machines a courant continu - Construction

Machines courant continu

Constructionpar Franois BERNOT

Ingnieur de lcole Suprieure dlectricitDocteur en sciences pour lingnieurMatre de confrences lUTBM (Belfort)

1. Gnralits................................................................................................. D 3 556 - 2

2. Construction des induits des divers types de machines .............. 22.1 Introduction.................................................................................................. 22.2 Induit cylindrique......................................................................................... 3

2.2.1 Induit cylindrique plein ...................................................................... 32.2.2 Induit cylindrique creux (en cloche).................................................. 3

2.3 Induit discodal............................................................................................. 32.4 Ralisation dun induit cylindrique ............................................................ 4

2.4.1 Tles rotoriques.................................................................................. 42.4.2 Bobinage ............................................................................................. 52.4.3 Collecteur ............................................................................................ 52.4.4 Balais et leurs supports...................................................................... 62.4.5 Frettage des conducteurs et quilibrage .......................................... 6

2.5 Bobinage dinduit des moteurs cylindriques ............................................ 62.5.1 Types de bobinages............................................................................ 62.5.2 Bobinage imbriqu ............................................................................. 72.5.3 Bobinage ondul................................................................................. 7

2.6 Limite en commutation du collecteur ........................................................ 8

3. Construction des inducteurs des divers types de machines ....... 83.1 Caractristiques des aimants permanents ................................................ 83.2 Inducteur aimants permanents ............................................................... 93.3 Inducteur bobin.......................................................................................... 10

4. Ples auxiliaires ....................................................................................... 114.1 Raction transversale dinduit .................................................................... 11

4.1.1 Description du phnomne ............................................................... 11Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique D 3 556 - 1

et article est la suite logique de la partie relative la constitution et au fonc-tionnement des machines courant continu. Lexpos qui suit, beaucoup

plus technologique que le prcdent, se dcompose en plusieurs parties dis-tinctes.

Il traite tout dabord les techniques de conception de linduit, puis de linduc-teur. Les ples auxiliaires sont ensuite abords, pour finir par des lments

4.1.2 Enroulements de compensation de raction dinduit ..................... 124.2 Ples daide la commutation ................................................................... 12

5. lments divers ........................................................................................ 135.1 Connexion lectrique globale du moteur .................................................. 135.2 Inclinaison des balais .................................................................................. 135.3 Refroidissement des machines .................................................................. 145.4 Rvisions et entretien priodique des machines ...................................... 155.5 Dimensionnement gnral dune machine courant continu ................ 15

6. Conclusion ................................................................................................. 16

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 3 557

C

MACHINES COURANT CONTINU _________________________________________________________________________________________________________

Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dD 3 556 - 2 Techniques de lIngnieu

divers de dimensionnement. Les techniques propres aux inducteurs bobins et aimants sont prsentes dans le texte au fil des besoins. Une vue gnrale desquestions que se pose le concepteur est prsente, sans dtailler tous lesaspects de la conception dune machine.

Nota : cet article est une codition partielle dun des chapitres du livre de lauteur : La vitesse variable lectrique, motova-riateurs courant continu [1].

1. Gnralits

Les moteurs courant continu industriels sont construits selon lamme structure que le moteur simplifi que nous avons vu danslarticle [D 3 555, Figure 4].

La figure 1 montre un exemple de petit moteur stator bobin onous reconnaissons ses divers lments constitutifs : rotor, stator,collecteur, balais.

n Linducteur peut tre aimants permanents ou bobin.

l Le premier type ( aimants permanents) se rencontre dans laplupart des servomoteurs utiliss pour les asservissements depetite puissance (infrieure 5 kW), comme les robots, les mouve-ments daxe (table traante...). Ce choix conduit des machinescompactes, de trs bon rendement, et surtout faciles modliser,donc asservir, comme un servomoteur dimprimante par exemple.

Noublions pas le secteur des accessoires automobiles, o lafaible puissance requise rend la technologie inducteur en ferritetrs comptitive.

l La structure bobine est utilise en pratique chaque fois quecelle aimants ne peut ltre. Nous avons vu en [D 3555] quelleoffre la possibilit de fonctionner en survitesse, sur une large plage,ce qui permet de sous-dimensionner le moteur. Son domainedapplication est encore trs large parmi la traction lectrique (loco-motives et voitures) et les asservissements de grande puissance(laminoirs...), mme si elle tend souvent tre remplace par lasolution synchrone (TGV Atlantique...) ou asynchrone (TGV trans-manche).

n La gamme des puissances en moteurs courant continu stenddu dixime de watt une dizaine de mgawatts. Les besoins corres-pondant ces puissances extrmes viennent essentiellement deslaminoirs comme lillustre la figure 2.

Au-del de cette barrire dune dizaine de mgawatts, il faut pas-ser en technologie synchrone.

n Prcisons, enfin, que nous naborderons pas le cas des moteurshomopolaires courant continu, car ils ne sont quasiment utilissque pour les gnratrices trs fort courant (lectrolyse) et quel-ques prsentoirs tournants de vitrine de magasin.

Figure 1 Petit moteur bobin

Rotor Stator bobin Collecteur Balais(induit) (inducteur)

Figure 2 Moteur de 6 MW pour laminoir [doc. Alstom]exploitation du droit de copie est strictement interdite.r, trait Gnie lectrique

2. Construction des induitsdes divers typesde machines

2.1 Introduction

Linduit que nous avons tudi avec le moteur simplifi (en[D 3 555]) est quand mme diffrent de celui des moteurs indus-triels. Deux dispositions des conducteurs coexistent actuellement :

rotor cylindrique (traditionnel en tle feuillete ou bien encloche) ;

rotor discodal (limite en puissance 5 kW).

Nous allons tudier sparment ces deux solutions.

________________________________________________________________________________________________________ MACHINES COURANT CONTINU

2.2 Induit cylindrique

2.2.1 Induit cylindrique plein

La figure 3 montre, titre dexemple, deux induits cylindriques demoteur courant continu, lun est nu, lautre est bobin.

On reconnat, dans le premier (figure 3 a), les encoches avec leurisolant de fond qui recevront le bobinage. Les fils de chacune desbobines lmentaires sont souds sur le collecteur ; elles formentdes chignons (figure 3 b) chaque extrmit du paquet de tles.

Un induit cylindrique comporte en gnral six phases, gure plus.Cette valeur suffit assurer une commutation correcte et limiterlondulation du courant dinduit. Prcisons que cette valeur requiert12 encoches pour un moteur quatre ples.

La structure cylindrique se rencontre dans la plupart des moteurs,car elle optimise lutilisation de lespace ; le cot de lensemble estdonc thoriquement rduit par rapport la structure discodale.

La figure 4 prsente une gamme de servomoteurs de puissancecomprise entre 50 W et 5 kW. Ces servomoteurs sont trs robustes,tanches, et ils permettent des acclrations importantes. Ils tol-rent aussi un surcourant trs important basse vitesse(Imax = 10 In), ce qui les rend trs comptitifs. Ils sont vendus avecdes modules de commande spcifiques, comme ceux reprsents la figure 4.

