MACHINES A COURANT CONTINU

CONVERTIR L’ENERGIE

MACHINES A COURANT CONTINU

Les machines à courant continu sont réversibles.

Elles peuvent devenir génératrices ou moteur.

Les machines à courant continu font partie de la famille des actionneurs (éléments qui produisent une action).

Ceux-ci transforment une énergie mécanique en une énergie électrique créant ainsi un courant continu ou transforment une énergie électrique en une énergie

mécanique créant un mouvement de rotation.

Les moteurs à courant continu sont employés dans les domaines de la traction, du levage et du positionnement pour les fortes puissances.

Il est également employé, lorsqu’un système utilise une source d’énergie autonome(pile ou batterie).

Les moteurs de faible puissance et les micromoteurs à courant continu sont souvent utilisés dans ce cas.

CONVERTIR L’ENERGIE

Energie électrique

Energie mécanique

CONVERTIR L’ENERGIE

Energie mécanique

Energie électrique

MOTEUR

Moteur faible puissance Micromoteur

SYMBOLE

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

Le moteur à courant continu est composé de 2 parties : - La partie fixe : l’inducteur (le stator)

- La partie tournante : l’induit (le rotor)

Si l’on considère le conducteur 1 placé sur l’induit qui tourne, ce conducteur coupe les lignes de champ, il est alors le siège d’une force électromotrice (f.è.m) dont le sens est donné par la règle des trois doigts de la main gauche.

Si l’on considère la spire formée par le conducteur (1) et le conducteur (2)

diamétralement opposés, les deux forces électromotrices s’ajoutent, on peut fermer le circuit. On a réalisé un générateur de courant.

Schéma de principe

Valeur de la f.é.m

Elle est donnée par la relation d’électrotechnique :

La force électromotrice E est la tension produite par le rotor ( l'induit ) lors de sa rotation dans le flux magnétique produit par la partie fixe ( l'inducteur ).

Elle dépend des éléments de construction de la machine.

Main gauche générateur

M

Moteur à courant continu à aimant

permanent

M

Moteur à courant continu excitation à électroaimant

P : nb de paire de pôles de l'induit N : nb de conducteurs de l'induit

a : nb de paires de voies d'enroulement n : fréquence de rotation (t/s)

Ø : flux en Webers (Wb)

E = p N n Ø a

Réversibilité

Si on fait passer un courant dans la spire, en présence du flux inducteur, une force agit sur les conducteurs et fait tourner l’induit.

On a réalisé ainsi un moteur à courant continu. La machine à courant continu fonctionne aussi bien en génératrice quand elle est entraînée, qu’en moteur quand elle est alimentée en courant continu : c’est la réversibilité.

RELATIONS D’ELECTROTECHNIQUE RELATIVES AU MOTEUR Schéma équivalent d’un moteur à courant continu

Loi d’Ohm

Un moteur en rotation présente une force contre-électromotrice, la loi d’Ohm s’applique alors selon le schéma :

Vitesse de rotation

A l’aide des relations précédentes, on peut écrire : U = E’ + R I

U = Tension du réseau en volts ( V ) R = Résistance interne en ohms ( Ω ) I = Courant absorbé en ampères ( A) N = Nombre de conducteurs

n = r E

+

_

E’ : force contre électromotrice (V) U : tension d'alimentation d'induit (V) R : résistance de l'induit ( Ω )

I : courant circulant dans l'induit (A) R : résistance de l'induit ( Ω )

E

Inducteur ( stator )

r xI E’

U

r I

E’= U – R I

Induit ( Rotor)

u OU

U – R I N Ø

A partir du schéma équivalent, on peut écrire :

Le moteur courant continu transforme l’énergie électrique apportée par le courant continu, en énergie mécanique.

Puissance

Puissance absorbée au réseau.

Couple moteur

C’est le couple mesuré sur l’arbre. On applique la relation de la mécanique :

Rendement

Le moteur à courant continu comme toutes les machines électromagnétiques concède des pertes lors de son fonctionnement.

Les pertes comprennent : Les pertes joules, les pertes fer et les pertes mécaniques.

P = C.ω P = Puissance mécanique en watts (W)

C = Couple moteur en mètres Newtons (mN)

ω = Vitesse angulaire en radians par seconde (rad/s)

ω = 2.π.n n = vitesse de rotation en tr/s

Pa = U .I

Grandeur de sortie Puissance utile (Pu)

Puissance mécanique

Pu = T

Puissance absorbée (Pa) Puissance électrique

Pa = UI3 cos 

Pertes

Joules Pertes

fer Pertes mécanique

s

Grandeur d’entrée

C’est la totalité de la puissance prise au réseau

Pa = U.I P = C.ω

η

Pa Pu

Le courant est proportionnel au couple :

La constante K représente les éléments de construction du moteur.

La constante K est appelée constante de la machine.

La formule du couple devient :

CONSTITUTION

Organes magnétiques

Ils servent à produire le champ magnétique et à le canaliser.

Ce sont :

- Le stator avec ses pôles inducteurs (bobinés ou à aimant permanent).

- L’induit fixé sur l’arbre, c’est la partie tournante du circuit magnétique.

Organes électriques

Ils sont le siège de la f.é.m. et assurent la liaison avec le circuit extérieur.

Ce sont :

- Les conducteurs ou faisceaux logés dans les encoches de l’induit.

- Le collecteur à lames assure la liaison entre les conducteurs tournants du rotor et le circuit extérieur fixe. Il est en cuivre.

- Les balais pour alimenter les enroulements de l’induit, assurent un contact glissant entre le collecteur entraîné en rotation et les conducteurs allant à la plaque à bornes. Ils sont à base de graphite pour éviter l’usure du collecteur.

- Le bobinage inducteur pour créer le flux (moteur à inducteur bobiné).

