôle magnétique (avec pôle sud et pôle nord) qui est soit un aimant
permanent soit une bobine.
Sur l'autre partie, le champ magnétique est dit tournant, c'est à dire qu'il est orienté dans un sens puis plus tard dans l'autre sens. C'est l'induit. Le champ tournant est toujours généré par des bobines, alimentées par un courant alternatif.
Entre l'inducteur et l'induit, qui bougent l'un par rapport, on a laissé un espace pour éviter que ça frotte, cet espace concentre l'énergie mise dans le champ magnétique attirant l'un par rapport à l'autre. Cet espace c'est l'entrefer.
L'inducteur est symbolisé par :
Avec l'induit au milieu :
Ce schéma représente le circuit magnétique du moteur : les parties métalliques sur le stator et les parties métalliques du rotor.
Fonctionnement du moteur
Le champ magnétique généré par l'induit est au début dirigé à 90° par rapport au champ de l'inducteur. Le rotor va donc tourner pour aligner les 2 champ magnétique (celui de l'induit avec celui de l'inducteur). Une fois qu'ils sont alignés, le moteur s'arrête!
Le champ magnétique de l'induit, qui est aligné avec celui de l'inducteur, est donc coupé, et un autre champ magnétique d'induit est créé à 90° de celui qui vient d'être éteint, donc à 90° par rapport au champ de l'inducteur, et on repart dans la même configuration que précédemment. On dit que l'induit à un champ tournant.
Maintenant, comment générer le champ tournant dans les bobines de l'induit? 2 méthodes, l'une mécanique, en utilisant un collecteur à balais (l'induit est alors le rotor), ou en utilisant un contrôleur électronique pour alimenter successivement les phases, qui peuvent alors être placées sur le stator (des bobines fixes sont plus faciles à câbler, pas besoin de balais, mais rien n'empêcherait de les mettre sur un rotor en les alimentant via un collecteur ou plusieurs bagues tournantes, mais à ce moment il n'y a plus d'intérêt!).
Il faut absolument que le champ tournant soit relié à la vitesse du moteur, sans quoi le synchronisme n'est plus assuré et le moteur décroche, de façon violente pouvant entrainer la destruction du rotor.
Le collecteur à balais, générant le champ tournant et étant lié au rotor, sert de lien pour adapter la champ tournant à la vitesse moteur. Sur un moteur sans balais, il faut pouvoir connaitre la position du moteur pour que le contrôleur adapte le champ tournant à la vitesse moteur. Pour connaitre la position moteur, les premiers brushless utilisaient des capteurs à effet hall, mais de plus en plus c'est le controleur qui mesure la f.c.é.m. moteur pour en déduire la position des aimants de l'inducteur (avantage, pas de capteurs et moins de fils reliés au moteur).
Architectures de l'induit
- A collecteur, induit forcément sur le rotor.
Ce rotor peut être soit la cage extérieure soit sur l'axe.
- Sans balais, l'induit peut être soit sur le stator soit sur le rotor, mais
comme ce serait stupide de mettre des bagues tournantes pour amener le fort
courant d'induit sur la partie tournante, on ne trouve que l'architecture
induit sur le stator. Il peut être aussi à cage tournante (outer, les
aimants sont sur l'extérieur, on peut en mettre plus donc plus de couple) soit
à l'intérieur (inner, moins de couple car moins d'aimants mais vitesse
de rotation plus élevée car poids plus faible et plus près de l'axe donc
moins de force centrifuge).
Nous voyons donc l'avantage du moteur sans balais : L'induit, qui est forcément bobiné et qui est traversé par un courant très élevé (créant le couple du moteur), est fixe. Alors que pour le moteur à collecteur l'induit est mobile, ce qui implique d'amener un courant élevé à travers un système tournant (le collecteur), donc étincelles, pertes de tension, usure, etc. et aussi de faire tourner des grosses bobines soumises à la force centrifuge, donc de limiter la vitesse maxi sous peine de les disloquer.
Architectures de l'inducteur
- A aimants permanents (solution
récente due aux progrès de l'électronique et de la découverte d'aimants
beaucoup plus puissants)
- A bobines alimentées par un courant continu, soit en série (c'est le
courant continu d'alimentation de l'induit du moteur) soit en parallèle. Le
courant d'inducteur est relativement faible comparé à celui de l'induit. les
bobines d'inducteur permettent, en faisant varier le courant, de faire varier
le champ magnétique de l'inducteur.
Moteurs à champ tournant
On retrouve ici tous les moteurs sans balais.
Tous ont la nécessité de contrôler le synchronisme entre l'inducteur et l'induit (l'autopilotage), excepté le moteur asynchrone où le champ magnétique de l'inducteur est généré pa celui de l'induit. Nous verrons ce moteur asynchrone en dernier.
