I.1 Présentation : La machine à courant continu, est un convertisseur d énergie.

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1 C.PEUTOT

2 I. Rappels d'électrotechnique et de physique appliquée: I.1 Présentation : La machine à courant continu, est un convertisseur d énergie. L énergie électrique est transformée en énergie mécanique en fonctionnement moteur et inversement lorsque la machine fonctionne en génératrice. La machine à courant continu est donc réversible. La machine à courant continu est Convertisseur électromécanique.

3 Energie électrique We CONVERTIR Energie mécanique Wmec Machine à courant continu fonctionnant en Moteur Energie mécanique Wmec CONVERTIR Energie électrique We Machine à courant continu fonctionnant en génératrice

4 I.2 Principe de fonctionnement : Fonctionnement en moteur : Machine alimentée L inducteur(stator) alimenté créent un champ magnétique dans l entrefer. L induit (rotor) partie tournante est constitué de spires dans lequel circule un courant. Une fois alimenté l induit voit un courant circulant dans ces spires et l induction crée par l'inducteur appelé aussi excitation partie fixe donnent naissance à des forces de Laplace : F= BIL.sin a, Ces forces donnent naissance à un couple qui permet la rotation de l induit.

5 CREATION D UN COUPLE: T = F. r

6 Fonctionnement en génératrice: Machine entraînée La machine à courant continu est réversible, elle peut donc fonctionner en générateur. Il suffit que l induit (rotor) soit en présence d un flux inducteur et l induit soit entraîné en rotation. Les conducteurs de l induit coupent les lignes de champs, on a création d une FEM dont le sens est donné par la règle des trois doigts de la main gauche. On a réaliser un générateur de courant.

7 CREATION D UNE FORCE ELECTROMOTRICE

8 I.3 Schéma équivalent de la machine à courant continu : L inducteur peut être bobiné ou être réaliser avec des aimants permanents comme ci-dessous, cela évite de prévoir l alimentation de cet inducteur. Moteur Schéma équivalent + I iex + I R I R al MCC uex Ual _ Induit Inducteur à aimant permanent _ E FEM ou inducteur bobiné monté en excitation indépendante.

9 Relations caractéristiques Ual=E+RI Pa = U.I E= P a Pe = E.I n.n. = K.n. =Ke. n Te = Pe/ = E.I / Te = K.n.. I / Te = K'..I / 2 t P : nb de paires de pôles. a : nb de voie d enroulement. N : nb de conducteurs. n: vitesse de rotation en tr/s. : Flux crée par l'excitation Wb. Si = Constante, cas d un moteur à aimants permanent. E= Ke.n la vitesse est proportionnelle à la FEM. Si = 0, pas d excitation. La vitesse du moteur tend vers. Ual : tension en Volt. E : Fem volt. R : résistance de l induit. I : courant d induit A. P : puissance absorbée en watt. Pe : puissance électromagnétique en watt. Te= couple électromagnétique en Nm.

10 Génératrice Schéma équivalent + I iex + I R I R UG MCC uex UG _ ou _ E FEM

11 Formules UG = E -RI UG : tension en Volt. E : Fem volt. I.4 Puissance : Puissance électromagnétique : Puissance absorbée «puissance totale prise au réseau» : R : résistance de l induit. I : courant d induit A Pe = E I en W Pa = U I en W I.5 Couple : Couple utile mesuré sur l arbre Tu = Pu en N.m P en W en rad s-1 Remarque : si = constante, E= K T = E I et K= (P/a).N Le couple est donc proportionnel au courant induit. = Kt I. avec Kt =K. / 2

12 I.6 Bilan de puissances et Rendement : Pa puissance totale absorbée Pa=UI+(uex.iex) Puissance transmise au rotor Pe = ExI Puissance utile sur l'arbre Puissance indiquée sur la plaque signalétique Pertes joules inducteur Pertes joules induit Pertes mécaniques + Pertes fer ( hystérisis+ courant de foucault) = Pu Pa = E I pertes Pa

13 II Constitution d une machine à courant continu : 2.1 Constitution générale dune machine à courant continu : La machine est composée de trois parties distinct: Organes magnétiques : 1,6 et 7. Produisent et canalisent le flux. Organes électriques : 3,4,8 et 9. Ils sont le siège d une Fem et assurent la liaison avec les circuits extérieurs. Organes mécaniques : 2, 5, 6 et 10.

