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MCC : Moteur à courant Continu

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1/3 : Expérience avec un moteur à courant continu

Vidéo d'introduction


Le moteur à courant continu : expérience complète avec mise en évidence de la force de Laplace et du principe de fonctionnement !




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Animation sur le collecteur et balaisAussi appelés charbons
Charbons balais mcc
(constitués généralement de graphite)

Animation du moteur à courant continu MCC
mcc 3 pôlesEn bas à gauche, le rotor d'un moteur continu de jouet électrique, en bas à droite le collecteur. Notez sur l'animation en haut que la distance entre les languettes est inférieure à la largeur du balai pour éviter toute interruption d'alimentation.
A cause de cela, un court-circuit partiel se produit à chaque transition, soit ici, 3 fois par tour...
mcc jouet 3 pôles




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Le collecteur, est le point faible !

1
2
3
Cct collecteur 3 pôles
Le collecteur, qui permet la commutation électrique nécessaire au changement de polarité électrique et magnétique provoque un court-circuit entre 2 lamelles d'alimentation.
Avec ici 3 bobines, l'intensité de chaque court-circuit est très élevée mais ne se produit que 3 fois par tour...
Cct collecteur 5 pôles
Cette fois ce sont 5 bobines qui constituent le moteur permettant à l'intensité de court-circuit d'être plus faible qu'avec 3 bobines mais sans bénéfice de rendement car elle se produit cette fois plus souvent : 5 fois par tour...
Toutefois la rotation est plus régulière (moins d'à coups mécaniques car d'intensité plus faible et plus fréquente, plus lissés !)
Collecteur MCC
Voici une photo d'un collecteur de moteur à courant continu 1.5 kW, le nombre de lamelles, et de bobines, formant le collecteur est très élevé ce qui réduit et régularise les à-coups mécaniques et surintensités électriques !

  • Les court-circuits sont responsable du rendement faible 40 à 60% maximum
  • Les frottements entre les balaisAppelés aussi charbons car constitués de graphite et le collecteur engendrent de la maintenanceDépoussiérage, nettoyage entre lamelles, changement de balais (charbons)...
    Et surtout usure du collecteur à force de frottements !
  • La vitesse et le couple sont liés à la tension d'alimentation ce qui le rend aisé à contrôler




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La force de Laplace

Force de Laplace

F(Newton) = B × I × L lg × sinα

  • F, la Force du moteur, en Newton
  • B = Champ inducteur
  • I (Ampère) = Intensité dans l'induit
  • L lg (mètre) = Longueur ou distance
  • α = angle entre le l'induit et l'inducteur
La 'règle des 3 doigts' permet de connaître le sens de rotation. La force de Laplace est reprise en vidéo dans la section réservée aux abonnés.




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La force de Laplace en vidéo...


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2/3 : Différents montages Mcc, série, parallèle, compound...

Aimants permanents : uniquement en courant continu !





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Stator bobiné, couplages

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moteur courant continu mcc série
Voici le moteur le plus utilisé dans l'électroportatifPerceuses (sauf à colonne : moteur asynchrone), scie sauteuse, ponceuse, disqueuse... et l'électroménagerHormis les machines à laver sans essorage variable et les réfrigérateurs (moteurs asynchrones)...
Et depuis peu des marques premium d'aspirateur et robots manager (moteurs brushless : 'numérique en langage marketing !') !
encore de nos jours !
(il fonctionne en alternatif, on va le voir plus loin)
Il est simple et présente l'avantage d'avoir un couple qui s'adapte à la charge au détriment de la vitesse, élément peu important dans les applications sus-citées...
Notons enfin qu'il est essentiel qu'il soit toujours raccordé à une chargeL'inducteur, en série, voit son alimentation diminuer quand le moteur tourne à vide car Em f.e.m. moteur se rapproche de U alimentation, diminuant I : I = (U - Em) / (Rs + Rr)
(Rs = résistance stator, Rr = R rotor)
Sans champ inducteur ni charge le freinant, ce moteur s'emballerait !
. R de l'inducteur est très faible, I étant très élevé à faible vitesse d'où C (couple) maximal !.
Moteur continu mcc parallèle
Ce moteur était utilisé pour sa relative stabilité de vitesse face aux variations de tension.
En effet lorsque la tension d'alimentation augmente, elle croît aussi bien dans l'induit
(ce qui augmenterai la vitesse) que dans l'inducteur
(ce qui diminue la vitesse en augmentant le couple).
Les 2 actions se contrariant, la vitesse reste relativement stable
(mais pas en fonction de la charge, uniquement de la tension d'alimentation)
Moteur mcc compound
Le montage compound est un hybride ou mixte.
En fait oublions la bobine en parallèle sur le rotor puisqu'elle est secondaire. On se retrouve donc face à un classique moteur série, la bobine parallèle n'intervenant qu'à vide (en l'absence de charge mécanique), pour maintenir un champ magnétique inducteur minimalR bobine en // est trés grand, i est faible, le minimum pour limiter la vitesse à vide et interdire l'emballement mécanique ! Son usage, de par son coté onéreux, était réservé aux applications industrielles pour lesquelles le risque d’absence de charge existait...
Mcc excitation et rotor séparés
Ici, 2 alimentations sont requises.
Une pour le rotor, l'autre pour le stator.
Il s'agit du moteur le plus souple au niveau des possibilités puisque l'on peut augmenter vitesse et couple simultanément avec l'induit à gauche ou augmenter très fortement le couple en diminuant la vitesse en jouant sur l'inducteur à droite...




