G4. Moteus électiques à couant continu BUT Le but de cette manipulation est de mieux compende le fonctionnement de généatices et de moteus électiques à l'aide des modèles "simples" mais poches des machines éelles. Nous poposons aux étudiants d axe d abod leus effots su l aspect patique (montages dives, mesues de cetaines caactéistiques) et, le cas échéant, d appofondi tel ou tel aspect théoique.. NTRODUCTON. Les moteus à couant continu sont déteminés pa une gande vaiété de caactéistiques de fonctionnement qui les end patiquement aptes à tous les emplois. ls sont utilisés en pioité losque l énegie povient de piles ou d accumulateus (automobiles, jouets, baladeus,...). l existe pincipalement deux types de machines: les moteus synchones (altenateus) et les asynchones (d'induction). Les pemies sont utilisés dans des systèmes à vitesse constante et faible couple de démaage (machines à tisse, magnétophone, etc.), tandis que les denies sont employés dans la gamme de hautes puissances (10-1 - 10 3 kw). Tout système de tanspot qui fait appel à une technologie de sustentation ayant comme pincipe l'élimination des contacts matéiels nécessite l'emploi de populseus spéciaux: des moteus fonctionnant aussi bien en taction qu'en feinage sans faie appel aux foces de fottement. Pou des aisons de sécuité, dans le cas de la populsion des véhicules à gand vitesse, ces moteus doivent avoi des pefomances supéieues en feinage qu'en taction. l existe deux familles de populseus qui espectent ce cahie de chages: les éacteus utilisés en aéonautique et les moteus électiques linéaies.. PRNCPE DE FONCTONNEMENT La loi d'ampèe et foce de Loentz
EPFL-TRAVAUX PRATQUES DE PHYSQUE G4-2 Considéons un conducteu quelconque pacouu pa un couant et situé dans un champ magnétique B. Chaque élément de longueu dl du fil est le siège d un élément de foce (Fig.1a): d F = d l B (1) En paticulie, si le fil est ectiligne et le champ est unifome ( foces agissant su une longueu L du fil vaut: a) F L = L dl B B = constant) la ésultante des = L B (2) B dl df b) x F b2 La Lb z n α F b1 B y Fig.1: a) Conducteu électique dans un champ magnétique. b) Moment de foce agissant su une boucle de couant de fome ectangulaie Considéons maintenant un cade ectangulaie (de lageu La et longueu Lb) pacouu pa un couant et pouvant toune autou d un axe passant pa le milieu de deux côtés opposés (Fig. 1b). Ce cade est plongé dans un champ B unifome pependiculaie à l axe de otation. Supposons que la nomal du plan du cade fasse un cetain angle α avec le champ B. Le lecteu véifiea facilement que les foces s exeçant su les côtés de longueu La s annulent ca elles sont de même intensité mais de sens opposés. Pa conte, les foces et F b2 foment un couple. F b1 = F b2 = L b Bsinα (3) F b1 Vectoiellement on peut écie: Couple = C = BL a L b sinα (4) C = S n B (5) Avec S = L a L b suface du cade et n le vecteu unité nomal au plan du cade (sens conventionnel du tie-bouchon pa appot au sens du couant). On constate que si:
EPFL-TRAVAUX PRATQUES DE PHYSQUE G4-3 - α = 0 le couple est nul - α = π /2 le couple est maximum dans le sens indiqué pa la figue - α = π le couple est nul - α = π + Δα le couple s invese pa appot à celui indiqué su la figue Pou mainteni le couple diigé toujous dans une même diection, il sea donc nécessaie d invese le sens du couant chaque fois que α vauda 0, π, 2π, 3π, etc. Moteus Dans le cas des moteus à couant continu, on pavient facilement à poduie une altenance de couant en utilisant des commutateus et des balais (Fig. 2). A chaque demi-tou du cade tounant, le couant ciculant dans celui-ci est bien invesé. Le champ magnétique est assué pa un aimant pemanent, ou pa des bobines inductices connectées diectement à la souce de couant continu. - B ω - - V + > balais commutateus + + invesion du couant Fig. 2: Moteu à couant continu. Les commutateus sont fixés à l'abe du moteu et tounent avec lui. Le contact électique est assué pa les balais fixes qui fottent conte les commutateus. La loi d'induction de Faaday Dans la Fig. 2 et en absence d'une souce de tension, si une foce mécanique fait pivote le cade à une vitesse angulaie ω constante, il appaaît une foce électomotice induite où α est l'angle ente que E i = dφ B dt = d B dt ds = d BS cosα dt ( ) (6) B et le vecteu nomal n. D'aute pat ω = dα dt, donc on en déduit E i = BAω sinωt (7) B constant poduit un couant Ainsi, une telle bobine pivotant à l'intéieu d'un champ altenatif. Elle constitue l'élément de base du fonctionnement d'un généateu électique.. ROTOR ET STATOR En patique, le cade mobile est constitué pa un bobinage plus complexe autou d'une amatue métallique (noyau cylindique en Fe pou augmente le couple mécanique) appelé oto ou amatue d'induit (Fig. 3).