2.2.2 Induit cylindrique creux (en cloche)

Dans la famille des induits cylindriques, un groupe se distinguepar ses performances en acclration ; il sagit des moteurs induiten cloche sans fer mobile, dont lun deux est montr sur la figure 5.

Une coupe axiale de ce moteur donnerait une structure similaire celle des moteurs cylindriques prcdents. La diffrence princi-pale vient ici de la ralisation du bobinage dinduit (cuivre) sur unsupport spcial (fibre de verre) en cloche, afin de ntre attach quedun seul ct. Le fer qui canalise le flux peut alors tre accroch lautre extrmit, avec linducteur.

Figure 3 Rotors de petits moteurs courant continu

Figure 5 Servomoteur induit en cloche [doc. API Portescap]

Isolementde fond

d'encoche Paquet de tlesArbre

Collecteur

Ttes de chignonCollecteurPalier

a rotor nu

b rotor bobin

Partie fixe de l'induit :

Tles pour le retourdu flux

Inducteur fixe aimantspermanentsBobinage de l'induit

mont en cloche

Partiesferromagntiques fixes

Cuivremobile

Arbre desortie Bobinage

crois BalaisAimants Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique D 3 556 - 3

Nous voyons que seul le cuivre tourne. En liminant ainsi toutesles parties ferromagntiques mobiles, la masse de linduit estrduite, tout comme le moment dinertie du moteur.

Prcisons que les aimants peuvent aussi tre placs lintrieur,ce qui, en augmentant le diamtre de linduit, amliore le couple.

Cette structure autorise des acclrations impressionnantes,comme 50 cycles par seconde du type dmarrage-vitesse maxi-male-arrt complet (obtenu avec un moteur dun watt non charg).Leur trs faible inertie thermique (10 s) associe la fragilit dumontage en cloche les cantonne malheureusement aux petites puis-sances.

La gamme commercialise est dcline en deux modles qui cou-vrent les puissances allant de 0,25 W 260 W.

Prcisons, malgr tout, que les nouvelles machines synchrones brushless ont des performances en acclration qui les rappro-chent de plus en plus de celles des moteurs cloche.

Figure 4 Gamme de servomoteurs de puissance comprise entre 50 W et 5 kW [doc. Parvex]



2.3 Induit discodal

Lautre structure industrielle comporte un disque sans fer au rotor.Les inerties mcaniques et thermiques obtenues sont, comme pourle moteur cloche, trs faibles. Ces moteurs, en utilisant des aimantsde type AlNiCo induction rmanente leve, prsentent un couplemassique trs important et un rendement correct (environ 85 %).

La gamme de puissance part dune cinquantaine de watts pouratteindre 5 kW.

Nous voyons sur la figure 6 que linduit est constitu dun disqueen fibre de verre, recevant des conducteurs sur chacune de sesfaces. Pour les couples levs, plusieurs couches peuvent tre col-les. Les courants radiaux interagissent avec une induction axialepour donner une force motrice tangentielle. Le collecteur est placau centre, les conducteurs sont inclins et passent dune face lautre du disque par lextrieur.

La structure du disque est dtaille sur la figure 7, avec la positioncorrespondante des aimants.

Le principe de bobinage de ce disque reste rigoureusement lemme que celui dun moteur cylindrique, mis part la forme aplatiedu circuit. Chaque conducteur voit de faon alternative un ple Nordpuis un ple Sud, afin que toutes les forces lmentaires saddition-nent. Les flasques latraux servent de culasse de retour du flux et desupport mcanique.

La figure 8 prsente un vrai rotor. Ce moteur possde une trsgrande rgularit de la vitesse de rotation pour deux raisons :

un nombre lev de lames au collecteur (une par conducteur) ; labsence de fer dans linduit (aucun effet dattraction entre

encoches).

Une excellente prcision de positionnement et une excellentecommutation sont donc obtenues. Lusure 4 fois plus faible desbalais ajoute aux qualits prcdentes explique le maintien decette technologie, pourtant dj vieille, mme si son surcourant estlimit par la trs faible inertie du disque (5 In maximum, 1,5 Indurant une minute).

Concluons sur le trs grand intrt de cette version discodale dumoteur courant continu en robotique. Elle devance toutes lesautres technologies, y compris alternatives, pour sa prcision depositionnement. De nombreuses chanes de robots y ont encorerecours.

Figure 6 Servomoteur induit discodal [doc. Parvex]

Rducteur Frein mcanique

Aimants (inducteur) Codeur de position

Disque (induit)

Figure 7 Coupe dun servomoteur induit discodal

Y

Y'

Coupe YY'

X

X'

Coupe XX'

N

S

S

S

N

N

Lamesdu

collecteur

conducteurs retour

Bobinage ondul

6 balais

N

N S

S

Disque induittournant

Plesinducteurs

Culasses de retourde flux

Conducteurscolls sur le disque

conducteurs aller

SS

N

Conducteur retour

Balais

Conducteur allerexploitation du droit de copie est strictement interdite.r, trait Gnie lectrique

2.4 Ralisation dun induit cylindrique

2.4.1 Tles rotoriques

Le circuit magntique de linduit est ralis laide de tles empi-les. Dans les servomoteurs, les pertes fer sont ngligeables devantles pertes Joule ; mais ce rapport devient voisin de lunit, voiresinverse, pour les grandes machines. Les machines aimants nesont en gnral pas ventiles intrieurement, au contraire de leurshomologues stator bobin.

Figure 8 Disque dun servomoteur induit discodal [doc. Parvex]

S

NN


La figure 9 prsente une tle dinduit avec deux variantes denco-ches.

Nous remarquons les trous de ventilation qui permettent derefroidir directement la tle et le cuivre. En labsence de ces orifices,lnergie thermique est vacue travers le stator, via les tles; cestle cas des servomoteurs.

Les encoches ouvertes servent recevoir un bobinage en formede barres rigides prformes qui ne passeraient pas dans les becs.Elles sont donc rserves aux grandes machines.

Les encoches fermes peuvent tre de forme arrondie ourectangulaire ; elles reoivent un ou deux faisceaux de fils.

Les tles sont soit montes directement sur larbre par insertion chaud, soit assembles par queues daronde pour les grandesmachines.

La qualit de la commutation est directement lie la ractancede fuites dinduit qui doit tre la plus faible possible afin dacclrerlinversion du courant dans les sections en commutation. Linduc-tance de fuites dinduit est lie comme suit aux paramtres du

Les fils sont soit bobins directement sur le rotor (petites machi-nes de grande srie), soit prforms en faisceaux qui sont insrspar les becs dencoche (1 ou 2 en gnral par encoche). Laluminiumest peu utilis, car il conduit un surdimensionnement gnral dumoteur. Ses seules raisons dutilisation peuvent tre conomiques(pnurie de cuivre).

