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Une machine à courant continu est un moteur électrique qui fonctionne avec du courant continu, ou un générateur qui convertit l’énergie mécanique en tension alternative puis la redresse. Dans certaines applications, un seul appareil peut également exécuter les deux fonctions. Dans les moteurs électriques à courant continu, la force exercée par un champ magnétique sur les conducteurs de courant d’une bobine est mise en mouvement. Cela fait du moteur électrique la contrepartie du générateur. Les moteurs électriques génèrent principalement des mouvements de rotation, mais ils peuvent aussi effectuer des mouvements de translation (entraînement linéaire). Les moteurs électriques sont utilisés pour entraîner diverses machines et des véhicules (en particulier les véhicules ferroviaires).
Représentation schématique du principe de fonctionnement d’une machine à courant continu à excitation permanente. La machine se compose d’une partie fixe, le stator, et d’une partie rotative, le rotor (ou induit). La plupart des moteurs à courant continu sont conçus comme des rotors internes: le rotor est la partie interne, le stator la partie externe. Pour le rotor extérieur, c’est l’inverse. Dans les machines conventionnelles à courant continu, le stator est constitué d’un électroaimant ou, dans les machines plus petites, d’un aimant permanent. Dans les machines conventionnelles, le rotor s’appelle l’induit.
Les avantages des machines à courant continu comprennent un bon comportement au démarrage et une bonne maniabilité.
Représentation schématique du principe de fonctionnement d’une machine à courant continu à excitation permanente. La machine se compose d’une partie fixe, le stator, et d’une partie rotative, le rotor (ou induit). La plupart des moteurs à courant continu sont conçus comme des rotors internes: le rotor est la partie interne, le stator la partie externe. Pour le rotor extérieur, c’est l’inverse. Dans les machines conventionnelles à courant continu, le stator est constitué d’un électroaimant ou, dans les machines plus petites, d’un aimant permanent. Dans les machines conventionnelles, le rotor s’appelle l’induit.
Si le champ statorique est généré par un électroaimant, on parle d’excitation électrique.
Si l’enroulement d’excitation est indépendant du circuit d’induit, on parle d’excitation externe.
Le moteur à enroulement en série est également appelé machine à enroulement principal, dans laquelle l’enroulement d’excitation et l’enroulement d’induit sont connectés en série. Contrairement au moteur shunt, l’enroulement d’excitation doit donc avoir une faible résistance. Lorsqu’il est alimenté en tension alternative, le champ d’excitation et le courant d’induit changent de direction après chaque demi-onde, de sorte que le moteur peut également être utilisé avec une tension alternative. Cependant, le noyau en fer du stator doit être constitué d’une pile de tôle pour éviter les courants de Foucault.
Les moteurs monophasés bobinés en série étaient autrefois utilisés dans les locomotives électriques (d’où le compromis de fréquence 16,7 Hz dans le réseau de courant ferroviaire!) et sont encore utilisés aujourd’hui dans les trams. Sous le terme de moteur universel ou moteur tout courant, ils font fonctionner de nombreux appareils ménagers, tels que les aspirateurs, les machines de cuisine, les perceuses et autres outils à main électriques. Les démarreurs des moteurs à combustion sont également des moteurs en série.
Pour qu’un moteur en série puisse fonctionner comme générateur (par ex. pour le freinage électrique de trams), son enroulement excitateur doit être inversé, sinon le courant généré par l’enroulement de champ annule le champ excitateur.
Le couple des moteurs à enroulement en série dépend de la charge (comportement de l’enroulement en série). Si le couple de sortie diminue, la vitesse de rotation de l’induit augmente en raison de la diminution du courant et de l’affaiblissement du champ associé. Cela peut entraîner que le moteur «grille», ce qui signifie que le moteur se détruit lui-même sous l’effet des forces centrifuges. Pour cette raison, les moteurs à enroulement en série doivent être utilisés avec une charge de base (ventilateur moteur, réducteur, etc.).
