Le moteur à courant continu

Généralités

Comme toutes les machines tournantes, les moteurs électriques sont constitués d’un stator et d’un rotor.

Dans un moteur à courant continu, le stator crée un champ magnétique fixe à l’aide d’enroulements (inducteur) ou d’aimants permanents. Le rotor est constitué d’un ensemble de bobines reliées à un collecteur rotatif qui permet de maintenir les bobines du rotor dans l’axe du champ magnétique.

Cette technologie de moteur permet une réalisation économique de moteurs, en général de faible puissance pour des usages multiples (automobile, audiovisuel, robotique, jouets etc…)

Il est aisé de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation.

Leur principal défaut réside dans l’ensemble balais/collecteur rotatif qui s’use, est complexe à réaliser et consomme de l’énergie (résistance électrique)

Principe

Si un conducteur en forme de spire, parcouru par un courant \(I\), est placé dans un champ magnétique, il est soumis à des forces de Laplace.

Ces forces créent un couple de rotation qui fait tourner la spire sur son axe. Quand la spire a fait un demi-tour, il faut inverser la polarité pour inverser le sens des forces et continuer le mouvement (ce sera le rôle du collecteur).
Le rotor, (partie tournante), est constitué d’un noyau métallique avec un bobinage de cuivre, le stator comporte des aimants permanents qui engendrent un champ magnétique dont le flux traverse le rotor. L’espace étroit entre le rotor et le stator est nommé entrefer.

Le rotor est l’induit et le stator l’inducteur, dans d’autres moteurs, l’inducteur peut également être bobiné.

Un collecteur avec des balais (charbons) permet de transmettre l’énergie électrique au rotor.

 

Modèle électrique

Un moteur à courant continu peut être modélisé par le circuit équivalent suivant :

Nous nous intéresserons à quatre grandeurs caractéristiques du moteur directement mesurables :

  • L’intensité \(\color{blue}{I}\) du courant du moteur ;
  • La tension \(\color{red}{U}\) aux bornes du moteur ;
  • La vitesse de rotation \(\color{blue}{\omega}\) du moteur exprimée en rad.s-1 ;
  • Le couple \(\color{red}{C}\) appliqué à l’arbre du moteur exprimé en Nm.

L’étude du moteur sera limitée au régime permanent caractérisé par une vitesse constante résultant de l’équilibre du couple moteur et du couple résistant provoqué par la charge entraînée.

Des mesures montrent qu’il existe une relation entre les grandeurs électrique \(\color{red}{U}\) et \(\color{blue}{I}\) :

\(\bbox[10px,border:2px solid black]{\Large{
\color{red}{U}=\color{red}{E}+R\cdot \color{blue}{I}
}}\)

La tension \(\color{red}{E}\) (appelée force contre-électromotrice _ fcem) est proportionnelle à la vitesse angulaire \(\color{blue}{\omega}\) :

\(\bbox[10px,border:2px solid black]{\large{
\color{red}{E}=K_E\cdot\color{blue}{\omega}
}}\)

et le courant consommé par le moteur est directement lié au couple résistant sur l’arbre :

\(\bbox[10px,border:2px solid black]{\large{
\color{red}{C}=K_C\cdot\color{blue}{I}
}}\)

 

Montrer que \(K_E=K_C\)

 

Ces 2 constantes caractérisent le moteur :

  • Pour faire varier la fréquence de rotation, il faut faire varier \(\color{red}{E}\)  et donc la tension d’alimentation \(\color{red}{U}\).
  • Pour inverser le sens de rotation, il faut inverser \(\color{red}{E}\) et donc la tension d’alimentation à ses bornes.
  • Le courant varie avec le couple, on peut aussi limiter le courant pour limiter le couple.

 

Caractéristiques

Alimentation

Pour faire varier la vitesse d’un moteur on peut faire varier la tension d’alimentation à ses bornes mais dans ce cas une partie importante de l’énergie est consommée par le dispositif d’alimentation, on préfère l’alimenter de façon discontinue avec un hacheur et faire ainsi varier la tension moyenne à ses bornes.

On parle alors de Modulation par Largeur d’Impulsions (MLI), ou Pulse-Width Modulation (PWM).

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