La figure 9 montre que les conducteurs sont isols entre eux parun guipage (grandes machines) ou un mail. Les faisceaux de fils oude barres prforms sont isols par rapport la masse et entre euxavec un film enroul. Les classes disolation des moteurs sontregroupes dans le tableau 1.

Nous pouvons noter que, par souci de simplification des proc-ds, beaucoup de petites machines sont systmatiquement isolesen classe H. Les isolations infrieures ne sont proposes quen vuedobtenir une marge de scurit thermique plus importante (dclas-sement en puissance de la machine).

Les conducteurs, une fois mis en place dans le rotor avec leursfilms disolement respectifs, sont placs dans un four de dgazage(avec vide relatif), o ils restent 24 48 heures. La chaleur volatiliseles produits corrosifs (eau, esters) qui pourraient dgrader les iso-lants et elle polymrise les rsines. En gnral, une temprature de60 C est utilise pour un dgazage simple, tandis que 80 C sontncessaires pour la polymrisation. Ce procd est, le plus souvent,acclr pour les petites machines, voire carrment supprim(moteurs 12 V pour automobile). Les grandes machines subissentdabord un dgazage, puis une polymrisation.

Figure 9 Tle rotorique

Bobinageinduit

Trous de ventilation

Arbre

Cale de fondd'encoche

Conducteursen barre

Isolationd'encoche

Isolation de hautd'encoche Voie

d'enroulementsuprieure

Isolationd'encoche

Voied'enroulementinfrieure

Encoche ouverte

Encoche ferme

Tableau 1 Classe disolation des moteurs

Classe disolationTemprature moyenne

admissible(C)

chauffement pourun fluide rfrigrant

40 C(C)

A 100 60

B 120 80

E 110 70

F 140 100

H 165 125Toute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique D 3 556 - 5

moteur : elle augmente si lencoche est ferme ; la prsence daimants linducteur la diminue fortement ; lorsque le stator est bobin, plus lencoche est carre (ou

ronde), plus la ractance dinduit est faible.

Les encoches rotoriques sont souvent inclines dun angle aumoins gal un bec dencoche afin de rduire les pulsations de cou-ple dues aux effets de rluctance (stator/rotor). Avec les encochesouvertes, des cales ferromagntiques peuvent tre utilises pourrduire ces ondulations de couple.

2.4.2 Bobinage

Les conducteurs sont raliss partir de fils ou de barres decuivre.

Nous avons vu que les fils des petites machines sont maills,puis guips avec un film. Ce dernier est souvent en Nomex, mmesi dautres produits de moins bonne qualit sont utiliss. Les gran-des machines sont isoles avec des tissus imprgns de rsineselon des procds complexes comme lIsotnax.

Lorsquon examine les couches successives disolant ncessaires,on comprend pourquoi le coefficient de remplissage de lencochene dpasse gure 60 %, pour tre souvent plus prs de 40 %. Laperte de place due au foisonnement des fils ronds est dj de 22 %au minimum ; en y ajoutant les couches successives disolant, onretrouve un rapport denviron deux entre la section de lencoche etcelle du cuivre brut. Les encoches des petites machines destines lautomobile sont souvent trs mal remplies afin de permettre unbobinage automatique.

2.4.3 Collecteur

Le collecteur est ralis par assemblage de lames isolantes etconductrices (cuivre), o le bobinage est ensuite agraf, soud (parpoints) ou bras. La surface du collecteur est tourne afin dtre bienlisse, puis les cales interlames sont fraises en biais afin daugmen-ter leur tenue en tension.

Nous concluons sur le compromis que le concepteur doit ra-liser entre la puissance de la machine (encoches profondes) etsa commutation dinduit (encoches courtes). Nous ne dtaille-rons pas davantage ce problme difficile.



Il est important de noter que la tension interlames maximale estrelativement faible. Il serait possible de laugmenter, mais le cot dela machine en souffrirait. Les machines de traction ferroviaires nedpassent, par exemple, jamais 1 500 V unitaire. Il en rsulte donc,pour les applications de puissance leve, des intensits de couranttrs fortes, qui expliquent la largeur importante de leurs collecteurs.

La figure 10 montre un collecteur avant soudure. Le nombre delames y semble important, mais, lorsquon le rapporte au nombrede ples, on saperoit quon dpasse rarement le chiffre de sixlames par ple.

La figure 11 prsente un rotor de moteur dun mgawatt, o nousvoyons que la zone active de la machine ne reprsente en ralitque la moiti de la longueur axiale disponible. Cela explique lintrtdes technologies sans balais qui, en reportant la fonction du collec-teur lextrieur du moteur, librent cette place prcieuse.

2.4.4 Balais et leurs supports

Les balais taient, historiquement, raliss en tresses de cuivre,mais le charbon leur a vite t prfr.

Les balais ralisent la fonction importante de transmettre le cou-rant au collecteur. Ils doivent tre choisis en fonction du compromissuivant :

ne pas user le collecteur ; ne pas tre remplacs trop souvent ; ne pas polluer la machine par leurs poussires ; ne pas provoquer trop de chute de tension.

La jonction cuivre-carbone se comporte comme une diode l-mentaire. Il faut donc ajouter, la chute de tension rsistive ducorps du charbon, une tension de seuil qui peut tre trs gnantepour les petits moteurs. Selon la qualit de carbone choisie, ellepeut varier de 0,3 3 V.

Les charbons doivent pouvoir tre changs facilement. Leur sup-port remplit les fonctions suivantes :

pousser le charbon rgulirement pour compenser son usure ; amener le courant dans le charbon ; limiter la course maximale du charbon ; alerter ventuellement lorsque lusure maximale est atteinte.

Prcisons, enfin, que les charbons peuvent tre placs en quin-conce pour viter lapparition de rainures sur le collecteur. Leur cou-ronne doit aussi tre rglable en rotation dans les grandes machinesafin dajuster la commutation.

2.4.5 Frettage des conducteurs et quilibrage

Figure 10 Collecteur avant soudure [doc. Alstom]

Figure 11 Rotor de moteur de 1 MW [doc. Alstom]

Zone active

Frettes

Collecteur

Figure 12 Frettage dun double rotor de locomotive CC6500[doc. Alstom]

Frettesexploitation du droit de copie est strictement interdite.r, trait Gnie lectrique

n Les conducteurs sont fretts leurs extrmits avec un fil deverre pour viter leur expulsion sous leffet de la force centrifuge. Lafigure 12 montre, sur un double rotor de locomotive, la surfacequoccupent ces frettes.

n Le rotor une fois termin doit tre quilibr mcaniquement.Cette opration est trs souvent semi-automatique. Une machineentrane le rotor, puis simmobilise lendroit du balourd en indi-quant sa valeur. Loprateur expriment dpose sur les chignonsun peu de pte qui durcira lors de limprgnation. Pour les grandesmachines, la pte est remplace par des cales rigides loges dansdes trous prexistants, mais le principe reste le mme.