Les moteurs à enroulement en série ont un courant d’appel nettement inférieur à celui des moteurs à enroulement shunt ou à excitation permanente, en particulier en fonctionnement AC («moteur universel», par ex. dans les aspirateurs). Cependant, ils fournissent un couple de démarrage élevé pendant une courte période. Ils sont donc utilisés dans les démarreurs, les trams et les locomotives électriques, où ils sont extrêmement surchargeables en fonctionnement court.
Lorsqu’il fonctionne avec un courant alternatif, le réseau délivre une puissance pulsée (double fréquence réseau). C’est pourquoi le couple est également pulsé, de sorte que des éléments élastiques doivent être interposés avec de gros moteurs. Ceci s’applique également aux machines synchrones monophasées.
Les avantages des machines à courant continu comprennent un bon comportement au démarrage et une bonne maniabilité.
Dans la machine shunt, les enroulements de l’excitateur et de l’induit sont montés en parallèle. Le fonctionnement en courant alternatif est difficilement possible parce que l’excitateur et le courant d’induit ont des positions de phase différentes en raison de la forte composante réactive du courant dans l’enroulement de l’excitateur (inductance élevée). Le couple des grands moteurs shunt est presque indépendant de la charge. Les moteurs shunt peuvent s’abîmer si le circuit d’excitation est interrompu, car la vitesse et la consommation de courant augmentent considérablement lorsque le champ d’excitation s’effondre avec la même tension d’alimentation.
Les moteurs shunt peuvent fonctionner comme générateurs (par exemple pour le freinage) si une source de tension auxiliaire ou une magnétisation résiduelle assure que l’excitation est présente lorsque le processus de freinage est démarré. Avec l’augmentation de l’excitation ou du couple, la tension générée augmente également – c’est la tension qui contrecarre le courant d’alimentation pendant le fonctionnement du moteur et assure un couple constant. C’est pourquoi on l’appelle aussi force contre-électromotrice (fcem).
Les connexions de l’induit sont désignées A1 et A2, celles de l’enroulement d’excitation E1 et E2. Dans le câblage illustré, le moteur tourne dans le sens des aiguilles d’une montre comme indiqué par la flèche dans l’induit.
Le moteur compound combine les caractéristiques du moteur shunt et du moteur à enroulement en série dans une seule machine. Il a un enroulement en série et un enroulement shunt. En fonction de sa conception, le moteur à double enroulement présente des caractéristiques de fonctionnement différentes. Lorsqu’il est correctement composé, il a un couple de démarrage légèrement inférieur à celui d’un moteur à enroulement en série équivalent. Son couple chute alors légèrement plus sous charge que celle d’un moteur shunt correspondant. Il ne se détériore pas au ralenti. Si le moteur à double enroulement est surcomposé, il a principalement un comportement en série, c’est-à-dire un couple de démarrage élevé, mais une vitesse instable. En cas de sous-composition, le comportement en shunt est prédominant, c’est-à-dire la stabilité à grande vitesse, mais le couple de démarrage est plus faible. Le moteur à double enroulement est utilisé pour l’entraînement de presses et de poinçons, par exemple, en raison de son comportement vitesse-couple identique.
Ici, les enroulements de l’induit et de l’excitateur sont alimentés par différentes sources de tension. Alors que dans les machines shunt la tension d’excitation est égale à la tension d’induit, dans les machines à excitation externe, la vitesse peut être augmentée en réduisant le courant d’excitation (affaiblissement du champ) ou réduite en réduisant la tension d’induit. Les fluctuations de couple entraînent de faibles variations de vitesse.
Dans le passé, des machines à excitation externe étaient utilisées, par exemple, pour le groupe Ward Leonard, le seul entraînement à vitesse variable pour des puissances élevées, qui se composait d’un moteur asynchrone triphasé, d’un générateur à courant continu à excitation externe et d’un moteur à courant continue. D’autres applications sont ou ont été les machines pendulaires dans les bancs d’essai de moteurs et les unités d’entraînement de machines-outils et d’essuie-glaces. Les moteurs de traction des S-Bahn de la série DB 420 sont également des moteurs à excitation externe, car leurs avantages peuvent être pleinement exploités en combinaison avec la commande d’angle de phase.