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Force électromotrice

U fem fcem

Pourquoi une f.e.m.Force électro-motrice ?


Lorsque le rotor (qui est une bobine) tourne autour du stator (qu'il soit bobiné ou permanent) il tourne autour d'un champ magnétique fixe.
Ainsi, il va passer d'un champ Nord maxi à 0 puis à un Sud maxi et ainsi de suite... Il est donc soumis par sa rotation à un champ magnétique variable !
Toute bobine soumise à un champ magnétique variable est induite d'une tension : Voir les conseils+ en fin : tension induite et loi de LenzToute bobine soumise à un champ magnétique variable est induite d'une tension ! Loi de Lenz-Faraday !
Ce schéma montre comment connaître la f.e.m.

Si le stator est bobiné : E Force électromotrice= U(générateur) - [(Rr + RsRr = Résitance rotor
Rs = Résistance stator
) × I].
Si le stator est un aimant permanent (Rs = 0 Ω) E = U - (Rr × I).

Force électromotrice ou force contre électromotrice ?

La source est naturellement nommée électromotrice. Le récepteur, comme un moteur qui consomme de l'énergie électrique pour la convertir en mécanique, génère une force appelée contre-électromotrice puisque cette tension auto-induite limite l'intensité I et donc le couple mécanique... Par contre, s'il est entraîné en sur-vitesse à cause de sa charge, il devient producteur d'énergie électrique et créera alors une tension appelée cette fois f.e.m. (force électromotrice) ! Donc tout est question de 'positionnement' mais dans tous les cas, il s'agît d'une tension produite !




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Constante en V / t...


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3/3 : Le moteur 'continu' universel qui fonctionne en alternatif !

Découvrez le moteur universel en vidéo


Ce moteur est largement utilisé comme vu plus haut dans l'électroportatif et électroménager.
L'électronique va le rendre progressivement obsolète pour ces 2 défauts principaux :
  • Rendement limité à ≃ 60% contre > 85% pour les technologies brushless
  • Usure des balais et collecteur entraînant de la maintenance...

Sa présence étant malgré tout encore fréquente, il convient d'en savoir un peu plus !




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Photo d'un moteur universel

Moteur universel
Voici une photo d'un moteur universel, ces moteurs sont disponibles de quelques dizaines de Watts à plusieurs kiloWatts.

Double changement = annulation !

Inversion de sens et de courant dans mcc
Comme vu en vidéo, le changement de sens peut s'obtenir en changeant le sens du courant dans l'induit, le rotor, ou en inversant le sens du courant dans l'inducteur (animations centrales).
Mais en cas de double inversion (animation de droite) on annule l'inversion !




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Universel ? C'est tout simple !

Moteur universel en alternatif
A gauche : I circule de gauche à droite comme B le champ magnétique inducteur :

Le sens de rotation est horaire.

Au centre : on a inversé les 2 : I et B (le champ) :

Rotation toujours en sens horaire !

A droite : courant alternatif !

Sur ce moteur série, le changement du sens du courant inverse I rotor et B champ inducteur simultanément :
Double inversion = annulation d'inversion !

Voici donc le principe du moteur universel !

il fonctionne aussi bien en continu qu'en alternatif !

Comment inverser le sens de rotation ?

inversion moteur universel
En croisant les fils au niveau du rotor (perceuses... : voir conseils+)




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Le moteur universel......


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Comportement des aimants


Rappel du comportement magnétique d'un aimant : les pôles opposés (Nord et Sud) s'attirent alors que les pôles identiques se repoussent !

EE = à vide, au 'coeur' du générateur
U = tension réelle aux bornes de la source de tension
, la tension induite...

  • Une bobine devient source d'une tension E uniquement lors de variations de champ
  • E est proportionnel à l'intensité du champ magnétique
  • E est aussi inversement proportionnel au tempsPlus le temps requis pour faire varier ce champ est court, plus l'effet est élevé
    (Vu avec : introduction de l'aimant...)
    E est proportionnel à la vitesse
    La vitesse est un déplacement par unité de temps, il est plus simple de raisonner directement sur le temps !
  • E s'oppose, E est donc négatif –
Mettons tout celà en équation :

Tension E = – ( Variation de flux / temps requis pour cette variation )


E = - ( ΔΦ / Δt )

Volt = - ( Weber / seconde )



Il existe bien des déclinaisons de cette formule générale, dans nos autres cours nous y reviendrons...

Un aimant et donc une variation de champ magnétique, induit une tension !


Toute variation de champ magnétique engendre une tension induite !

L'entrefer

Aussi clairement que son nom l'indique il s'agit de la distance entre fers !
L'air est très imperméable au champ magnétique ce qui engendre des pertes. Toutefois il faut bien un minimum d'espace entre les conducteurs magnétiques sans quoi :
  • Entre rotor et stator : aucune rotation possible !
  • Entre noyaux de bobines : court-circuit magnétique et donc absence de pôles magnétiques !

Voici 2 illustrations :
Bobines de moteur brushlessMoteur à cage
A gauche, entrefer entre noyaux de bobines, à droite entre rotor et stator.

Inverseur de tension

Animation pédagogique : inverseur de tension
Inverseur double
Comme le démontre l'animation ci-dessus, il faut utiliser un double inverseur, aux 2 circuits indépendants électriquement mais solidaires mécaniquement comme ci-contre.

Conseils+, compléments, prérequis :
Pôles magnétiques
Lenz Faraday
Tension induite
Entrefer
Inverseur de tension

Crée le 13 / 12 / 2016, der. màj le 22 / 11 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 127 fois ★★★☆☆
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