2.5 Bobinage dinduit des moteurs cylindriques

2.5.1 Types de bobinages

Nous avons examin un bobinage trs simplifi la figure 4 delarticle [D 3 555]. Dans la ralit, les bobinages utiliss sont beau-coup plus volus afin dutiliser au mieux les ampres-tours de


linduit. En liminant les enroulements simplifis (une voie parencoche), il est possible de distinguer deux grandes catgories :

dans le premier cas (bobinage imbriqu, figure 13 a), lesconducteurs reviennent en arrire dun ou plusieurs pas dentaires,valeur appele raccourcissement (qui peut aussi tre unallongement) ;

dans le deuxime cas (bobinage ondul, figure 13 b), lesconducteurs continuent vers lavant.

Prcisons que, avec un moteur bipolaire, les deux techniques sontquivalentes. Elles sont prsentes sur la figure 13 , avec deuxvoies denroulement par encoche.

Nous voyons apparatre ici des lignes neutres, qui sparent deszones courant de sens identique. Leur position tant lie celledes balais, elles ne sont places au milieu des ples que si langleinterne de la machine vaut 90.

Le choix entre ces deux techniques est difficile dtaillersimplement ; en gnral, les petites machines sont toutes bobi-

Figure 13 Bobinages imbriqu et ondul

N NS

Lignes neutres

NS S

Pas de connexionraccourcide deux encoches

Pas de connexionraccourcide deux encoches

Stator

RotorVoie suprieure

Voie infrieurePlesinducteurs

bobinage imbriqu

BalaisBalais

a bobinage ondulb

Figure 14 Bobinage imbriqu raccourcissement de deux encoches

Lignes neutres

N NS S S

Balais Collecteur

Stator

RotorVoie suprieure

Voie infrieure

Plesinducteurs

Pas raccourcide deux encoches

N NS S S

Pas raccourci Balais Collecteur

Plesinducteurs Lignes neutresToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique D 3 556 - 7

nage imbriqu, car linduit est dcompos en bobines lmentairesqui comportent chacune beaucoup de spires. Mais lorsque des bar-res sont utilises pour les grandes puissances, londulation est envi-sageable. Prcisons aussi lintrt du raccourcissement, qui estdconomiser le cuivre et damliorer la commutation en rduisantles inductances de fuite.

Les termes imbriqu et ondul peuvent tre respectivement rem-placs par parallle et srie.

Le pas de bobinage peut tre positif ou ngatif.

Des versions imbriqu/ondul existent aussi. Il est intressantdutiliser un nombre impair dencoches par paire de ples.

Le choix entre les diverses combinaisons de bobinage est difficileet ncessiterait des dveloppements trs longs pour optimiser :

la rsistance totale (volume de cuivre, longueur deschignons) ;

la ractance de fuites dinduit ;

le nombre de balais (pas toujours gal au nombre de ples) ;

les connexions entre balais (a priori en parallle, avec respectdes polarits).

2.5.2 Bobinage imbriqu

Examinons sur la figure 14 un bobinage imbriqu complet rac-courcissement de deux encoches. Seule une partie du faisceau estreprsente, car il suffit de reproduire le motif dun ple lidenti-que pour obtenir les ples suivants.

Nous voyons quaucun ampre-tour nest annul par son opposdans une encoche. Nous pouvons comprendre que si linduittourne, alors les courants resteront fixes dans lespace, comme lafigure 3 de larticle [D 3 555] le suggrait.

2.5.3 Bobinage ondul

Examinons maintenant sur la figure 15 un bobinage ondulcomplet raccourcissement de deux encoches. Nous remarquons la

Figure 15 Bobinage ondul raccourcissement de deux encoches

de deux encoches



progression du fil qui doit franchir plusieurs ples pour retrouver unbalai.

2.6 Limite en commutation du collecteur

Le collecteur na pas un comportement indpendant de sa vitessede rotation. En effet, lorsque le rotor tourne vite, les tincelles pro-duites par la commutation entre lames sont entranes mcanique-ment avec des poussires de charbon. Il peut alors se former un arclectrique entre balais conscutifs, qui entrane une destructionimmdiate du collecteur.

Le courant que peut voir linduit dpend donc de la vitesse derotation et de ltat thermique du moteur ; il est impos par :

la temprature maximale du bobinage lie la capitalisationdes pertes Joule et de lnergie thermique vacue par lerefroidissement ;

le courant limite du collecteur (valeur impulsionnelle).

Prcisons aussi que la puissance ou le couple indiqus sur la pla-que de la machine correspondent au rgime nominal et non aurgime impulsionnel.

La figure 16 prsente les courbes relatives un servomoteurayant un couple nominal de 12 N m. Nous reconnaissons, danslordre de puissance croissante :

la limite thermique ;

la limite conseille de commutation (usure des charbons) ;

lenveloppe de commutation maximale ne jamais dpassersous peine de destruction du moteur.

Elle permet datteindre six huit fois le couple nominal bassevitesse ; le surcouple correspondant est tentant, mais il use prma-turment le collecteur.

3. Construction des inducteursdes divers typesde machines

Nous avons vu ( 1) quun inducteur peut tre bobin ou ralisavec des aimants permanents. Dtaillons le calcul de linductiondans lair correspondant ces deux techniques aprs avoir rappelles notions principales concernant les aimants.

3.1 Caractristiques des aimants permanents

Les aimants permanents ont volu, depuis le long barreaudacier martensitique jusquaux terres rares modernes, qui rempla-

Concluons sur linduit des moteurs discodaux qui peut treconsidr comme un bobinage cylindrique aplati la maniredun luminaire de fte en papier. Les variantes que nous venonsde voir lui sont donc entirement applicables. Mais, en pratique,ces disques sont toujours raliss autour dune base ondule,avec deux fois moins de charbons que de ples.

Figure 16 Limite de commutation de servomoteur aimants permanents [source Parvex]

Vitesse maximale

Limite conseillede commutation

Limite absoluede commutation

Limite thermique

Couplemaximal

Zoned'utilisationpermanente

Zone de fonctionnementdynamique

Couple

Vitesse

Tableau 2 Performances des

Type daimant

Inductionrmanente 120

Br(T)

nergie spcifiBHmax(kJ/m3)

Acier martensitique 0,2 1

Ferrite de baryum isotrope 0,4 8

AlNiCo anisotrope orient 1,3 40

SmCo5 1 150

NdFeB 1,1 200exploitation du droit de copie est strictement interdite.r, trait Gnie lectrique

cent dsormais avantageusement les inducteurs dans certainsmoteurs. Un aimant permanent peut tre dfini par :

son induction rmanente Br ; son nergie spcifique BHmax.

principaux types daimants

que Temprature limite dutilisation

(C)Applications principales

tournevis aimant

350 automobile, petits moteurs, haut-parleurs

450 moteurs industriels(en voie de disparition)

250 moteurs industriels, haut-parleurs

200 moteurs industriels


Le premier paramtre donne linduction maximale que peut four-nir laimant, tandis que le deuxime correspond lentrefer quepeut magntiser laimant. Notons que, selon le type de matriau uti-lis, ces paramtres peuvent voluer en fonction de la temprature.