L’inconvénient des machines à courant continu conventionnelles est l’étincelle générée par les balais. L’étincelle des balais est la principale cause d’interférence à haute fréquence que le moteur renvoie dans le réseau pendant le fonctionnement et qui interfère avec d’autres charges électriques. Elle limite également la vitesse de rotation maximale, car les balais chauffent à des vitesses élevées et s’usent de manière particulièrement rapide. De plus, des vitesses élevées provoquent aussi des tensions d’induction plus élevées pouvant même conduire à l’inflammation des balais tournants.
Moteur à courant continu sans balais commandé par capteur (face arrière avec pilote CI et capteur Hall) face avant illustration du haut avec bobines de stator, rotor extérieur à aimant permanent et enrouleur (entraînement cabestan d’un magnétoscope). Ceci permet de contourner la machine à courant continu sans balais (anglais: brushless direct current BLDC). Le rotor est ici constitué d’un aimant permanent, le stator est constitué de plusieurs bobines d’aimants, généralement le rotor est un rotor externe. Les stators sont généralement triphasés. L’électronique de convertisseur d’une machine à courant continu sans balais peut, en cas de conception inadaptée, provoquer des interférences électromagnétiques dues aux flancs de commutation, qui peuvent être limitées par un filtrage approprié.
L’induit tourne dans le moteur à l’intérieur du champ statorique. Selon le principe du générateur, une tension est induite dans ses bobines même pendant le fonctionnement du moteur. Cette tension induite est polarisée comme la tension de fonctionnement et agit donc à contre-courant du courant du rotor. C’est ce qu’on appelle la tension antagoniste ou fcem. C’est un paramètre important des moteurs et peut être utilisé pour déterminer le couple à vide des moteurs à excitation permanente.
Le courant d’induit entraîne une chute de tension ohmique à la résistance d’induit (cuivre), cette chute de tension augmente donc avec la charge du moteur (augmentation de la consommation de courant) et provoque une chute du couple des moteurs. Avec de gros moteurs à excitation externe, cette réduction de vitesse est très faible.
La fcem est strictement linéaire en fonction de la vitesse de l’induit et de la force de l’excitation. La fcem peut être utilisée par les circuits de commande pour stabiliser avec précision la vitesse des moteurs à excitation permanente, par exemple dans les magnétophones.
La fcem transforme le moteur en générateur lorsque le sens du courant est inversé (tension aux bornes < fem); elle peut être utilisée pour le freinage et la récupération d’énergie (freinage par régénération).
Il n’y a pas de tension antagoniste quand le moteur est à l’arrêt. C’est pourquoi les moteurs à courant continu à excitation externe et permanente ont un courant de démarrage élevé. La résistance des bobines du rotor est relativement faible et donc le courant au moment de la mise sous tension est très élevé.
Sans limitation du courant de démarrage, de gros moteurs ou le réseau d’alimentation peuvent être surchargés, c’est pourquoi des résistances de démarrage sont utilisées en série avec l’induit, qui sont progressivement court-circuitées après démarrage.
A partir de la fin du XIXe siècle, les moteurs électriques ont été un facteur majeur d’industrialisation et de mécanisation. Ils ont remplacé l’entraînement central des machines par une machine à vapeur ou à eau par un entraînement unique (moteurs sur chaque machine).
Les premières applications mobiles ont été les locomotives électriques et les chemins de fer électriques, puis les chariots électriques et les chariots élévateurs à fourche. Le développement de l’électronique de puissance a donné un nouvel élan aux applications. Désormais, les moteurs asynchrones peu coûteux et sans entretien peuvent aussi être utilisés pour les unités d’entraînement à vitesse variable.
Aujourd’hui, les moteurs électriques sont utilisés en grand nombre dans les machines, les automates, les robots, les jouets, les appareils électroménagers, les équipements électroniques (magnétoscopes, disques durs, lecteurs CD), les ventilateurs, les tondeuses, les grues, etc.
Les moteurs électriques sont utilisés depuis longtemps dans les véhicules automobiles et les chemins de fer. Les raisons en sont les suivantes:
L’avantage de l’utilisation d’un moteur à courant continu est que le sens de rotation peut être modifié en inversant simplement la polarité de la tension de fonctionnement. Tailles: deux longueurs d’arbre creux sont actuellement produites: le diamètre est de 56 x 48 mm et les longueurs du moteur sont de 194 et 135 mm.