14 1 : Partie tournante : rotor ou induit 6 : Partie fixe : stator ou inducteur 2 : arbre moteur 7 : Bobinage de l inducteur 3 : Tôles de l induit + bobinages 8 : Balais + porte balais 4 : Collecteur 9 : Plaque à bornes 5 : Turbine de ventilation 10 : Flasque de pallier

15 L induit (1) avec ses encoches recevant les conducteurs en cuivre (absents ici) perforés axialement pour son refroidissement. Le collecteur (2) et l ensemble portebalais/balais (3) ainsi que la trappe de visite pour la maintenance (4). Les pôles inducteurs feuilletés (5) vissés sur l induit. La moto ventilation (6). Le système de fixation par pattes (7).

16 Vue en coupe Ventilateur Induit bobiné Inducteur Boîte à bornes Balais Collecteur

17 2.2 Etude du circuit magnétique : 2.21 Fonction : Voir document 2 fig1 Produire un champ magnétique et le canaliser dans la culasse, passant par l entrefer et l induit Circuit magnétique fixe inducteur : Voir document 2 fig2. Réaliser par un assemblage de tôles magnétiques ( acier à 3 % de silicium) Circuit magnétique tournant : Voir document 2 fig 4 Circuit magnétique feuilleté, le flux est variable, ceci a pour effet de diminuer les pertes par courant de Foucault et hystérisis. Tôles d acier à 2 % de silicium et d épaisseur 0,35 mm Carcasse ou culasse :A pour fonction de refermer les lignes de champ.

18 Fig 1: Parcourt des lignes de champs Lignes de champ N S Entrefer S N Rotor "tambour magnétique" Pole inducteur

19 Fig 2 : Circuit magnétique inducteur Noyau Epanouissement polaire Rivet de fixation

20 Fig 3 : Enroulement inducteur Circuit magnétique inducteur Bobine inducteur

21 Fig 4 : Circuit magnétique induit Empillage de toles Encoche recevant les conducteurs Arbre Trous de ventilation

22 2.3 Etude du circuit électrique : 2.31 Enroulement inducteur : Voir fig3. Fixée sur les pôles inducteur, produisent le flux inducteur et crées les pôles nord et Sud Bobinage induit : Il se compose d un certain nombre de section formées de spires dont les extrémités sont reliées à deux lames consécutives du collecteur. Section: C est l ensemble des spires que l on parcours (pour aller d une lame du collecteur à la lame suivante). Faisceau :Un faisceau, c est une demi section.

23 Inducteur Deux types d excitation sont utilisées, soit : - à aimants permanents. - à enroulements et pièces polaires.

24 Inducteur Deux types d excitation sont utilisées : - à aimants permanents. Les pertes joules sont supprimées mais l excitation magnétique est fixe. Dans les grosses machines, le coût des aimants pénalise cette solution.

25 Inducteur Deux types d excitation sont utilisées : - à enroulements et pièces polaires. Le réglage de l excitation rend possible le fonctionnement en survitesse. Pour les grosses machines, le montage de pôles auxiliaires améliore la commutation du courant dans les conducteurs de l induit.

26 Induit bobiné Le champ inducteur vu par l induit au cours d un tour est variable. Il faudra feuilleter le rotor afin de réduire les pertes fer de l induit. Il est donc constitué de tôles circulaires isolées et empilées sur l arbre de façon à obtenir le cylindre d induit. Ces tôles sont en acier au silicium et isolées par vernis. Les bobines de l induit sont logées dans des encoches fermées par des cales. Un frettage assure la tenue aux efforts centrifuges. Les bobines sont brasées aux lames du collecteur et mises en série. On note l importance des têtes de bobines et du collecteur ( partie inactive ) sur la longueur de la machine.