Le tableau 2 regroupe les performances des principaux typesdaimants.

La figure 17 prsente les caractristiques de magntisation(courbes induction magntique B-champ magntique H) desaimants prcdents. Elle met bien en vidence les avantages desdiffrents matriaux. Malheureusement, ces courbes voluent enfonction de la temprature.

Nous remarquons que les aimants peuvent se dmagntiser defaon importante avant davoir atteint la temprature de Curie. Lacourbe de la figure 18 prsente, comme exemple, linfluence de latemprature sur la caractristique du NdFeB. Nous remarquonsgalement la grande sensibilit de lnergie emmagasine vis--visde la temprature. Il convient donc de dterminer prcisment latemprature maximale de fonctionnement de la zone concerne. Lafigure 19 prsente la rponse de la ferrite la temprature.

Nous constatons une rponse diffrente de la ferrite, lorsque latemprature augmente :

son nergie (surface de la courbe) varie peu ; linduction rmanente baisse ; le champ coercitif augmente.

Il en rsulte :

une diminution de linduction utile lorsque la temprature aug-mente, sans risque de dmagntisation ;

une augmentation de linduction utile lorsque la tempraturediminue, avec risque de dmagntisation.

Cela explique pourquoi les ferrites ont la rputation de se dma-gntiser en se refroidissant ! Les autres matriaux voluent de lamme faon que le NdFeB. Le SmCo est, par exemple, moins sensi-ble la temprature que le NdFeB.

3.2 Inducteur aimants permanents

Dans le moteur aimants permanents reprsent sur la figure 20,nous pouvons ngliger la rluctance du fer car sa permabilit ferest trs grande. De la mme faon, nous considrerons que lentre-

Figure 18 Caractristiques de dmagntisation du NdFeB

Figure 19 Allure de la caractristique de dmagntisationdune ferrite

B (T)

H (kA/m) 1 000 800 600 400 200 0

0,1

0,5

1

1,4

40 C

20 C60 C

100 C

140 C

B

Tempratureaugmente

H

Contour (C)m fer infiniToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique D 3 556 - 9

fer est constant, donc que le champ magntique y est homogne.

Linduit ntant pas aliment, appliquons le thorme dAmpreau contour (C), dfini sur la figure 20, attach au circuitmagntique :

soit : 2(H0e + HaimantLaimant) = 0 (1)Figure 17 Caractristiques de magntisation des principaux aimants la temprature ambiante

100 0 200 300 400 500 600

1,4

1

0,5

0,1

NdFeB

SmCo5

Ferrite de ba

ryum

isotrope

H (kA/m)

B(T)

Aciermartensitique

AlNiCoanisotrope

orientFigure 20 Inducteur aimants permanents

N S

AimantInduit

Haimant

H0

HaimantLaimant

Culasse

e

H xd

C( )

nIbobinebobines

=



Les ampres-tours magntisants sont nuls, car il ny a pas debobinage. Le terme Laimant reprsente la longueur moyenne delaimant et e celle de lentrefer.

Cette relation donne directement le champ dentrefer :

(2)

Considrons, titre dexemple, les courbes de dsaimantation temprature ambiante du NdFeB et de lAlNiCo, afin de calculer leslongueurs daimants requises, dans ces deux cas, pour obtenir uneinduction dans lair :

B0 = 0,8 T.

Cette induction requiert le champ magntisant :

.

Les aimants pourront fournir (figure 17) : dans le premier cas :

Haimant = 250 kA/m

dans le second cas :

Haimant = 40 kA/m.

Ces valeurs daimantation nous donnent les rapports suivantsentre les longueurs de laimant et de lair (entrefer) :

pour NdFeB : Laimant/e 2,56 pour AlNiCo : Laimant/e 16

Concluons enfin en disant que les aimants peuvent tre enterrsentre des pices polaires neutres afin daugmenter linduction danslair par concentration magntique. Des inductions dans lentreferde 0,8 T peuvent ainsi tre atteintes avec des ferrites. Cette techni-que rapparat pour les petites puissances, car elle permet de dimi-nuer le cot des aimants.

3.3 Inducteur bobin

n Appliquons le raisonnement prcdent linducteur bobin de lafigure 21, o la permabilit du fer est nouveau suppose infinieet lentrefer constant.

Utilisons encore le thorme dAmpre le long du contour (C) quiparcourt le circuit magntique :

soit : 2H0e = 2nIinducteur (3)

Les ampres-tours magntisants ne sont plus nuls ; ils donnentdirectement le champ dentrefer par la relation :

soit linduction dans lair :

(4)

Le courant magntisant peut tre obtenu directement, en se sou-venant de la rgle simple : il faut 800 A tr pour magntiser 1 mmdair 1 T (formule issue de 1/0 = 800 A tr par millimtre et partesla).

La plupart des inducteurs sont raliss laide de bobines mon-tes sur des pices polaires saillantes, comme le suggre lafigure 21. Mais quelques machines faible polarit ont un enroule-ment inducteur log dans des encoches, comme pour linduit.

n Prcisons enfin que, en gnral, lentrefer nest pas constant ;au contraire, il est plus faible au centre du ple afin de lisser la rpar-tition spatiale du champ dentrefer. La figure 22 reprsente cettedisposition.

Ces chiffres montrent que les aimants actuels du premier typesont trs fins ; ils acceptent des entrefers pais et des ractionsdinduit trs grandes. En revanche, les autres sont dix fois pluspais.

Mais il faut pondrer ces conclusions par la remarquesuivante : des entrefers de quelques millimtres ne conduisentmalgr tout qu des longueurs daimant de quelques centim-tres !

Rappelons quil faut aussi sassurer que la qualit daimantemploye nest pas trop sensible la temprature afin de garan-tir une magntisation correcte dans toutes les conditions dutili-sation.

H0 Haimant Laimant

e----------------------------------------=

H0B0m 0

------ 640 kA/m= =

H xd

C( )

n Ibobinebobines

=

Figure 21 Inducteur bobin

H0

Contour (C)Culasse

e

m fer infini

Induit

N S

N, S ples Nord et Sud

H0n Iinducteur

e----------------------------=

B0 m 0 n Iinducteur

e----------------------------=exploitation du droit de copie est strictement interdite.r, trait Gnie lectrique

En adoucissant le saut dinduction au passage des cornes polai-res, les pertes fer diminuent et la commutation est amliore. Cescaractristiques sont primordiales dans les machines de grandepuissance.