La broche filetée a un diamètre de 10 mm. Par exemple, un filetage trapézoïdal avec un pas de 2,2 mm est utilisé pour une force de poussée souhaitée de 1200 N et une vitesse de 5-6 mm/s. On obtient ainsi un rapport optimal entre le rendement et l’autoblocage de l’unité d’entraînement. Si le pas est plus petit, la vitesse de coupe est réduite, l’efficacité est réduite et l’effet autobloquant augmente. A mesure que le pas de filetage augmente, c’est exactement le contraire qui se produit.
Le moteur peut être réalisé pour des tensions de 24-48 Vdc, la plage de vitesse optimale est de 1800-3000 t/m. Dans la configuration décrite ci-dessus, le variateur est autobloquant à une charge de 1200 N sans frein. La consommation de courant de l’unité d’entraînement sous cette charge est d’environ 8-9A pour une version 28-32 Vdc.
L’écrou peut être monté sur ou intégré à l’arbre. En liaison avec la broche filetée, il transforme le mouvement de rotation du moteur en un mouvement linéaire.
Alternativement, l’écrou peut également être entraîné par un moteur entourant l’arbre creux. Dans ce cas, l’écrou se trouve aussi sur une ligne avec l’arbre, qui peut être passé à travers le moteur et le corps du moteur.
Ceci permet d’obtenir un mouvement plus lent avec plus de poussée sans sacrifier l’efficacité mécanique.
Le moteur peut être équipé d’un dispositif de détermination de la vitesse et du sens de rotation (encodeur), permettant ainsi un contrôle optimal de l’entraînement, ce qui est particulièrement nécessaire dans les applications avec plusieurs entraînements synchrones.
Le moteur est équipé d’un filtre d’interférences standard composé d’inductances et de condensateurs.
Grâce à sa conception spéciale, le montage de l’unité d’entraînement est extrêmement simple.
Les moteurs et les réducteurs forment une unité de construction – le réducteur est monté directement ou même logé dans le même boîtier.
Etant donné que les moteurs électriques ont une masse plus faible à des couples plus élevés que les moteurs ayant la même puissance de sortie à des vitesses plus basses et que de nombreuses unité d’entraînement n’ont généralement pas besoin de vitesses aussi élevées, un rapport de réduction des engrenages est logique dans la plupart des cas.
Les unités d’entraînement directes, c’est-à-dire les unités qui fonctionnent sans réducteur, présentent cependant des avantages dans certains cas: il n’y a pas de jeu et les pertes du réducteur sont éliminées.
Le rapport de vitesse de la vitesse d’entrée à la vitesse de sortie est généralement compris comme le rapport de vitesse d’un réducteur. En outre, le rendement, le couple maximal à la sortie, le jeu, la vitesse maximale et la charge axiale et radiale maximale (force) de l’arbre sont des paramètres importants d’un réducteur mécanique.
Il faut également faire la distinction entre les entraînements pivotants et les servomoteurs rotatifs. Dans le cas d’un servomoteur rotatif, l’arbre entraîné tourne aussi souvent que nécessaire, avec un entraînement pivotant moins qu’un tour complet.
Une autre caractéristique des réducteurs mécaniques est qu’ils sont autobloquants ou non, c’est-à-dire que l’arbre de sortie peut tourner lorsque le moteur est hors tension. C’est souvent le cas avec les engrenages droits et les engrenages planétaires à faibles rapports de réduction, les engrenages à vis sans fin sont généralement autobloquants.
Les réducteurs mécaniques sont utilisés dans la technique, par exemple comme actionneurs pour vannes, dans les entraînements (essuie-glaces, robots, entraînements d’alimentation, volets roulants, stores, etc.) Ils sont souvent équipés d’une bride normalisée avec laquelle ils peuvent être reliés à l’axe pour être entraînés par une lanterne d’accouplement (raccord tube ondulé) si nécessaire. Parfois, les réducteurs mécaniques sont équipés d’une manivelle d’accouplement, de sorte que la pièce à entraîner peut également être actionnée manuellement si nécessaire.