EPFL-TRAVAUX PRATQUES DE PHYSQUE G4-4 a) c) b) d) Fig. 3: Difféents otos. Pou évite les couants de Foucault, les otos ont des noyaux de bobine en tôles de Fe doux pessées et assemblées pa des ivets. Le oto est elié à un abe et toune ente les pièces polaies d'un inducteu à aimant pemanent appelé stato. l est possible de cée le champ B du stato à l aide d un électoaimant alimenté pa du couant continu (excitation) povenant de la même souce que celle alimentant le oto ou d une aute souce. Le oto bipolaie (Fig. 3 a) se pésente sous fome d'un double T muni d'un enoulement continu dont les extémités sont connectées aux bagues collectices et aux deux ponts de collecteu. l pote 2x380 spies (1.35Ω, vitesse max. 5000 tous/min.). Dans le cas du oto tipolaie. (Fig. 3 b), les extémités de deux bobines voisines sont eliées en commun à une bague collectice et à un pont collecteu (dans le cas pésent, 340 spies pa bobine, 1,35Ω). Le oto en tambou de la Fig. 3 c est composé 12 enoulements de 80 spies accodées en séie. Les connexions aux ponts de collecteu et aux bagues collectices sont indiquées su le schéma. Le oto en cout-cicuit (Fig. 3 d) est constitué pa des tôles en fe dans lesquelles on a coulé du métal lége. V. TYPES DE MOTEURS À COURANT CONTNU Le moteu à couant continu excité pa des aimants pemanents n'est pas le seul type possible. Souvent on emplace les aimants pa des électoaimants fixes (bobines convenablement alimentées en couant continu). Les bobines sont appelées bobines d excitation ou bobines inductices. On distingue généalement quate types de moteus selon le banchement envisagé: Moteu à excitation indépendante: l'inducteu peut ête, soit un aimant pemanent, soit un électoaimant fixe (Fig. 4).
EPFL-TRAVAUX PRATQUES DE PHYSQUE G4-5 a) b) c) 7-8V 5 12V Fig. 4: Moteus excités pa des aimants pemanents: a) oto bipolaie, b) oto tipolaie, c) oto en tambou Moteu-séie (Fig. 5a): oto et bobines inductices (250 spies) sont accodées en séie. La tension aux bones ne doit pas dépasse 15 V. Moteu-shunt (Fig. 5b): oto et bobines inductices (250 spies) sont accodées en paallèle. La tension aux bones ne doit pas dépasse 10 V. Moteu-compound (Fig. 5c): une bobine inductice est accodée diectement à la souce de couant, tandis que la seconde bobine inductice est accodée en séie au oto. La tension aux bones ne doit pas dépasse 10 V. a) b) c) i i + V V i V + i Fig. 5: Moteus excités pa des bobines inductices. Banchement: a) en séie, b) en déivation ou shunt, et c) en compound V. QUELQUES CARACTÉRSTQUES DES MOTEURS a) Le couple du moteu (voi aussi page 36, notice Leybold) La foce execée pa le champ inducteu su l enoulement de l induit tavesé pa le couant dépend de l intensité de ce champ et de l intensité de ce couant. Su chaque élément de longueu dl de la ciconféence (abe du moteu) agit une foce df tangentielle. Le couple du moteu sea donné pa: M = pouli e df = k df (8) est le ayon de l abe et k un vecteu unité dont la diection est donnée pa l axe. Le couple d un moteu peut ête mesué diectement en soulevant une masse m. Le couple est donné pa mg, où g est la constante de gavité, et est le ayon du moteu. La puissance mécanique dissipée vaut P!"# = mgv, où v est la vitesse à laquelle la masse est emontée. b) Le endement des moteus