Figure 22 Entrefer modul

00

e constant

e variable

induit

q

q

p

H0


4. Ples auxiliaires

Deux types de ples auxiliaires existent dans les machines cou-rant continu, les ples de commutation et ceux de compensation deraction dinduit. Ces techniques qui ne sont pas utilises dans lesmoteurs aimants et de petite puissance apparaissent en revanchedans la plupart des machines de calibre suprieur 10 kW. Nous nenous intresserons pas leur calcul trop dlicat ; aussi nous conten-terons-nous de dcrire leur influence.

4.1 Raction transversale dinduit

Il est possible de dmontrer que la raction transversale dinduitest trs faible dans les moteurs aimants permanents. En effet, lapermabilit incrmentale des aimants tant voisine de celle de lair,ce type de moteur a un entrefer quivalent important.

Ce paragraphe ne concerne donc que les structures inducteurbobin.

4.1.1 Description du phnomne

Nous allons voir que, lorsque le rotor (induit) est aliment, il inter-fre avec linducteur en le dmagntisant. Ce phnomne appelraction transversale dinduit est invitable, car il est la source dela gnration du couple dans les moteurs aliments au rotor et austator. Il apparat dans toutes les autres machines lectriques. Lamachine collecteur prsente lavantage sur ses concurrentesdautoriser une compensation exacte de cette raction et de gagneren consquence beaucoup de couple.

n La figure 23 explique le mcanisme de la raction dinduit enprsentant le mme moteur avec son induit puis son inducteur suc-cessivement aliments.

l Dans le premier cas, induit seul (figure 23 a), un flux centr surlaxe neutre de linduit est gnr. Il affecte de faon oppose lesconducteurs de mme signe, si bien quil ne cre pas de couplemoteur. Ce rsultat est important en lectrotechnique : un seul sys-tme denroulements (stator ou rotor) ne peut crer de couplemoteur sans effet de rluctance.

Figure 23 Mcanisme de la raction transversale dinduit

Fluxinducteur

Flux

induit seul

Zones satures Zones dmagntises

a

inducteur seulb

raction transversale d'induitc

induitToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique D 3 556 - 11

l Dans le second cas, inducteur seul (figure 23 b), nous retrou-vons le flux inducteur normal.

l Enfin, lorsque les deux bobinages sont aliments (figure 23 c),la composition des deux flux provoque une dformation du fluxinducteur par celui de linduit.

Cette raction sexplique aussi par la deuxime quation deMaxwell :

rot(H) = - J,

qui se traduit par le fait que les lignes dinduction senroulent autourdes courants quelles rencontrent ; cest ce que nous observons ici.

n Ce phnomne de raction magntique dinduit nest en thoriepas gnant, car la perte de flux dans les zones dmagntisesdevrait tre compense par un gain ailleurs. Mais, en ralit, la satu-ration des deux cornes polaires induit une diminution du flux total.Nous voyons mieux sur la figure 24 linfluence de la saturationsur le flux total inducteur.

Le cercle suprieur met en vidence la saturation de la moiti descornes polaires.

Les deux courbes en trait pais donnent linduction relle, tandisque celle en trait fin montre linduction thorique sans saturation. Figure 24 Raction transversale dinduit

Inducteur

Induit

N

Saturationde la corne

polaireInversion

localede l'induction

Culasse statorique

Iinduit = 0

Iinduit > 0



La courbe en tiret montre linversion de linduction (cercle inf-rieur) qui serait obtenue si les ampres-tours de linduit devenaientsuprieurs ceux de linducteur.

n Nous comprenons que cette analyse nous place dans le cas,gnral en lectrotechnique, o la machine se dmagntiselorsquelle est charge, moins que des artifices de compensation(ples auxiliaires) ny soient intgrs. La force lectromotrice dumoteur chute, tout comme la tension dune batterie de voiture lors-que son dmarreur est actionn. Il y a l une limite thorique et nonthermique au couple gnr.

Prcisons aussi que linducteur doit forcment prsenter plusdampres-tours que linduit, sinon linduction dans les cornespolaires dmagntises change de signe. Il est donc totalement fauxdattribuer au moteur courant continu un handicap thorique surla prsence de pertes au rotor. Au contraire, linducteur schauffebeaucoup plus que linduit !

Concluons sur une erreur ne pas commettre : il est inutile daug-menter la taille de lentrefer en vue de rduire la raction dinduit. Eneffet, cet accroissement demanderait la mme augmentation desampres-tours magntisants et des pertes Joule correspondantes. Ilest possible de dmontrer que, en pratique un moteur est toujoursconu sa limite conomique de refroidissement, impose par latechnologie choisie. Par consquent, la marge de manuvre corres-pondante est rduite.

4.1.2 Enroulements de compensation de raction dinduit

Le moyen le plus simple pour compenser la raction dinduit estdopposer chaque courant dinduit un courant de signe contraireafin dannuler son action.

La figure 25 dcrit ce dispositif. Des encoches sont pratiquesdans linducteur afin de recevoir un enroulement auxiliaire symtri-que de linduit. Il contient autant de conducteurs que la partie activede linduit (zone face lentrefer). La zone proche des balais est inac-tive, car le flux mis par ses conducteurs concerne lair. Cet enroule-ment est plac lectriquement en srie avec linduit afin de garantirlgalit des courants.

Ainsi, tous les ampres-tours mis par le rotor sont annuls. Leflux inducteur nest plus dform et les cornes polaires ne se satu-rent plus. La force lectromotrice du moteur devient alors cons-tante, quel que soit le couple fourni. Ce dispositif amlioreconsidrablement les performances de la machine, mme sil dou-ble les pertes Joule dinduit. Le moteur courant continu compensse comporte presque comme une machine idale, o deux bobinesen quadrature sattirent sans se perturber.

Il y a malgr tout des limites la compensation, dues au fait queles conducteurs de linduit sont mobiles, tandis que ceux de lenrou-lement de compensation sont fixes. Des saturations locales se pro-duisent donc, qui ne permettent pas daccepter un courant dinduitinfini !

4.2 Ples daide la commutation

Reprenons en [D 3 555, Figure 6] et la figure 14 ( 2.5). Nousnotons que, lorsquune bobine lmentaire quitte un balai, elle estplace en court-circuit, alors que le courant dans ses conducteursdoit changer brutalement de sens. En labsence de ple daide lacommutation, le flux mis concerne lair. Linductance correspon-dante est faible, mais suffisante pour engendrer des problmes.

Ce phnomne mal matris provoque des tincelles qui transfor-ment rapidement le moteur en lance-flammes ! Ds que la puis-sance nominale dpasse quelques kilowatts, des ples daide la

commutation deviennent donc indispensables. La figure 26 pr-sente les conducteurs en commutation.