A noter qu'un moteur à balais utilise aussi le champ tournant, mais le collecteur monté sur l'induit tournant créé lui-même le champ tournant et l'autopilotage à partir de la rotation du moteur, il est considéré faire partie du moteur et n'exige pas de pilotage additionnel. L'inconvénient, en plus de l'usure des balais, vient du fait que le champ tournant n'est pas réglable, c'est un peu comme les voitures qui n'avaient pas de réglage d'avance à l'allumage centrifuge et par dépression (mais quand même supérieur aux trembleurs du début du 20ème siècle). Alors que si le champ tournant est réglé indépendamment du moteur, on peut jouer sur son décalage avec l'inducteur en fonction de plusieurs paramètres,
Architecture
Le champ tournant est produit par l'induit. Il peut s'agir d'un induit à
une seule phase, auquel cas le moteur ne peut démarrer seul, mais en général
d'au moins 2 phases.
Comme l'induit à besoin d'être alimenté, et pour éviter les balais,
l'induit est monté sur le stator, et l'inducteur sur le rotor.
Présentation
Pour pouvoir l’utiliser sur toute la plage de vitesse, il faut défluxer
les moteurs avec le variateur, utiliser des variateurs complexes pour le
contrôle vectoriel de flux. En effet ce moteur produit une f.é.m. qui
augmente avec la vitesse et pour avoir un peu de couple à haute vitesse il
faut que la tension augmente. Il y a des moyens pour défluxage mais avec des
composants chers.
le moteur en vogue actuellement est le MS à aimants Nd Fe Bo (Sm Co pour les
plus riches).
Le problème de ces aimants est qu'il utilisent des terres rares,
principalement trouvées en Chine et en Afrique dans des mines achetées par
les chinois, et que le gouvernement chinois à décidé début 2010 de freiner
les exportations pour favoriser son marché intérieur et faire monter les
cours, de même qu'obliger les entreprises à s'installer en Chine et ainsi
favoriser le transfert de compétences.
La vitesse de ces moteurs n'est limitée que par la tenue mécanique des éléments du rotor et par les roulements.
Instant de commutation des phases
Il est primordial que la vitesse du champ tournant soit adaptée à celle du moteur. Pour cela, il nous faut connaitre le top départ de commutation. Pour cela, 2 méthodes.
Capteurs à effet hall
C'est la première solution trouvée. Il y en a en général 3, qui mesurent le passage de l'aimant de l'inducteur et permettent donc de savoir dans quelle position est le moteur, pour savoir quelle phase alimenter.
Inconvénients : Il faut rajouter des cables entre le controleur et le moteur, et l'ajout de composants au plus proche des aimants de l'inducteur complique la fabrication et diminue la fiabilité de l'ensemble.
Régulation basée sur la fcem
Le controleur utilise une des bobines de phase libre pour mesurer le passage d'un aimant, et donc savoir où en est l'inducteur.
Inconvénient : Au démarrage, la fcem est trop faible pour être exploitable. Il faut donc démarrer le moteur lentement en espérant qu'il ne décroche pas. Le couple donc le rendement dans cette phase ne sont pas très bon. De plus, la mise au point d'une telle commande est complexe, à cause des bruits mesurés, nécessitant des filtres et une bonne puissance de calcul.
Controleur sinus
Ces controleur n'appliquent pas une consigne carrée mais sinusoïdale, plus en adéquation avec la fem réelle du moteur. Il s'en suit un couple appliqué plus régulier, moins de bruit du moteur, et un meilleur rendement (un peu).
Vitesse de rotation fonction de la tension appliquée
C'est la tension appliquée qui détermine la vitesse de rotation. En effet, plus le rotor tourne vite, plus il génère une f.c.é.m. qui s'oppose à la tension appliquée. Quand cette f.c.é.m. s'approche de la f.é.m. appliquée, le courant dans le stator s'approche de zéro, le couple n'est plus suffisant que pour combattre les pertes diverses du moteur, la vitesse n'augmentera plus. De même, si le flux statorique augmente, la f.c.é.m. générée par le stator augmente pour une vitesse identique, la vitesse maxi possible du moteur diminue donc puisque l'équilibre f.c.é.m.-f.é.m. sera atteint pour une vitesse de rotation inférieure.
Couple fonction du courant appliqué
Plus le courant d'induit est fort, plus le
magnétisme généré par les phases de l'induit est important, plus les forces
de Laplace sont importantes, donc plus le couple du moteur est important.
Le courant dépend de la différence de tension entre la f.c.é.m.
moteur et la f.é.m. appliquée.
Au démarrage, cette f.c.é.m. n'existe pas encore. Le courant circulant
dans les enroulements de l'induit est donc énorme, dépendant de la
résistance des fils des enroulements et de leur inductance ( qui va
déterminer le temps mis pour atteindre ce courant maxi).
Si on laisse en l'état, ce courant intense de démarrage va faire chauffer les
conducteurs voir cramer l'isolant ou faire fondre le fil de cuivre trop fin, et
il peut aussi mettre à plat le générateur d'électricité (ou faire péter
le fusible de protection, ce qui est un moindre mal). Ce courant trop fort peut
aussi griller les balais du collecteur ou l'électronique du contrôleur. Il
génère aussi une pointe de couple néfaste à la mécanique.
