Le moteur à courant continu en chiffres

Deux équations qui disent tout

Pour un moteur à aimants permanents, flux constant, tout tient en deux relations (chapitre 2 : la fcem) : Ω est la vitesse en radians par seconde. Curiosité : la même constante k sert dans les deux formules, en N·m par ampère comme en volts par rad/s.

Exemple : un moteur 12 V qui tourne à 3 000 tr/min à vide, soit 314 rad/s, et dont le rotor mesure R = 0,4 Ω. Donc k = 12 / 314 ≈ 0,038.

	À vide	En charge, 5 A	Rotor bloqué
Chute dans R	≈ 0	0,4 × 5 = 2 V	12 V
fcem E	12 V	10 V	0
Vitesse	3 000 tr/min	2 500 tr/min	0
Courant	≈ 0	5 A	12 / 0,4 = 30 A
Couple	≈ 0	0,19 N·m	1,15 N·m

En charge : puissance mécanique E × I = 10 × 5 = 50 W, pour 60 W absorbés. Rendement environ 83 %, frottements non comptés.

• La courbe couple-vitesse est une droite, du couple maximal à l'arrêt à la vitesse maximale à vide ;
• la puissance mécanique est maximale à mi-vitesse : 15 A, 6 V de fcem, 90 W... mais autant de pertes dans le rotor. On ne l'utilise pas en continu.

Le démarrage : rien ne limite le courant

À l'arrêt, la fcem est nulle : seule la résistance du rotor limite le courant, I = U / R. Notre petit moteur appelle 30 A au démarrage, six fois son courant en charge.

• Plus le moteur est gros, plus sa résistance est faible devant sa tension : l'appel peut dépasser vingt fois le courant nominal ;
• le couple de démarrage est à la mesure : énorme. C'est ce qui a fait le succès du moteur à courant continu en traction, trains et tramways (chapitre 2 : le moteur série).

Comment limiter l'appel :

• autrefois, un rhéostat de démarrage en série, que l'on retirait plot par plot à mesure que le moteur prenait de la vitesse ;
• aujourd'hui, un variateur qui fait monter la tension progressivement et limite le courant à une valeur réglée.

• Un moteur bloqué, par une charge coincée ou un réducteur grippé, reste à son courant de démarrage : il grille en quelques secondes ou minutes sans protection. Les petits moteurs de jouets ou d'automobile y sont très sensibles.

Varier la vitesse : le hacheur et le pont en H

Puisque la vitesse suit la tension, il suffit de faire varier la tension. Le hacheur le fait sans pertes : un transistor ouvre et ferme très vite l'alimentation, et la tension moyenne vaut U × α, α étant le rapport cyclique (cours sur le découpage : la MLI).

• À 50 % : 6 V de moyenne sur notre moteur 12 V, soit environ 1 500 tr/min à vide, et 1 000 tr/min sous 5 A (6 − 2 = 4 V de fcem) ;
• l'inductance du bobinage lisse le courant entre les impulsions ;
• une diode de roue libre est indispensable : à chaque ouverture du transistor, elle laisse le courant du bobinage continuer à circuler, sans quoi la surtension le détruirait (même principe que l'antiparasitage des bobines : voir l'Aller plus loin des relais et contacteurs).

Une fréquence de découpage au-dessus d'environ 16 à 20 kHz évite que le moteur siffle : en dessous, il chante à la fréquence du hacheur.

Inverser le sens : le pont en H

Quatre transistors disposés en H autour du moteur : on ferme la diagonale gauche pour un sens, la diagonale droite pour l'autre (même idée que l'inverseur double du cours sur le va-et-vient).

• Jamais les deux transistors d'une même branche fermés ensemble : c'est un court-circuit de l'alimentation. Les commandes de pont intègrent un temps mort, comme l'étoile-triangle entre ses deux contacteurs.
• Fermer les deux transistors du bas court-circuite le moteur : c'est un frein, l'écran suivant l'explique.

Freiner et récupérer

Un moteur à courant continu qui tourne produit sa fcem, même non alimenté : il devient génératrice (cours sur les alternateurs, chapitre 3 : la dynamo). Toute la famille des freinages vient de là.