Le ple daide la commutation est trs court angulairement et

Figure 25 Enroulements de compensation de la raction transversale dinduit

Figure 26 Principe de laide la commutation

Enroulement de compensationde la raction d'induit

Annulationdes ampres-tours

de l'induit

Conducteurs fixes Conducteurs mobiles

W

Ple d'aide la commutation

Hexploitation du droit de copie est strictement interdite.r, trait Gnie lectrique

comporte gnralement peu de spires, comme le reprsente lafigure 27. Il est connect en srie avec linduit et se comportecomme un inducteur local. Lorsque le conducteur passe devant lui,il reoit une force lectromotrice proportionnelle sa vitesse v et auchamp H coup (loi de Lenz), qui acclre la variation du courant enlui permettant de sinverser.

Nous voyons, sur la figure 28 les trois cas possibles : la commutation est bien rgle, la variation linaire du courant

limine quasiment toute tincelle ; la commutation est mal rgle, le courant varie trop vite (ou

trop lentement) ; il ny a pas de ple daide, le courant est forc par la mise en

contact de la lame suivante atteindre sa valeur finale ngative.

Dans ces deux derniers cas, une tincelle apparat.

Concluons en prcisant que la connexion lectrique du pledaide la commutation avec linduit fait que linduction quil crerend son action proportionnelle au courant commuter. Cest exac-tement leffet recherch : en labsence de saturation excessive, lacommutation est correcte dans toute la plage de fonctionnement :

en mode moteur ; en mode gnrateur ; en marche avant ou arrire.


La zone de fonctionnement correcte sappelle zone noire. 5. lments divers

5.1 Connexion lectrique globaledu moteur

La figure 29 reprsente un plan de tle dune machine courantcontinu de 100 kW o on retrouve tous les bobinages dcrits prc-demment.

Les ples auxiliaires daide la commutation et de compensationde raction dinduit sont connects en srie avec linduit ( 4) afin degarantir lgalit du champ quils crent avec le phnomne quilscompensent. Nous reconnaissons, sur le stator de la figure 30, lesdiffrents lments cits.

Les connexions lectriques doivent respecter le schma de bran-chement de la figure 31. Les combinaisons de branchement relati-ves de linducteur et de linduit sont dtailles dans larticle[D 3 555].

5.2 Inclinaison des balais

Lutilisation des ples daide la commutation dans les moteursde petite puissance stator bobin coterait trop cher. Les construc-teurs rglent donc leur fonctionnement en inclinant les balais parrapport la ligne neutre.

La figure 32 met en vidence linfluence de cette inclinaison desbalais : un champ perpendiculaire la ligne neutre est gnr parlinduit. Il sadditionne ou se soustrait au champ inducteur, donnantun rsultat identique celui obtenu avec un ple de compensationde raction dinduit.

Figure 27 Ple daide la commutation (source Alstom)

f..m.


Culassestatorique

Bobinageinducteur


Ple de compensationde raction d'induitToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique D 3 556 - 13

Figure 28 Principe de la commutation assiste

Induit

Commutationmal rgle

Commutationbien rgle

Commutationsans ple d'aide

t

i

v

H

induite

Figure 29 Plan de tle dun moteur de 100 kW

Bobinageinduit

Trous de ventilation



Cette inclinaison des balais rapproche les conducteurs en com-mutation des cornes polaires. Ils sont donc influencs par un champmagntique de fuite qui peut favoriser la commutation, comme unple auxiliaire daide prcdent.

Si cette technique permet de rgler correctement une commuta-tion et de compenser la raction dinduit, elle nest malheureuse-ment valable que pour un seul quadrant de fonctionnement et dansune plage de vitesse limite. Lorsque le sens de rotation ou le signedu couple change, les effets de linclinaison deviennent opposs.Par consquent, on ne rencontre des balais inclins que sur lesmoteurs universels (excitation srie) o ils sont indispensables. Cesderniers ne fonctionnant quen mode moteur, avec un sens de rota-tion unique et une faible variation de leur vitesse, leur commutationne se drgle pas.

5.3 Refroidissement des machines

Les machines courant continu sont presque exclusivementrefroidies lair, leau tant limine cause des risques de dtrio-ration des zones nues en cuivre. De mme, lhydrogne nest pasutilisable en raison des tincelles du collecteur.

Le refroidissement peut tre de type simple flux ou double flux.

Dans le premier cas, illustr par la figure 33, lair est filtr puissouffl directement dans le moteur. Les locomotives aspirent parexemple lair au niveau du toit o il est plus propre, pour le laissersortir vers le boggie. Les particules ne peuvent donc pas rentrer parles oues de ventilation des moteurs.

Dans le second cas, un premier circuit ferm entrane lair au seinde la machine, tandis quun changeur refroidit ce fluide primaireavec lair ambiant (ou un autre fluide). Lintrieur de la machinentant pas accessible aux poussires extrieures, le moteur peutfonctionner dans des ambiances pollues (cimenteries).

Figure 30 Stator de moteur hexapolaire (source Alstom)

Figure 31 Connexions des ples principaux et auxiliaires

Figure 32 Inclinaison des balais

Culasse statorique

Ple inducteur Encoches pourples de compensation

Ples d'aide la commutation

Inducteur


Ple de compensationde raction d'induit

Induit

Champ inducteurd l'inclinaison des balais

Hinducteur

Hinduit

W

Arrive d'air fraispris sur le toitexploitation du droit de copie est strictement interdite.r, trait Gnie lectrique

Figure 33 Refroidissement direct dans un boggie de locomotive CC21000

Sortie d'air chaud


5.4 Rvisions et entretien priodiquedes machines

Les machines courant continu ont toujours prsent linconv-nient de ncessiter une maintenance priodique toutes les deuxmille cinq mille heures. Imaginons, sur le parc de machines duneusine de production, le cot dune telle opration qui bloquera touteactivit une fois par an. La dure annuelle de fonctionnement dunemachine sera, par exemple :

pour un usage journalier dune machine-outil :10 heures x 6 jours x 52 semaines = 3 120 heures ;

pour un usage continu dun moteur :24 heures x 365 jours = 8 760 heures.

Un quipement fonctionnant en service continu doit donc trervis deux ou trois fois par an, tandis quune machine conduite parun oprateur en quipe simple peut se contenter dune rvisionannuelle incluse dans les oprations normales de nettoyage.

Les moteurs de traction de voiture lectrique sont visits pourdpoussirage tous les 10 000 km, soit toutes les 150 h. Les servo-moteurs ne ncessitent gnralement quun simple changement debalais ; ils ne sont ouverts quen cas de casse ou tous les dix ans.Les machines plus grandes sont en revanche soumises un entre-tien plus svre :

dpoussirage complet pour liminer le charbon (risquesdincendie) ;

changement des charbons et usinage du collecteur ; graissage ; nettoyage des filtres air.

Lorsque la machine le ncessite on peut procder aux oprationssuivantes :

changement du collecteur ; rebobinage complet pour augmenter la puissance si la techno-

logie des isolants a volu.