Organes mécaniques

Ils permettent de fixer les organes magnétiques et électriques les uns par rapport aux autres.

Ce sont :

- Le stator et l’anneau de manutention avec pattes de fixation.

- L’arbre, les roulements pour la rotation et la turbine de ventilation.

- Les flasques qui ferment le moteur à chaque extrémité et supporte l’axe , assurant le centrage de l’induit par rapport à l’inducteur.

C = K.Ø.I Ø = Flux inducteur en Webers ( Wb ) I = Courant absorbé en ampères ( I )

C = Couple moteur en mètres Newtons (mN)

Vues éclatées d’un moteur à courant continu

DIFFERENTS TYPES DE MOTEUR

On distingue deux types de moteurs à courant continu :

 Les moteurs à inducteur à aimant permanent

- Il n’y a pas de circuit inducteur, le flux inducteur est produit par un aimant permanent.

- Tous les moteurs à courant continu de faible puissance et les micromoteurs sont des moteurs à aimant permanent.

Ils représentent maintenant la majorité des moteurs à courant continu. Ils sont très simples d’utilisation.

 Les moteurs à inducteur bobiné

TYPE DE MOTEUR PARTICULARITES AVANTAGE EMPLOI

Excitation séparée

Le circuit inducteur est alimenté par une

source séparée. Vitesse constante quelque soit la

charge

Utilisé sur les dispositifs à vitesse variable Excitation

dérivation

Le circuit inducteur est alimenté en parallèle aux bornes de l’induit.

Excitation série

Inducteur monté en série avec l’induit

Fort couple de démarrage

Utilisé en traction électrique Excitation

composée C’est une combinaison des deux cas précédents Balais et portes balais Vue sur le système de commutation et de ventilation

INVERSION DU SENS DE ROTATION

Pour inverser le sens de rotation d’un moteur à courant continu il suffit d’inverser la polarité aux bornes de l’induit ou de l’inducteur (pour les moteurs à inducteur bobiné).

AVANTAGES

Alimentation aisée dans les systèmes transportant leur réserve d’énergie (autonome) : pile ou batterie.

La variation de fréquence de rotation est simple à réaliser.

INCONVENIENT

Les inconvénients (coût, usure) limitent généralement son utilisation aux faibles puissances et/ou aux systèmes alimentés par pile ou batterie : automobile, jouets, satellite …

APPLICATION 1

Sur un moteur à courant continu, on indique une puissance utile de 3 KW.

Vous mesurez au tachymètre une fréquence nominale de rotation de 2800 tr/min.

Déterminez le couple utile de ce moteur à cette vitesse.

………...……….

………...……….

APPLICATION 2

On relève aux bornes d’un moteur à courant continu une tension de 230V et un courant absorbé de 9,5 A. Sa résistance d’induit est de 2 Ω.

Calculez sa force contre-électromotrice.

………...……….

………...……….

Calculez sa puissance absorbée.

………...……….

Sachant que le moteur tourne à 1900 tr/min et qu’il a une puissance utile de 2 KW, calculez son couple pour cette vitesse.

APPLICATION 3

Les caractéristiques nominales d’un moteur à aimant permanent sont les suivantes :

Calculer la valeur de la puissance absorbée par le moteur dans les conditions nominales.

………

Calculer la valeur du courant nominal absorbé par le moteur.

………

Calculer la valeur de la fcem E’quand le moteur tourne à 5000 tr/min.

………

Calculer la valeur de la pointe de courant au démarrage. (Au démarrage E = 0 V).

………

Calculer la valeur du couple utile nominal du moteur à vitesse nominale.

………

APPLICATION 4

On relève dans la documentation constructeur IGARASHI MOTEUR, les caractéristiques maxi d’un moteur à courant continu dont la référence est : F152033 – 050 – G -3

Préciser les différentes caractéristiques de ce moteur :

PARAMETRES UNITE

Puissance utile 6 W

Tension nominale 12 V

Vitesse de rotation nominale 5000 tr/min

Rendement 52%

Résistance de l’induit 12 Ω

Caractéristiques Valeur (efficacité max) Tension d’alimentation

Vitesse de rotation Couple Courant Puissance Rendement

APPLICATION 5

A partir des caractéristiques de ce moteur délivrées par les abaques constructeur, précisez la valeur du courant, de la vitesse, de la puissance et du rendement de ce moteur si le couple moteur est de 1,5 mN-m pendant une phase de fonctionnement.

DOCUMENTATION MOTEUR CC

DC Motors - F152033

Specification

Caractéristiques Valeur

Vitesse de rotation Courant Puissance Rendement

Model No.

How to read the model numbers

No Load Max Efficiency Stall

Voltage Speed Current Speed Torque Current Output Eff. Torque Current

V RPM A RPM mN-m g-cm oz-in A W % mN-m g-cm oz-in A

F152033-025-G-3 1.2 8750 0.45 6900 1.66 16.9 0.23 1.72 1.20 58.3 7.84 80.0 1.11 6.45 F152033-050-G-3 1.5 5900 0.15 4750 1.10 11.2 0.16 0.61 0.55 60.1 5.64 57.5 0.80 2.50 F152033-050-6-3 2.4 8750 0.22 7000 1.86 19.0 0.26 0.91 1.37 62.6 9.31 95.0 1.32 3.68 F152033-068-G-3 2.4 6450 0.14 5200 1.60 16.3 0.23 0.56 0.87 65.0 8.23 84.0 1.17 2.30

Characteristic Curves

Home | Products | About Us | Contact Us Igarashi Motors USA

612 Stetson Ave. / Saint Charles, IL 60174 tel. 630-587-1177 fax. 630-587-7797 http://www.igusa.com/dcmotors/F152033.htm