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18 mars 2013
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Moteurs à courant continu

généralités  
couple  
relations comparatives les 2 cas de figure moteur ou dynamo
caractéristiques du moteur  
moteur série universel?
moteur shunt un autre emploi
rendement qu'est-ce qui le limite
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généralités
Comme toute machine électromagnétique la machine à courant continu est réversible, si on alimente l'induit d'une dynamo excitée par une source séparée que se passe-t-il? Chaque brin actif placé dans un champ et parcouru par un courant va donc être soumis à une force électromagnétique dont le sens est donné par la règle des 3 doigts de la main droite. Les composantes tangentielles de toutes ces forces produisent un couple qui détermine la rotation de l'induit. Cette machine qui reçoit de l'énergie électrique et produit de l'énergie mécanique est un moteur de puissance P = C.

Couple
Remarquons que le sens des forces, donc du couple moteur dépend du sens relatif du flux inducteur et du courant dans l'induit (si l'on inverse les deux le moteur tourne dans le même sens), en conséquence, alors qu'en dynamo une machine n'a qu'un seul sens de marche, en moteur les deux sont permis.

La réaction d'induit mise en évidence en génératrice sera semblable en fonctionnement moteur et de même conduira à une diminution de flux. Dès lors, si Ev est la fem aux bornes du moteur à vide et Ech celle en charge Ech = Ev - e (avec le même e à I identique en fonctionnement moteur ou générateur).

Si Ia est le courant d'induit le couple électromagnétique Ce correspond à la puissance EIa passée de la forme mécanique à électrique dans la dynamo et de la forme électrique à mécanique dans le moteur.

Le couple moteur est obtenu en faisant le bilan des puissances



avec Ia courant dans l'induit, I courant total absorbé.

Dans un moteur un brin actif est parcouru par Ia/2a (2a nombre de voies d'enroulement), lors d'un tour complet il coupe le flux (par pôle) 2p fois et effectue alors un travail , s'il y a n brins on aura donc nW et le couple (travail/radian) sera ce qui se simplifie si p = a

Ce couple électromagnétique est supérieur au couple utile Ce = Cu + Cp (couple de pertes fer et mécaniques)

relations comparatives
  dynamo moteur
fem à vide id.
fem en charge
réaction magnétique id.
vitesse N id.
couple électro-magnétique
caractéristiques du moteur
Ce sont des courbes traduisant les relations entre différentes variables d'exploitation U, I, N et J (excitation). On admettra U contante on aura alors :
N = f(I) à J donné

J = f(I) à N donné

N = f(J) à I donné
Si l'on tient compte du couple, on aura aussi
N(I) à C constant caractéristique de vitesse

C(I) à N constant caractéristique de couple

C(N) à I constant caractéristique mécanique

donc tout un ensemble de familles de courbes

moteur série

Il tourne toujours dans le même sens quel que soit le sens du courant fourni (sens inverse du générateur) car si on change le sens du courant d'alimentation puisqu'induit et inducteur sont en série, dans l'induit cela revient à inverser le courant et l'induction et donc à conserver le sens de la force. Si l'on veut changer le sens de rotation il faut intervertir l'une des connexions (induit ou inducteur mais pas les deux). Le courant dans l'induit est donné par

Si le moteur ne tourne pas E = 0 et Ia peut atteindre des valeurs dangereuses, on ne connectera donc pas directement U à un moteur arrêté mais on passera par un rhéostat de démarrage destiné à diminuer I au démarrage qui est cependant supérieur au courant de régime. Aussi le flux de démarrage est > n et le couple proportionnel à I est donc supérieur au couple normal.

notons que ces moteurs peuvent être alimentés en courant alternatif puisqu'ils ne changent pas de sens de rotation : on parle alors de moteur universel.

moteur shunt
Le sens de rotation est indépendant de la fem appliquée, mais ici le sens de rotation est identique en générateur et en moteur. C'est intéressant par exemple d'utiliser une dynamo pour entrainer un moteur à explosion au démarrage, lequel l'entrainera ensuite en rechargeant la batterie.

Notons que ce moteur ne s'emballe pas à vide car lorsque la vitesse augmente il arrive un moment où E = U pratiquement, mais cela correspond à la valeur normale de I dans l'inducteur (puisque I est indépendant de la vitesse du moteur).

En charge le courant d'induit augmente d'autant que l'effort mécanique demandé est grand et E devient plus faible, mais cependant voisine de Evide et comme ne varie pas, la vitesse varie elle aussi très peu (5% max) ce qui est intéressant pour l'entraînement des machines-outils.

avec ch = v ici

La vitesse étant fixée par un rhéostat en série avec l'inducteur permettra sa variation.
rendement
Pour une dynamo motrice ou génératrice le rendement est défini par le rapport h = Pe/Pm (générateur) et h = Pm/Pe (moteur). Comme ces deux rendements sont inférieurs à 1 la dynamo n'est pas exactement une machine réversible. En conséquence le rendement d'un moteur à courant continu sera en moyenne de l'ordre de 93%. Il sera d'autant meilleur que la puissance sera élevée et bien sûr inférieur pour des "petites " dynamos (< 100kW!).

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