27 Fig 5 : Enroulement induit Section Induit Collecteur

28 Fig 5 bis : Enroulement induit Faisceau induit Conducteur

29 2.33 Collecteur : Voir fig 6. Il assure la liaison entre les conducteurs tournants et le circuit extérieur fixe. Il transforme la fem alternative aux bornes des conducteurs en une fem unidirectionnelle = redresseur mécanique! n 1/2 tours n 1 tours n + _ + _ + _ Le courant rentre par le conducteur en trait fort Le courant rentre par le conducteur en trait pointillé Le courant rentre par le conducteur en trait fort

30 Principe de fonctionnement du collecteur Hypothèse simplificatrice: *machine bipolaire P=1 *2 encoches, 1 spire ouverte * =cste le flux j peut être considéré comme une fonction de l angle q, (q= t). Pour q 0 le flux est maximal Pour q P/2 90 le flux est nul Pour q P 180 le flux est maximal négatif Pour q 3P/4 le flux est nul

31 On trace alors la courbe du flux j en fonction de l angle q et donc du temps La spire développe une fem selon la loi de faraday E= -Ndj/dt

32 Le rôle du collecteur est de redresser la fem pour obtenir une fem moyenne pour la seule spire e=(2/ ) j e =VB1-VB2 e = + es lorque Balai1 frotte sur la lame C et balai 2 sur la lamea e = - es lorque Balai1 frotte sur la lame A et balai 2 sur la lamec or le balai B1 reste en contact avec la lame C pour 0<q< le balai B1 reste en contact avec la lame A pour <q<2 donc pour 0<q< e=es pour <q<2 e= -es «Redressement» de la fem es

33 le balai B1 reste en contact avec la lame C pour 0<q< le balai B1 reste en contact avec la lame A pour <q<2 donc pour 0<q< e=vb1-vb2=es pour <q<2 e=vb2-vb1= -es

34 Cas général: D où la formule d Arnold: E=P/a.N.n. pour une machine multipolaire à 2a voies d enroulement et 2p pôles.

35 Principe élémentaire Soit un aimant permanent produisant un champ d excitation Be et une spire parcourue par un courant continu produisant un champ Bi. qu'observe-t-on Be N S S N Bi Réponse:

36 Principe élémentaire Soit un aimant permanent produisant un champ d excitation Be et une spire parcourue par un courant continu produisant un champ Bi. qu'observe-t-on? Be Bi N Mais le mouvement reste limité à cette nouvelle position stable. Conclusion: S N Il faut malgré le mouvement produit, maintenir le décalage des 2 champs pour entretenir un effort d attraction continu et ainsi produire une rotation. Comment? -Le champ d excitation Be doit tourner si le champ d induit Bi tourne. -Le champ d induit Bi doit rester fixe si le champ d excitation Be est fixe. S Réponse: Un effort d'attraction

37 Les deux types de machine à champs couplés Principe des machines à champ tournant par courants alternatifs. -Le champ d excitation Be doit tourner si le champ d induit Bi tourne. Bi Principe des machines à champ fixe par courant continu et aiguillage de ce courant. -Le champ d induit Bi doit rester fixe si le champ d excitation Be est fixe. Be N S N Be N S S N Bi S

38 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple 1 Bi q q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5

39 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple 1 Bi q q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5 Faire tourner de -22,5

40 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple Bi 1 q q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5 Faire tourner de -22,5

41 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple 1 q Bi q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5 Faire tourner de -22,5

42 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple 1 q Bi q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5 Faire tourner de -22,5

43 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple Bi q 1 q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5 Faire tourner de -22,5

44 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple Bi q 1 q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5 Faire tourner de -22,5

45 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple Bi q 1 q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5 Faire tourner de -22,5

46 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple q 1 Bi q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5 Faire tourner de -22,5

47 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple q 1 Bi q représente l angle entre les axes magnétiques du champ Bi d induit et Be de l inducteur. On admet que le couple électromagnétique résultant de ces deux champs en présence varie avec le sinus de l angle q. Faire tourner de +22,5 Faire tourner de -22,5

48 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple Bi q 1 Pour aller plus loin Faire tourner de -22,5

49 Principe d aiguillage du courant d induit Be Couple Bi q 1 Pour aller plus loin -Comment pourrait-on réduire l ondulation du couple? -Quel est l influence de la position des balais sur le fonctionnement?