EPFL-TRAVAUX PRATQUES DE PHYSQUE G4-6 Les moteus électiques absobent de l énegie électique et founissent de l énegie mécanique. Ce sont en ce sens des tansfomateus d énegie. On entend pa endement η du moteu considéé le appot: η = P m P e (10) P! est la puissance mécanique développée et P! la puissance électique absobée. La puissance P! est celle founie pa le généateu (puissance totale). On la déduit à pati des mesues de tensions et de couants. La puissance mécanique développée peut ête obtenue à pati d'un montage pemettant de souleve un poids. c). Mesue de la conte-tension induite dans le oto (page 33, notice Leybold) La tension efficace UR aux extémités du oto ésulte de la tension UK appliquées aux bones diminuées de la tension induite UG diigée dans le sens opposé: U! = U! U! = R! (11) En éalisant le montage indiqué à la Fig. 6, on peut mesue la tension UK quand le moteu est immobile et le couant induit R losque le moteu a atteint sa vitesse de otation stationnaie. Connaissant la ésistance du oto on peut déduie UG. V Fig.6 : Mesue de la conte-tension 15 A - + d) Le couant de démaage (page 33, notice Leybold) La tension induite appaaissant dans un moteu dépend, en pésence d un champ inducteu constant, de la vitesse de otation de l induit. Au moment de l enclenchement, la vitesse de otation est nulle pou atteinde apès le démaage, suivant la tension appliquée aux bones, jusqu à 5000 tous/minute. Pa conséquent, le couant founi pa la généatice s élève apidement pendant le temps de démaage du oto de zéo à une valeu maximum constante. Comme le couant de démaage est envion 4 à 5 fois plus fot que celui de mache à vide, le isque de suchage dangeeusement le moteu existe donc los de l enclenchement. e) La ésistance de démaage (page 34, notice Leybold) Pou épagne au oto la fote pointe de couant au moment du démaage, il faut accoîte la faible ésistance du cicuit du oto pa une ésistance additionnelle, accodée en séie à ce denie. La valeu de ésistance R! dite de démaage, dépend de la tension U! aux bones, de l intensité nominale! du couant, de la pointe de couant atteinte au démaage (su les gos moteus: envion 1.5 N), enfin de la ésistance R! du oto. Suivant la loi d Ohm, on a la fomule:
EPFL-TRAVAUX PRATQUES DE PHYSQUE G4-7 R = R A + R R = U K 1.5 N (12) Le moteu est accodé à la souce de couant pa l intemédiaie du héostat à cuseu et de l ampèemète. La ésistance est éduite pogessivement à zéo à mesue qu augmente la vitesse la vitesse de otation. f) Le héostat d excitation (page 35, notice Leybold) La valeu de la tension ou foce électomotice induite, poduite dans le oto losque la machine fonctionne comme moteu, dépend de la vitesse de otation du oto et de l intensité du champ inducteu. Si ce denie est éduit losque la machine toune à un égime constant, la conte-tension induite baisse, de sote que la tension égnant effectivement aux extémités de l enoulement du oto et constituant la souce d énegie active du moteu augmente, et avec elle la vitesse de otation de l induit, et cela au delà de la vitesse nominale. g) La vitesse de otation du moteu dépend de l intensité du couant d induction et du champ inducteu (page 36 notice Leybold) La foce avec laquelle un conducteu pacouu pa un couant est déplacé dans un champ magnétique, dépend de la longueu de ce conducteu, de l intensité du couant passant dans ce conducteu et de celle du champ magnétique. Le égime du moteu est pa conséquent déteminé pa le nombe de spies de l enoulement du oto et pa l intensité du couant tavesant le oto et les bobines du stato. h) Feinage électique (pages 44 et 45, notice Leybold) Si l on invese su un moteu le sens du couant du oto sans invese en même temps la polaité du champ inducteu, l induit change de sens de otation. Si l on coupe le couant d induction au moment de l invesion du sens de otation, le oto s aête. L invesion du couant est pa conséquent un moyen simple et efficace de feinage électique. Feinage électique pa ésistance. Pendant son fonctionnement, tout moteu se compote en même temps comme une généatice. l poduit dans son oto une tension de sens contaie à celle qui l alimente. Losque le oto continue à toune apès la coupue du couant moteu, il ne passe dans le oto qu un couant induit dont le sens tend à empêche la otation de l induit.