Au régime de rotation maximal, la f.c.é.m. est très proche de la
f.é.m., le couple est minimal. Si on ne fait rien, la moindre charge
fait chuter le régime moteur jusqu'à ce que la différence f.é.m. /
f.c.é.m. génère un courant suffisant pour produire un couple
supportant la charge appliquée. Nous verrons plus bas les techniques mises en
oeuvre.
Méthodes de contrôle de la vitesse
Si on veut contrôler la vitesse d'un MS, il faut
donc maitriser la tension en entrée. Pour cela, 3 choix possibles :
- Rhéostat sur l'induit, c'est une grosse résistance, mais comme je vous l'ai
déjà expliqué, c'est à éviter dès que les intensités dépassent les 10
A, car la puissance dissipée, RI², transforme la régulation de tension en
radiateur, diminuant le rendement à peau de chagrin.
- Hacheur, ou alimentation à découpage (modulation par largeur d'impulsion ou
PWM en anglais), le courant continu d'entrée est coupé pendant une partie du
temps, à une fréquence dépassant 400 Hz, permettant de diminuer la tension
moyenne appliquée.
- gradateur à angle de phase (le même que dans les lampes halogènes), un
hacheur pour courant alternatif, utilisé dans le cas particulier des moteurs
universels alimentés en alternatif.
L'idéal est le hacheur. La tension est réglable sur une plage allant de 0 V
au voltage maximum de la source. Au démarrage, selon le peps que l'on veut
mettre ou l'autonomie, on attaquera par une tension déjà élevée (par
exemple, 50 V) pour avoir un courant de l'ordre de 200 à 300 A, donnant un
couple de démarrage très fort, pour une puissance de l'ordre de 10 kW à 15
kW.
Si l'on privilégie l'autonomie, on mettra 1 V à 0 tr/min, puis on montera
progressivement la tension avec le régime, pour avoir une différence f.é.m.
appliquée - f.c.é.m. générée de l'ordre de quelques volts, pour un courant
de 1 A pourquoi pas. Le couple exercé par le moteur est alors très faible, il
ne faut pas avoir la caravane au cul dans une montée de 30% à ce moment-là,
le couple exercé ne permettra jamais de monter dans les tours. Il faudrait
augmenter le voltage progressivement (moteur à l'arrêt) jusqu'à ce que le
moteur commence à accélérer pour donner le courant minimal pour une
accélération de l'ensemble. On connait alors le couple qu'il faut exercer,
par le biais de ce courant. en mesurant la vitesse du moteur, on peut en
déterminer le voltage à appliquer pour que le courant dans le moteur soit
toujours le même.
Par exemple, à 0 tr/min (f.c.é.m. de 0V) il nous faut exercer une tension de
10 V pour commencer à faire tourner le moteur, ça veut dire qu'il faudra
toujours une différence de 10 V par rapport au régime moteur (ou plutôt à
la f.c.é.m. générée pour ce régime) pour que le moteur accélère avec le
courant minimal possible.
Méthodes de contrôles du couple
Adévelopper, en parlant de la variation du flux d'inducteur, et du contrôle vectoriel de flux pour les aimants permanents.
Comportement moteur
Prenons un exemple chiffré (moteur à collecteur à aimants permanents) qui sera plus parlant, avec PA la puissance absorbée par le moteur, PS la puissance délivrée sur l'arbre moteur :
Basse consommation - faible couple |
Haute consommation - fort couple |
Voltage(V) - Courant(A) - PA(kW) - Régime(tr/min) - PS(kW) -
Rendement(%) - Couple(Nm) |
Voltage - Ampères - PA - Régime - PS - Rendement -
Couple |
On peut tirer de ce tableau plusieurs constations :
- Il vaut mieux travailler à hauts régimes, le rendement étant plus élevé.
Attention, si à 60 V on consomme 200A, soit autant qu'à 48 V, on consomme
quand même plus de puissance au final! (pour rappel, P=UI). C'est pourquoi on
peut être tenté d'intercaler des boites de vitesse pour travailler dans les
hauts régimes, mais s'assurer que la BV ne bouffe pas 15% de rendement (
écart entre le rendement le plus faible de 70% et le plus élevé de 90%, si
on est 10 % du temps seulement à 70 % de rendement ça ne vaut pas le coup)
- Plus le courant est faible, meilleur est le rendement. Le mode économie
affiche à tension donc consigne de vitesse équivalente des rendements plus
élevés.
- Pour un couple 2 fois moins élevé, le courant d'alimentation ne dépasse
jamais 90 A en mode économie, contre 200 A en mode consommation. Ça veut dire
autant de refroidissement évité, des composants de puissance moins chers, un
contrôleur moins lourd, plus fiable, un rendement de décharge de batterie
plus élevé, des fils d'alimentation 2 fois moins lourds, des batteries ayant
besoin d'être moins performantes, donc moins chères, etc. Au final plus
d'autonomie. Ça vaut parfois le coup d'attendre un peu!