La prsence de zones de cuivre nues rend le moteur courantcontinu particulirement sensible loxydation. Il supporte mal lestockage prolong en extrieur, ce qui est le cas des locomotiveslectriques, que les conducteurs doivent mettre en marche tous lesjours afin den chasser la condensation. Dans les pays froids, ils lais-sent mme les motrices sous tension en permanence afin den li-miner la glace.

sant daugmenter linduction pour amliorer le rendement. Enpratique, lexprience du constructeur la conduit slectionnerpour chaque application (couple, vitesse, type de rgime) une car-casse et des rgles de choix de lentrefer.

Considrons maintenant que linducteur gnre dans lentreferune induction B0 indpendante de la charge dinduit. Nous rame-nons le dimensionnement celui dun rotor de diamtre extrieurdonn Dr et de longueur utile Lr (longueur du paquet de tles horsfrettes) et de polarit 2p (p tant le nombre de paires de ples). Lesdimensions extrieures de la machine dpendent de la technologieutilise pour linducteur (bobin, encoch ou aimants).

La figure 34 prsente une portion dun rotor comportant Nreencoches, de profondeur Hre, rparties rgulirement sa priph-rie. Elles sont traverses chacune par nI ampre-tours.

En utilisant le modle de Laplace qui a servi la modlisation dumoteur [D 3 555], nous pouvons dfinir la densit de courant lini-que A (en A tr/m) ramene la priphrie du rotor :

A = NrenI /p Dr (5)

elle est suppose constante et homogne le long de chaque ple.

La figure 35 prsente un schma simplifi de ralisation delinduit dun moteur courant continu.

Nous pouvons considrer que la hauteur des encoches augmenteavec le diamtre rotorique, pour des proportions gomtriquesimposes par la commutation. Cela implique que, pour une densitde courant dans le cuivre et un coefficient de foisonnement donns(imposs par le choix dune technologie de refroidissement), cettedensit linique de courant est proportionnelle au diamtre Dr :

A = Dr

o est une constante de proportionnalit ;

Stator

Rotor

B0

nIToute reproduction sans autorisation du Centre franais dexploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de lIngnieur, trait Gnie lectrique D 3 556 - 15

5.5 Dimensionnement gnraldune machine courant continu

Nous avons vu quun moteur courant continu comporte uninduit encoch et un inducteur bobin ou aimants permanents.

Les rgles de calcul de linducteur ayant t donnes ( 3), ledimensionnement dune machine courant continu peut se rsu-mer :

dfinition de la structure (aimants, bobinage, ples saillants ounon) ;

choix de lentrefer le plus grand possible en fonction des pos-sibilits thermiques de la carcasse :

dfini pour une induction dans lair voisine dun tesla (dpendde la technologie),

du rgime de la machine (fonctionnement impulsionnel oucontinu).

Il est utile de prciser quun grand entrefer : limite les pulsations de couple ; autorise des surcouples importants.

Si lentrefer est trop grand, linduction doit baisser, car les amp-res-tours requis ne peuvent pas tre fournis. Il est toutefois intres-

Figure 34 Portion de rotor encoch

Figure 35 Schma simplifi de ralisation de linduit

Induit

Culasse

Frettes

Zone activ

e

B0Dr

Angled'ouverture

nIp ampres-tourssous un ple

L r



La somme des ampres-tours vus par un ple vaut :

o = Lu/( p Dr) reprsente la longueur utile relative dun ple (Lu estla longueur utile dun ple).

La force quivalente de Laplace exerce sous ce ple sexprimealors par :

Pour le moteur complet, nous obtenons un couple total :

.

Le couple que peut fournir une machine pour une technologiedonne est donc proportionnel la grandeur , indpendam-ment de sa polarit.

La puissance tant lie la vitesse, nous comprenons quunmoteur rapide est mieux optimis quun autre lent.

Ces relations expliquent le choix dun grand diamtre pour lesmachines lentes (souvent grand nombre de ples), qui permet decompenser la chute de puissance consquente leur lenteur.Concluons malgr tout que ces dmonstrations sont pondrer pardes donnes de second ordre telles que limportance relative deschignons, mme si elles ne modifient pas les conclusions nonces.

Il est possible den valider le principe en comparant les couplesmassiques dune srie de machine chez un constructeur.

6. Conclusion

Nous avons tudi dans cet article la constitution physique l-mentaire de linduit, puis de linducteur des moteurs courantcontinu. Les diffrents aspects constructifs ont t abords au fil delexpos en sintressant la fois aux grandes machines et aux ser-vomoteurs. Ces deux articles [D 3 555] et [D 3 556] forment une suitelogique qui aborde compltement le thme de la machine courantcontinu. La bibliographie permettra de dcouvrir dautres aspectsde ce thme.

Les technologies ont beaucoup volu depuis linvention de cetype de machine. Les utilisateurs disposent maintenant de moteursrobustes et performants, qui ne ncessitent quun entretien rduit.Mme si cette technologie est concurrence par les versions sansbalais, elle nest pas prte de disparatre. En applications daccessoi-res pour lautomobile, elle reste indispensable pour des raisons decot. En revanche dans le domaine de la robotique, elle sera de plusen plus obsolte pour les couples suprieurs 10 N m. Les autresapplications, comme la traction, suivent aussi la mme tendance,avec des niches dapplication persistantes. On pourrait pourconclure dire de faon simpliste que machine collecteur est syno-nyme dapplication faible cot, mais lexemple du moteur disque,indispensable en robotique, vient pondrer cette allgation facile.

n IpADr p b

2p------------------=

Fp nIp B0 Lr a b Dr2 p B0 Lr

2 p------------------------------------==

C 2 p Fp Dr a b p B0 Lr Dr3==

Lr Dr3exploitation du droit de copie est strictement interdite.r, trait Gnie lectrique

Machines courant continu1. Gnralits2. Construction des induits des divers types de machines2.1 Introduction2.2 Induit cylindrique2.2.1 Induit cylindrique plein2.2.2 Induit cylindrique creux (en cloche)

2.3 Induit discodal2.4 Ralisation dun induit cylindrique2.4.1 Tles rotoriques2.4.2 Bobinage2.4.3 Collecteur2.4.4 Balais et leurs supports2.4.5 Frettage des conducteurs et quilibrage

2.5 Bobinage dinduit des moteurs cylindriques2.5.1 Types de bobinages2.5.2 Bobinage imbriqu2.5.3 Bobinage ondul

2.6 Limite en commutation du collecteur

3. Construction des inducteurs des divers types de machines3.1 Caractristiques des aimants permanents3.2 Inducteur aimants permanents3.3 Inducteur bobin

4. Ples auxiliaires4.1 Raction transversale dinduit4.1.1 Description du phnomne4.1.2 Enroulements de compensation de raction dinduit

4.2 Ples daide la commutation

5. lments divers5.1 Connexion lectrique globale du moteur5.2 Inclinaison des balais5.3 Refroidissement des machines5.4 Rvisions et entretien priodique des machines5.5 Dimensionnement gnral dune machine courant continu

6. Conclusion

Documents

machines a courant continu - Construction