Le moteur à courant continu à aimants permanents

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II-3 Le moteur courant continu aimants permanents II-3-1 Principe de fonctionnementSi un conducteur en forme de spire, parcouru par un courant I, est plac dans un champ magntique, il est soumis des forces de Laplace. Ces forces crent un couple de rotation qui fait tourner la spire sur son axe. Quand la spire a fait un demi tour, il faut inverser la polarit pour inverser le sens des forces et continuer le mouvement. ce sera le rle du collecteur.

Le rotor, (partie tournante), est constitu d'un noyau mtallique avec un bobinage de cuivre, le stator comporte des aimants permanents qui engendrent un champ magntique dont le flux traverse le rotor. L'espace troit entre le rotor et le stator est nomm entrefer.

Le rotor est l'induit et le stator l'inducteur, dans d'autre moteurs, l'inducteur peut galement tre bobin. Un collecteur avec des balais (charbons) permet de transmettre l'nergie lectrique au rotor. Le rotor est donc constitus de fils lectriques parcourus par un courant qui forment des spires, ces mme fils sont dans le flux magntique des aimants. Ces conducteurs sont donc soumis des forces de Laplace, un couple moteur est donc cr. Pour entretenir la rotation du moteur, le collecteur inverse le sens du courant dans les spires chaque demi tour

II-3-2 Schma quivalent du moteur courant continu.

Le moteur se comporte comme une rsistance en srie avecun gnrateur de tension (fem : force lectromotrice)

I : courant consomm par le moteur U : Tension d'alimentation du moteur E : force lectromotrice R : rsistance interne du bobinage. En ralit, il existe aussi une inductance L dans le circuit que l'on peut ngliger ici si le courantest en rgime continu. II-3-3Les quations caractristiques du moteur sont les suivantes Cette quation dcoule directement du schma quivalent ci-dessus

Ke et Kc sont des constantes qui caractrisent le moteur. On peut en dduire que :

Pour faire varier la frquence de rotation, il faut faire varier E et donc la tension d'alimentation U.Pour inverser le sens de rotation, il faut inverser E et donc la tension d'alimentation sesbornes.Le courant varie avec le couple, on peut aussi limiter le courant pour limiter le couple.

II-3-4Alimentation du moteurLe moteur peut tre aliment Le plus souvent, le moteur besoin de tourner simplement par un relais dans les deux sens de rotation, on utilise alors lectromcanique ou par un dispositif nomm pont en H transistor associ une diode de roue libre

Il suffit de fermer deux des contacts pour faire tourner le moteur dans un sens ou dans lautre

On utilise le plus souvent des transistors PNP et NPN, ou des MOS, canal P et canal N, la place des contacts

II-3-5Variation de vitesse du moteurPour faire varier la vitesse d'un moteur on peut faire varier la tension d'alimentation ses bornes mais dans ce cas une partie importante de l'nergie est consomme par le dispositif d'alimentation, on prfre l'alimenter de faon discontinue avec un hacheur et faire ainsi varier la tension moyenne ses bornes. On parle alors de Modulation par Largeur d'Impulsions (MLI), ou Pulse Wide Modulation (PWM)

Quand le transistor est satur, le moteur est aliment la tension maximale. Le courant est important dans le transistor mais la tension Vce est presque nulle, il n'y a donc pas d'chauffement du transistor. Quand le transistor est bloqu, le moteur n'est plus aliment. La tension Vce est maintenant maximale mais il n'y a plus de courant dans le transistor. Le rendement de ce dispositif d'alimentation est donc trs bon. La frquence est suffisamment leve pour avoir une rotation continue et sans bruit du moteur II-3-6 Exemple de commande par microcontrleur

La sortie PWM du microcontrleur PicBasic est utilise pour commander le transistor PWM port,val avec port tant le numro du port et val la valeur de l'impulsion entre 0 et 255 Le rapport cyclique du signal est gal val / 255 PWM sortie,0 arrte le moteur PWM sortie,255 alimente le moteur avec la tension maximale PWM sortie,64 alimente le moteur au quart de la tension

II-3-7 Puissance et rendement

Puissance absorbe (Watt) : c'est la puissance lectrique prleve sur l'alimentation Pa = U.I

Puissance utile (Watt) : c'est la puissance mcanique disponible sur l'arbre en sortie Pu =C. Puissance dissipe (Watt) : cette puissance correspond aux pertes lectriques par effet joules (R.I), aux pertes mcaniques et aux pertes magntiques, La puissance utile est donc toujours plus faible que la puissance absorbe Pd = Pa - Pu Rendement (sans unit) : c'est le rapport entre la puissance utile et la puissance absorbe, il est toujours infrieur 1, = Pu / Pa

II-3-8 Rversibilit.Ce type de moteur peut convertir l'nergie lectrique en nergie mcanique, comme tous les moteurs, mais il peut aussi faire le contraire, il se comporte alors en gnrateur

Dans le premier cas, le moteur aliment par la batterie entrane la mcanique, dans le second cas, c'est la mcanique qui entrane le moteur et il peut charger la batterie. On dit que ce moteur est rversible et qu'il peut fonctionner dans quatre quadrants

II-3-9 Gnratrice tachymtriqueLa tension E tant proportionnelle la frquence de rotation, le moteur peut tre utilis comme capteur de vitesse

On le nomme alors gnratrice tachymtrique et on mesure la tension U ses bornes

La tension de sortie est gale Us = E - R.I avec I nul, donc Us = E = Ke .

II-3-10 Freinage du moteurLe moteur courant continu aussi peut tre utilis comme frein, il est dans ce cas mis en court circuit. le courant important qui circule alors dans le bobinage provoque une dissipation d'nergie par effet joule

U = E + R.I donc I = ( U - E ) / R avec U = 0, donc I = - E / R I est ngatif alors qu'il tait positif en phase "moteur", le couple est donc galement ngatif et freine la charge. Plus la frquence de rotation est leve, plus E est lev et plus le couple de freinage est important.

II-3-11 Mesure du courant dans le moteurIl est trs frquent de devoir mesurer le courant consomm par le moteur, cette mesure tant directement lie au couple. Une rsistance est en gnral place en srie entre le moteur et la masse. La faible valeur de la rsistance ne perturbe pas le fonctionnement du moteur. On relve la tension aux bornes de celle-ci, la valeur mesure nous permet de dterminer le courant. Si la rsistance est de 1ohm, le courant et la tension sont identiques

Avec un oscilloscope, on peut ainsi avoir un chronogramme du courant et donc du couple. La rsistance en srie associe un circuit lectronique permet aussi de dtecter des surintensits pour limiter le couple dans certains mcanismes