- A hauts régimes, la différence de rendement entre une conduite à forte
puissance ou à l'économie est moins flagrante, voir même inexistante. A ce
moment là un mode full power est justifié, dès lors que la différence est
inférieure à 3 %. Ça permettrait en plus de retrouver le comportement joueur
d'un moteur thermique dans les tours.
- Les courants et les couples de sortie sont proportionnels.
- C'est comme en moteur thermique, si on veut accélérer plus on enfonce plus
la pédale d'accélérateur (la consigne de vitesse), ici on augmente plus le
voltage par rapport au régime auquel on est : il en résulte un courant plus
important, plus de couple donc plus d'accélération.
Moteur aimants permanents (MSAP)
Le moteur phare de la traction automobile électrique.
C'est le même que le MCC-AP, sauf que c'est pas un collecteur qui créé le champ tournant donc l'induit est fixe, ça simplifie la construction mais il faut générer l'alimentation séquentielle des phases via un contrôleur, l'instant d'alimentation étant déclenché via des capteurs qui nous indique la position du rotor (on n'a plus le collecteur pour le faire). Ça permet de faire varier l'avance à l'allumage de la phase.
Pour 3 phases, il y a 3 fils qui sortent du moteur, notés A, B et C.
On va alimenter d'abord A sur le + et B sur le -, puis une fois l'aimant en
face de la bobine A, c'est B qui est alimenté en +, et C en -, puis C+ et A
-.
Pour inverser le sens de rotation, il suffit de brancher A à la place de C, B
restant câblé de la même manière.
Il faut un multiple de 3 pour les phases et un nombre paire de pôles (les
aimants du rotor).
On alterne en général les orientations d'un aimant à l'autre.
Le contrôleur regroupe les 2 fonctions de contrôle moteur, à savoir la commutation des phases en fonction de la position du moteur, et la tension appliquée à chaque phase via un hacheur, qui a une fréquence de découpage bien plus élevée que celle de commutation de phases.
Au niveau de l'usure, il faut impérativement contrôler sa température interne, les aimants très puissants à l'intérieur dépassant rarement 150°C, température au delà de laquelle ils se démagnétisent.
Contrôle des moteurs
Je reprends ici le résumé de NLC.
La forme des aimants de l'inducteur et de l'extrémité des noyaux des bobinages de l'induit détermine la fcem générée par le moteur à vide : soit trapézoïdale (impulsion carrée en pas à pas) soit sinusoïdale (progressive). La forme de la tension de pilotage issue du contrôleur doit donc correspondre à celle du moteur, sans quoi il y aura variation de couple appliqué (la fcem n'est pas en phase avec la fem appliquée, le courant résultant donc le couple est hâché) ça se répercute en vibration et donc en bruits (amplifié lors des forts couples). C'est ce qui s'appelle le "cogging", le moteur broute et claque.
Pilotage en mode trapèze : un peu comme du moteur pas à pas : tous les 60° électriques le contrôleur envoie du + sur une phase, du - sur une autre phase, et laisse la 3eme phase en l'air.
Pilotage en mode sinus (champ orienté vectoriel) : le controleur injecte 3 courants parfaitement sinusoïdaux dans les 3 phases moteurs. Du coup sur les moteurs roues qui ont une forme de backfem sinusoïdale, même à très basse vitesse et malgré un fort courant et donc un fort couple, ça tourne rond, sans a-coup, et dans un pur silence.
Un moteur BLDC est normalement spécialement prévu pour se piloter avec des contrôleurs en mode trapèze : 6 cycles de commutation, dans chaque cycle une phase est connectée au +, une autre au -, et la 3eme laissée en l'air. Ces moteurs sont normalement conçus (forme et disposition des aimants, forme du stator) pour que la forme de leur fcem soit trapézoïdale plutôt que sinusoïdale, pour que le courant résultant du pilotage trapézoidale soit le plus "lisse" possible afin d'éviter le cogging.
Un moteur PMAC ou PMSM (permanent magnet synchronous motor) a normalement une forme de fcem sinusoïdale. Du coup l'idéal est de les piloter en mode sinus, afin d'avoir 3 beaux courants sinusoïdaux et un couple parfaitement régulier, donc pas de bruit et pas de vibration. Ils peuvent se piloter avec des contrôleurs trapèze mais font du cogging.
Un moteur bien conçu ne doit pas présenter d'importants crans magnétiques quand on le tourne à la main (signe d'un souci de conception sur le design interne). Et ça se répercute par une forme de fcem constituée d'une composante principale sinusoidale mais sur laquelle se superpose une harmonique.