EPFL-TRAVAUX PRATQUES DE PHYSQUE G4-8 V. TRAVAUX PROPOSES V.1. Modèles simples bipolaies et multipolaies à aimants pemanents Réalise le montage de la figue 7. Commence pa monte le stato. l est composé d aimants pemanents, et de noyaux de fe. Attention au sens des aimants! Les noyaux de fe doivent s attie. Huile l axe de otation, puis mette le oto. L huile pemet de fotement diminue les fottements, et d augmente l efficacité du moteu. Fixe les bosses su le commutateu. L oientation de celles-ci est tès impotante. Dans le cas des otos à disposition, le moteu est le plus efficace losque les bosses sont alignées avec le champ magnétique. Banche le oto à la souce de tension, et en séie à une ésistance de démaage. Mesue le couant et la tension du oto avec les multimètes. Pou démae le moteu, s assue que la ésistance de démaage soit non-nulle (de l ode de gandeu de la ésistance du oto), puis applique une tension. Une fois que le moteu toune, la ésistance de démaage peut ête éduite à zéo. Le oto bipolaie doit ête démaé à la main. Les otos tipolaie et en tambou démaent tout seul. Des étincelles peuvent ête nettement obsevées à chaque tansition de commutateu. L amplitude des étincelles change en fonction de l oientation des balais. Le moteu est le plus efficace losque les étincelles sont minimales (vetical, dans ce cas). Fig. 7 : mage du montage à aimants pemanents Mesues à effectue. Conte-tension induite : Faie vaie la tension appliquée au système, et mesue la vitesse de otation du moteu, ainsi que le couant et la tension du oto. La vitesse de otation est mesuée à l aide d un stoboscope. Ajuste la féquence du stoboscope de sote à ce que le signe distinctif visible su l abe du moteu semble este statique. Alos, la féquence indiquée pa le stoboscope est soit la bonne, soit une faction entièe de la féquence du moteu. S assue qu on est à la bonne féquence en doublant la féquence du stoboscope. l faut alos voi le signe su l abe du moteu à double.
EPFL-TRAVAUX PRATQUES DE PHYSQUE G4-9 Etabli des mesues pou les otos bipolaie, tipolaie et en tambou. Discute de l évolution de la conte-tension induite en fonction de la vitesse de otation. Rendement et couple : A l aide de la couoie de tansmission, accode le moteu au dispositif pemettant de souleve une masse. Utilise le moteu pou souleve difféentes masses, et mesue le temps nécessaie à emonte la masse d une distance déteminée. Détemine la puissance mécanique founie pa le moteu, et la divise pa la puissance électique founie au moteu pou obteni le endement. Détemine également le couple founi pa le moteu. La vitesse de otation du moteu peut ête déteminée à pati du temps mesué pou emonte la masse, et de quelques appots de gandeus a mesue et calcule su place. Etabli des mesues pou les otos bipolaie, tipolaie et en tambou. Discute de l évolution du endement et du couple en fonction de la vitesse de otation. V.2. Moteus excités pa des bobines. Remplace les aimants pemanents pa des bobines (250 spies), et le noyau de fe appopié. Réalise successivement les montages en séie, en shunt, et en compound (fig. 5), en utilisant le oto tipolaie. Mesue à choix : - La conte-tension induite - Le couple - Le endement - Une aute gandeu décite en V (ou disponible dans la notice Leybold). Les montages spécifiques sont indiqués dans la notice Leybold, disponible su place.