50 Collecteur Le collecteur a pour fonction d assurer la commutation du courant d alimentation dans les conducteurs de l induit. Il est essentiellement constitué par une juxtaposition cylindrique de lames de cuivre séparées par des lames isolantes. Chaque lame est reliée électriquement au bobinage induit. Le collecteur est le constituant critique des machines à courant continu car ses lames sont soumises aux efforts centrifuge et assemblées manuellement. Son usure consécutive du frottement des balais nécessite un démontage et un ré-usinage périodiques. De plus, il accroît de 20 à 30% la longueur totale de la machine.

51 Fig 6 : Collecteur Isolant Lame collecteur Talon de lame relié à la section induit Fixation lame collecteur

52 2.34 Balais et porte balais : Il assurent un contact glissant entre le collecteur entraîner en rotation et la partie fixe borne de raccordement. Assurent une bonne commutation avec plus ou moins d étincelles. (voir pôles de commutation) Pièces d usure.

53 Balais Les balais assurent la liaison électrique ( contact glissant ) entre la partie fixe et la partie tournante. Pour des machines de forte puissance, la mise en parallèle des balais est alors nécessaire.

54 Balais Pour des raisons d économie, ils doivent avoir une durée de vie aussi longue que possible et assurer un bon contact électrique. Différentes technologies existent : les balais au charbon dur, les graphitiques, les électro-graphitiques, et les métallographitiques. On peut considérer que dans un contact glissant les pertes sont de nature mécanique à 35% et de nature électrique à 65%.

55 Fig 7 : Balais et porte-balais Levier ressort Axe support porte balais Balai Collecteur

56 2.4 Partie mécanique : 2.41 Carcasse : La fonction de la carcasse est de canaliser le flux. Supporter les flasques, pôles inducteur, etc Arbre, paliers : Arbre : Assure la liaison, la transmission du couple, supporte le collecteur, l induit, le ventilateur si auto-ventilé. Paliers : Assure le guidage en rotation de l arbre.

57 III- Fonctionnement de la machine à courant continu dans les différents quadrants : Nous avons vue que la machine à courant continu était réversible et pouvait suivant le système être amenée à fonctionner tantôt en moteur tantôt en génératrice pour pouvoir Pour un système de Levage (transgerbeur : axe Z)

58 Sens de rotation Montée Descente Fonctionnement de la machine Couple T Vitesse N Puissance Quadrant Moteur >0 >0 >0 1 Génératrice <0 >0 <0 2 Moteur <0 <0 >0 3 Génératrice >0 <0 <0 4 n (vitesse) Dans le plan n=f (T) T quadrant 2 n Freinage en montée T quadrant 1 n Montée de la charge Moteur T couple n n T T Freinage en descente quadrant 3 quadrant 4 Descente de la charge

59 Dans le plan n=f (T) n (vitesse) T quadrant 2 n Freinage en montée T quadrant 1 n Montée de la charge Moteur T couple n n T T Freinage en descente quadrant 3 quadrant 4 Descente de la charge

60 Principe des dispositifs d alimentation Un Quadrant 2 Quadrant 1 Conclusion -In U Fonctionnement en génératrice avant I + Cem G + U Fonctionnement en moteur avant I M + Cem + In Pour passer des quadrants Q1nQ2 ou Q3nQ4 le dispositif d alimentation devra être réversible en courant. Tem Quadrant 3 Quadrant 4 U Fonctionnement en moteur arrière I + Cem M + U Fonctionnement en génératrice arrière I G + Cem + Pour passer des quadrants Q1nQ4 ou Q2nQ3 le dispositif d alimentation devra être réversible en tension. -Un

61 Nous allons à l aide du relevé ci-dessous, analyser les différents quadrants de fonctionnement rencontrés lors d une phase de fonctionnement de laxe Z du transgerbeur : Allure du courant induit et de la vitesse de rotation de la machine à courant continu de l axe Z lors d une phase de fonctionnement complète :