Moteur asynchrone (MAS)
Les moteurs asynchrones ne diffèrent des moteurs synchrones que par leur
rotor, aimanté dans le cas du synchrone, sans aimantation préalable pour
l'asynchrone (l'aimantation sera induite par le champ tournant de
l'inducteur).
L'avantage du moteur asynchrone est que le rotor est découplé du stator, en
cas de surcharge il tourne moins vite et génère plus de couple pour
rattrapper sa vitesse de synchronisme. Son rendement est moins bon, lié à la
différence de vitesse entre le champ tournant de l'inducteur et la vitesse du
rotor.
Le moteur asynchrone est le premier moteur sans balais de l'histoire (brevet de Nikola Tesla de 1887).
Pour les petites puissances, une alimentation en monophasé suffit.
Si on veut plus de puissance, il faut alors utiliser un moteur polyphasé, en
général le triphasé de la distribution électrique.
Contrôle de vitesse
La vitesse du moteur asynchrone est définie par la construction du moteur (dépend du nombre de pôles de la cage d'écureuil) et par la fréquence du courant d'alimentation. Il faut donc faire varier cette dernière si on veut un moteur à vitesse variable, on se rapproche alors du coût d'un MSAP pour la partie contrôleur 'les aimants permanents du PSAP restant bien plus cher que la simple tôle du rotor d'un MAS).
Sur les applications à partir de courant continu (à partir de batteries par exemple), un onduleur à fréquence variable transforme le courant continu en courant alternatif multiphasé permettant de faire fonctionner le moteur asynchrone à la vitesse imposée par la fréquence du courant alternatif. L'onduleur a un rendement excellent, supérieur à 95%, et est plus facile à réaliser (il ondule juste le courant) qu'un contrôleur de moteur synchrone (qui doit à la fois découper le courant pour faire varier la tension donc la vitesse, et alimenter une par une les phases en fonction de la position du moteur, donc soit posséder un capteur de position, soit une détection de la position complexe via l'analyse du courant d'alimentation moteur. Le rendement d'un contrôleur est en général plus faible que celui d'un simple onduleur).
C'est pourquoi le moteur asynchrone est souvent rencontré dans la traction automobile.
Fréquence nominale
Elle dépend de la fréquence d'alimentation. Plus cette fréquence est
éleve, plus le volume et la masse du moteur diminuent.
Le moteur asynchrone monophasé à besoin d'un condensateur monté en série
avec l'induit pour démarrer. Le condensateur étant comme un fil électrique
pour le courant alternatif, il laisse passer le courant. Ce condensateur
provoque le déphasage permettant le démarrage.
Moteur à réluctance variable (MSyRV)
Historique
Il a été testé dans les laboratoires dans les années 1990, il y a eu des prototypes réalisés en 1970 (sur la voiture électronique des frères Jarret, mais pas monté sur la Porquerolles finale car pas de frein moteur dans les descentes), mais apparemment il n'y en a plus en cours dans les laboratoires de recherche actuels, du fait de l'intérêt des aimants en terre rare bien plus performants.
Principe
L'inducteur n'est constitué que de fer. Les lignes de force du champ
magnétique de l'induit passe préférentiellement dans ce fer que dans l'air.
Pour diminuer leur longueur, elles vont contraindre l'induit à s'aligner sur
les pôles de l'inducteur. C'est donc le même principe que les autres moteurs
synchrones, sauf qu'il n'y a pas d'aimants sur l'inducteur pour renforcer le
champ magnétique d'induit, le moteur est moins coupleux qu'un MSAP par
exemple.
On ne peut pas dire qu'il n'y a pas d'aimants , car l'inducteur s'aimante
lorsqu'il facilite le passage des lignes de force magnétiques de l'induit. En
plus de faciliter le passage des lignes de force il renforce le flux
magnétique. Mais dans la limite de la saturation du fer de l'inducteur, donc
au mieux comme les meilleures ferrites, bien inférieures en densité de flux
aux derniers aimants en terre rare. Ce qui rends son intérêt aujourd'hui
moins important que dans les années 70 où les meilleurs aimants restaient
proches des ferrites.
L'alimentation de l'induit peut être monopolaire (tension uniquement positive), ce qui empêche simplifie l'alimentation électronique des phases. Mais ça empêche aussi de se libérer complètement de la réluctance résiduelle (hystérésis) du fer de l'induit, ce qui provoque une légère attraction des pôles inducteurs quand ils passent devant une phase éteinte, attraction s'opposant au déplacement et diminuant le rendement.
Le champ d'induit est pulsé et non tournant, ce qui simplifie l'électronique, et les bobinages sont simples.
Construction
Le rotor est l'inducteur, c'est un simple assemblage de tôles (car soumis
au champ variable de l'induit) formant des pôles, là aussi de forme droite
donc simple à fabriquer.
Pour des vitesses élevées, le rotor (l'inducteur), pour diminuer les
frottements à l'air, est rempli de résine amagnétique et non conductrice
entre les pôles, pour donner la forme d'un cylindre, offrant moins de trainée
aérodynamique qu'une surface de rotor discontinue.