• Freinage rhéostatique : on débranche l'alimentation et l'on ferme le moteur sur une résistance. Le courant E / (R + R_frein) crée un couple qui freine. Plus le moteur ralentit, plus E baisse, plus le freinage s'adoucit : il ralentit bien, mais ne bloque pas à l'arrêt.
• Court-circuit franc : sans résistance, le courant vaut E / R, soit presque le courant de démarrage à pleine vitesse, 30 A pour notre moteur. Freinage brutal, étincelles au collecteur : à réserver aux petits moteurs.
• Récupération : l'énergie retourne vers une batterie au lieu de chauffer une résistance. C'est le principe des véhicules électriques (cours sur le moteur de traction).

• Au dépannage : un moteur à aimants entraîné par sa charge, par exemple par un tapis ou une descente, produit une tension à ses bornes, même alimentation coupée.

Pour les moteurs asynchrones, les techniques de freinage sont détaillées dans le cours sur le paramétrage du variateur.

Dépanner balais et collecteur

Le collecteur est le point faible (chapitre 1) : c'est donc là que l'on cherche d'abord.

• Les étincelles : quelques petites étincelles bleutées sous les balais sont normales. Une couronne de feu qui fait le tour du collecteur signale une lame ou une bobine en défaut.
• Les charbons : vérifier leur longueur, au-dessus du repère d'usure minimal, leur liberté dans le porte-balais et la pression du ressort. Des charbons neufs se rodentOn épouse la forme du collecteur, par exemple avec une bande de papier abrasif fin glissée entre collecteur et charbon, jamais de toile émeri, dont les grains conducteurs se logeraient entre les lames. Suivre la notice du fabricant. pour épouser la courbure du collecteur.
• Le collecteur : lames lisses et brunies, sans trace de brûlure ; interlames propres, car la poussière de carbone conduit et crée des fuites entre lames.

Mesurer entre lames voisines

Moteur consigné, charbons relevés, on mesure au milliohmmètre la résistance entre chaque paire de lames voisines :

• toutes les valeurs égales : bobinage sain ;
• une valeur nettement plus forte, souvent le double : une bobine coupée ;
• une valeur nettement plus faible : des spires en court-circuit.

Enfin, l'isolement entre collecteur et carcasse se contrôle au mégohmmètre (voir le cours sur le moteur asynchrone, chapitre 5).

Lire une fiche et choisir un motoréducteur

Une fiche de moteur à courant continu donne souvent :

• la vitesse et le courant à vide ;
• le couple et le courant nominaux, ceux que le moteur supporte en continu ;
• le courant et le couple rotor bloqué, c'est-à-dire au démarrage ;
• deux constantes : la vitesse par volt, en tr/min par volt, et le couple par ampère, en N·m par ampère. Elles sont liées : couple par ampère ≈ 9,55 / vitesse par volt. Notre moteur : 3 000 / 12 = 250 tr/min par volt, donc 9,55 / 250 ≈ 0,038 N·m par ampère, le k du premier écran.

Le réducteur

Un petit moteur tourne vite et donne peu de couple. Le réducteur échange de la vitesse contre du couple, comme une boîte de vitesses (cours sur le paramétrage du variateur : variation mécanique).
Exemple : notre moteur en charge, 2 500 tr/min et 0,19 N·m, avec un réducteur de rapport 50 et un rendement de 80 % :

• vitesse de sortie : 2 500 / 50 = 50 tr/min ;
• couple de sortie : 0,19 × 50 × 0,8 ≈ 7,6 N·m.

• un réducteur à engrenages a un bon rendement ;
• un réducteur à roue et vis sans finSon rendement est plus faible, souvent de l'ordre de 40 à 70 % selon le rapport : voir la fiche du fabricant. rend moins, mais il est souvent irréversible : la charge ne peut pas faire tourner le moteur à l'envers. Pratique pour un volet ou un portail.

Pour comparer avec le brushless et les autres moteurs, voir le comparatif du cours sur les moteurs brushless et pas à pas.