62 Phases de fonctionnement Intensité (>0 ou <0) Vitesse (>0 ou <0) Numéro de quadrant N=f(T) 1 Accélération en montée 2 Vitesse constante 3 Décélération en montée 4 Arrêt point haut 5 Accélération en descente 6 Vitesse constante en descente 7 Décélération en descente 8 Arrêt point bas

63 IV-Avantages et inconvénients d un moteur à courant continu : Avantages : Gamme de vitesse étendue. Bonne précision de régulation à 1% près. Grande fiabilité des variateurs de vitesse Possibilité de survitesse Le moteur peut fournir son couple nominal à très basse vitesse ( même à l arrêt) Inconvénients : Moteur plus cher que le moteur asynchrone triphasé à rotor en court-circuit. Le moteur ne peut démarrer sous sa tension maximale d utilisation sous peine de détérioration. Nécessité d un entretien (collecteur et balais) Difficile à construire en version protégée (IP23 en version standard)

64 V-Autres types de moteur à courant continu : 5.1- Le moteur universel Il peut être alimenté en continu ou en alternatif monophasé. Si on inverse le sens de passage du courant dans l induit et dans l inducteur en même temps la vitesse ne change pas de sens. On utilise ce principe avec des moteurs à excitation série, à chaque demie alternance, le courant s inverse dans l induit et dans l inducteur, le sens reste le même. On ne peut pas utiliser des moteurs à excitation en dérivation car l inductance des bobines est trop importante est elle déphase le flux.

65 Constitution d un moteur universel

66 a) Caractéristiques Le couple au démarrage et le courant d appel est important. La vitesse varie beaucoup avec la charge. Pour inverser le sens de rotation il faut inverser: Soit l induit, soit l inducteur. Il provoque beaucoup de parasites, d où la nécessité de relier les balais à la masse par l intermédiaire de condensateur (l ensemble condensateur, inducteur formant un filtre). b) Utilisation Petite puissance en alternatif ( aspirateur, perceuse portative, etc.) Possibilité de variation de vitesse par triac.

67 5.2 Moteur à entrefer plan : a) Principe C est un MCC dont les conducteurs induits sont disposés selon des rayons. L inducteur étant réalisé par des aimants permanents.

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69 b) Caractéristiques - Moteur à faible inertie, l induit ne comporte pas de circuit magnétique mais uniquement des conducteurs avec leurs isolants. - Moteur très plat, l induit est un disque. - Inducteur à aimant permanent, pas de circuit d excitation - La disposition des conducteurs supprime la réaction magnétique d induit, d où une bonne commutation. - Grande gamme de vitesse, de 1 à 3000 tr/mn c) Emploi Ils permettent des commandes à inversion rapides et fréquentes, tel que les dérouleurs de bandes magnétiques, servomécanisme, ils sont utilisés pour des climatiseurs, ventilateur, etc.

70 5.3- Autres moteurs Il existe une grande variété de moteurs spéciaux: -Moteur pas à pas : Il existe 3 types de moteurs pas à pas : à aimants permanents, à réluctance variable et hybrides qui associent les deux premiers principes : - L aiguille d une boussole est placée à l intersection des deux axes de deux bobines misent en quadrature. L alimentation successive des bobines provoque la rotation de l aiguille d un quart de tour, avec attraction ou répulsion de l aiguille aimantée suivant le sens du flux dans chaque bobine.

71 -Si l aiguille de la boussole est remplacée par un barreau aimanté monté sur un axe, on obtient un moteur pas à pas à aimant permanent.

72 -Si l aiguille est remplacée par un barreau en fer doux, l alimentation des bobines attire le barreau et on réalise un moteur pas à pas à réluctance variable.

73 - Si on combine les deux principes on obtient un moteur pas à pas hybride. Ce sont des moteurs de faible puissance ( quelque Watt ) utilisé pour avoir un positionnement précis sans asservissement de position tel que dans les imprimantes, les lecteurs de disquettes etc.

74 AUTRES: Les Servomoteurs à induit cylindrique :

75 Les Servomoteurs à induit cloche réputés pour leurs performances en accélération:

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