Avantages
La simplicité du rotor permet d'obtenir des vitesses très élevées (compensant le manque de couple), d'utiliser le moteur dans des environnements plus contraignants (comme la chaleur où les aimants se démagnétiseraient), et d'avoir des faibles coûts de fabrication.
Désavantages
Pour les désavantages, on peut citer un facteur de puissance très faible (jusqu'à 0,6), un bruit acoustique important et désagréable provoqué par le champ pulsé et les vibrations des tôles de l'inducteur et de l'induit.
Utilisations
Permet d'obtenir des moteurs pas à pas ou d'entrainement à vitesse variable.
Moteur synchrone à réluctance variable à double saillance
Moteur à rotor bobiné (MSRB)
L'inducteur est le rotor. Il comporte deux bagues isolées de la masse et
reliées chacune au + et au - d'un régulateur interne. Ce régulateur est
alimenté par la batterie. Ces bagues alimentent la bobine interne du rotor,
qui va générer le champ inducteur. Il y a un certain nombre de masses
polaires Nord et Sud sur le rotor, leur nombre détermine le nombre de pôles
de l'alternateur.
L'induit est le stator. Le stator est constitué d'enroulements. Le nombre
d'enroulements détermine le nombre de phases de l'alternateur. Un alternateur
triphasé contient donc trois enroulements sur son stator.
La tension en sortie des phases et sinusoïdale. Un pont de diodes redresse les
trois phases avant d'envoyer le courant généré vers la batterie.
L'ondulation du courant redressé dépend du nombre de pôles et du nombre
de phases.
Plus il y a de phases, meilleur est le rendement.
Le pont de diode en sortie servant à redresser le courant en courant continu
est le siège d'une chute de tension de l'ordre du volt, et est une des causes
de la chute du rendement.
Pour un monophasé, nous avons une sinusoïde par tour, c'est le cas de
l'alternateur 2cv. Pour un biphasé, deux phases et un neutre. Sur chaque phase
une sinusoïde par tour, chacune décalée de 180°.
L'alternateur le plus courant est le triphasé, retrouvé dans les voitures
depuis la fin des années 1970, mais aussi dans les centrales EDF. Les trois
phases sont décalées de 120 °. Cet alternateur possède un meilleur
rendement, dû à une meilleure utilisation du fer et du cuivre. Ils sont donc
plus légers qu'un générateur CC à puissance égale.
Ils peuvent tourner à des vitesses très élevées sans dommage, et le courant
rotorique étant faible (courant d'excitation), il y a moins de problèmes
d'entretien qu'avec les MCC (ex: les dynamos 6V des 2cv des années 60).
Comme leur efficacité est très mauvaise à basse vitesse, on utilise souvent
une démultiplication par rapport à l'arbre tournant qui les entraîne (un
rapport de 2 en général, à 800 tr/min moteur l'alternateur tourne à 1600
tr/min, c'est un rapport de 2,3 précisément pour la 2cv).
La plupart ne peuvent s'amorcer seuls : ils ont besoin de la batterie pour
alimenter l'inducteur et déclencher le phénomène de génération de courant
(exceptés les nouvelles génération dites "auto-excité").
Les alternateurs auto-excités utilisent soit un très faible courant
alimentant l'inducteur (montage électronique), soit, si la place le permet,
des aimants permanents sur le rotor, soit une petite génératrice simple en
bout d'arbre.
Pour un alternateur d'automobile, plus le nombre de pôles du rotor sera grand, plus le nombre d'encoches du stator sera grand, et plus l'alternateur sera performant à basse vitesse.
Moteur à collecteur (MCC)
Présentation
Un moteur à collecteur encore appelé moteur à courant continu , peut
être trouvé sous 4 formes, dépendantes de la construction de l'inducteur
:
- MCC parallèle si l'inducteur est formé de bobines alimentées en
parallèle,
- MCC universel si l'inducteur est relié en série,
- MCC à excitation séparée si l'inducteur est formé de bobines
reliées en série et en parallèle,
- MCC à aimants permanents si l'inducteur est formé d'aimants
permanents.
Le moteur à courant continu à collecteur est historiquement le premier utilisé et encore de nos jours le plus facile à construire et à piloter, et le moins cher, et encore le plus largement utilisé, même si à cause de ses balais et la démocratisation de l'électronique il va céder la place au moteur synchrone (brushless, c'est à dire sans balais), d'une longévité accrue (plus de balais à gérer), et moins lourds à puissance équivalente.
De plus, contrairement au moteur à champ tournant, le moteur à collecteur est limité en vitesse par le collecteur (les balais sautent sur les lames, les lamelles peuvent s'envoler, de même que les lourds bobinages du rotor). Il est possible de monter plus haut à condition de renforcer de fibres l'extérieur du rotor, de mettre des bobines rotor sans fer, etc. Mais c'est relativement plus compliqué, et difficile à tenir sur la durée.
Pour le moteur à balais, on a 2 forces en présence :
- La force de Laplace, le fait qu'un conducteur placé dans un champ
magnétique soit soumis à une force perpendiculaire,
- et la force magnétique, car ce conducteur forme une boucle qui génère en
son centre un champ magnétique tendant à s'aligner sur celui de
l'inducteur.
Il y a plusieurs constructions possibles pour l'induit :
- induit sans fer : L'induit n'est composé que de conducteurs
électriques, il est donc très léger, avec une faible inertie, donc une
vitesse relativement importante de l'ordre de 10 000 tr/min. On a
l'architecture à conducteurs libres (l'induit est en forme de cloche, les
conducteurs sont insérés entre l'inducteur externe et le noyau magnétique
interne relié à la partie inducteur) et l'architecture cloche, déjà vue
dans la présentation de l'induit en page 2 (l'inducteur est interne, le noyau
magnétique externe et relié à l'inducteur).
Ils ont l'inconvénient d'avoir 2 entrefer.
- induit discoïde : fort couple et induit de faible inertie, court mais de
diamètre plus important, il possède une faible constante de temps électrique
et thermique.
Dans le schéma sur le moteur à collecteur bipolaire (ci-dessus), tous les
conducteurs en haut sont reliés au -, et en bas au plus. Le problème c'est
que les boucles formées par les conducteurs en haut à droite se terminant par
ceux en bas à gauche ont un champ magnétique central qui s'oppose au
mouvement. Je n'ai jamais compris pourquoi ces conducteurs étaient alimentées
dans les cours?
Les balais sont le siège d'une chute de tension (dépensée en chaleur) qui nuit au rendement, il est complexe à réaliser, les frottements sont eux-mêmes générateurs de pertes thermiques et d'usure.
Perturbations dues aux balais
Les coupures permanentes et les étincelles générées produisent des
perturbations électromagnétiques dans le circuit d'alimentation, dans les
circuits électroniques placés à côté.
Autre problème, engendré cette fois par le dé-frettage, c'est qu'un rotor
bobiné qui tourne trop vite risque de voir ses spires s'écarter et se
détruire sous l'effet de la force centrifuge.
Il se produit le phénomène des forces de Laplace, qui a tendance à faire tourner le cuivre des bobines plutôt que le fer du noyau magnétique des bobines, plus résistant. On essaye donc de le diminuer.
De plus, "l'avance à l'allumage" ou angle d'amorçage est figée par la construction du collecteur, alors que sur un moteur sans balais on peut alimenter plus ou moins en avance les phases de l'induit, afin de générer de la puissance réactive augmentant ou diminuant le couple.
Dernière chose enfin, le survoltage d'un moteur à balais provoque plus d'arc électrique au niveau des balais, donc une usure plus rapide et une perte de rendement.
Excitation série (MCC-S)
Le moteur universel, du fait de l'inducteur parcouru par un courant de même
sens que celui de l'induit, est donc indépendant du sens du courant. On peut
l'alimenter en alternatif ou en continu.
Son couple est proportionnel à l'intensité au carré.
Gros couple au démarrage, et il peut tourner très vite.
Comme l'inducteur est le siège d'un courant alternatif, il y a variation de
sens du champ magnétique inducteur, il faut donc que le noyau fer de
l'inducteur soit feuilleté pour diminuer les courants de Foucault.
Le courant d'appel est en général de 10 fois le courant nominal (en cas de
blocage au démarrage, le courant est très important et fait vite fondre les
fils). C'est son problème, il n'y a pas de régulation du courant de
démarrage.
Anciennement, la modulation du flux magnétique d'inducteur était obtenu par
utilisation d'un sélecteur alimentant des points milieu de la bobine
inductrice, faisant ainsi varier la longueur de la bobine donc le nombre de ses
spires, ce qui influait sur le flux magnétique.
A voir l'exemple des moteurs d'aspirateur, le moteur est monté directement sur
la turbine d'aspiration, et l'air, après passage à travers le tuyau
d'aspirateur, puis les parois du sac à papier puis à travers le filtre, passe
directement dans l'entrefer du moteur, ce qui permet de le refroidir
efficacement.
On le trouve sur l'outillage électroportatif, les tondeuses, les aspirateurs, sèche-cheveux, etc. mais pas sur les machines à laver.
Excitation parallèle (MCC-P)
À venir...
Excitation séparée (MCC-SP)
Il y a 2 câblages de l'excitation, série et parallèle (le parallèle
étant généralement plus petit), pour profiter des 2 contrôles ci-dessus.
L'excitation série permet de profiter du couple à bas régime (courant
d'induit important au démarrage dû à la grande différence f.é.m. /
f.c.é.m. qui passe dans l'inducteur série et donc provoque de même un flux
inducteur important => couple).
Quand la vitesse moteur augmente la différence f.c.é.m./f.é.m. diminue, le
courant d'induit et d'inducteur série diminue aussi, on dit qu'on dé-fluxe le
moteur. C'est ce qui permet de prendre de la vitesse.
Si la vitesse du moteur dépasse celle imposée par la f.é.m., on arrive dans
le cas du moteur série où la vitesse moteur n'est plus du tout bridée,
risque d'emballement. D'où l'excitation parallèle pour empêcher
l'emballement aux hautes vitesses, et régler le couple.
Quand on peut piloter l'inducteur séparément, on peut contrôler le sens de rotation, le "défluxage" du moteur, le couple à tous les régimes, etc. Ça permet d'optimiser le rendement et la taille du moteur.
Inconvénient, il faut une commande plus élaborée, car si par exemple un fort courant passe par l'inducteur alors qu'il n'y a pas beaucoup de courant sur l'induit, ça ne sert à rien sinon à chauffer inutilement le moteur.
Il y a 2 types de MCC-SP, dont le MCC-SP à masse commune entre les excitations série et parallèle.
Fonctionnement en génératrice
Dès que la f.c.é.m. dépasse la f.é.m. appliquée, le courant va aller de
la génératrice dans les batteries.
Pour que le mode générateur soir au maxi, il faut que le courant
d'excitation soit au maximum (flux inducteur parallèle maxi) . Et le courant
d'induit est alors celui produit par la génératrice, maximum si le courant
d'excitation parallèle est maxi, minimum si le courant d'excitation est
minimum.
à reprendre
Fonctionnement des PSA électrique
Pour avoir un fort couple de démarrage l'excitation (stator) est à fond
jusqu'à 1600 rpm et on contrôle l'induit (on varie la tension aux balais).
On a donc une force très importante qui empêche le moteur de tourner, il va
consommer le courant maximal et donc avoir le couple maximal pour vaincre cette
force.
Maintenant que l'on roule cette force qui 'oppose à la rotation nous gêne
pour prendre des rpm...
donc pour aller plus vite (au delà de 1600tr/min ici)
il faut diminuer le flux magnétique du stator puisqu'il s'oppose à la
rotation (c'est ce qui donne le couple) donc:
au delà de 1600 rpm on contrôle l'excitation (en langage moteur on
"dé-fluxe" = on baisse le champs d'excitation pour laisser le moteur prendre
des rpm) et on est à fond en induit.
Sur le scootelec c'est le même principe sauf qu'au lieu d'avoir une excitation
à masse séparée (4 fils donc) elle est commune aux deux hacheurs.
Le bobinage d'excitation à un coté en commun avec le bobinage du rotor.
Excitation aimants permanents (MCC-AP)
Moteurs modernes vu qu'on ne savait pas faire à bas un PWM. Avantageux car
plus légers que le contrôle par le flux, il ne sont plus contrôlés que par
la tension d'entrée au rotor.
Arrivés en même temps que les progrès sur l'électronique de puissance et
les aimants permanents puissants, ce genre de moteur est peu utilisé car moins
performants que leurs homologues sans balais (MSAP), qui utilisent la même
technologie "de pointe".
Ils sont utilisés surtout pour les petits moteurs pour des raisons de
compacité du stator à aimants comparé à celui bobiné.
Moteurs piézo-électriques
Certains Quartz ont la propriété de générer une f.é.m. lorsqu'ils sont contraints mécaniquement (écrasement, déformation). A l'inverse, sous l'effet d'une f.e.m. ils fournissent une réaction mécanique. On utilise par exemple le gonflement localisé sous l'effet de la f.é.m. associé à un champ électrique tournant pour faire tourner un rotor posé sur un disque piézoélectrique.
Moteurs électrostatiques
Le champ électrique claque très vite dans l'air, ce qui limite
l'utilisation possible des moteurs électrostatiques (utilisant la force
d'attraction de coulomb entre 2 charges de signe opposés, au lieu d'utiliser
la force d'attraction entre 2 pôles magnétiques opposés). En effet, pour
augmenter la force, il faudrait pouvoir monter en tension (donc en nombre de
charge) et l'air comme diélectrique claque sous une intensité de champ
électrique de 30 000 V/m, soit assez faible au final, car pour que la force de
Coulomb soit efficace il faut diminuer la distance (au dessus de 10 cm on peut
considérer que c'est très faible) et pour 1 cm ça ne nous laisse que 300 V
de ddp avant claquage (en augmentant la pression la ddp de
claquage augmente).
Par contre aux échelles micrométriques cette tension de claquage est
fortement augmentée, ce qui permet d'espérer dans l'avenir l'utilisation des
millimoteurs à ces échelles.
Voyons maintenant le principe de fonctionnement
spécifique pour les moteurs à collecteur
Les autres pages sur les moteurs électriques :
Principes de fonctionnement généraux
Principes de fonctionnement spécifiques pour les moteurs sans collecteur <-- Vous êtes ici
Principe de fonctionnement spécifique pour les moteurs à collecteur
à suivre...