Le fonctionnement du moteur à courant continu

Le moteur à courant continu

Le moteur à courant continu est une machine qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique, principalement par un mouvement de rotation. Il y a aujourd'hui de nouvelles applications avec des moteurs électriques qui produisent un mouvement de rotation mais qui, avec quelques modifications, exercent une traction sur un rail. Ces moteurs sont connus sous le nom de moteurs linéaires.

Cette machine à courant continu (DC) est l'une des plus polyvalentes de l'industrie. Sa facilité de contrôle de la position, de l'arrêt et de la vitesse en a fait l'une des meilleures options pour les applications de contrôle et d'automatisation des processus. Cependant, avec l'avènement de l'électronique de puissance, son utilisation a fortement diminué au profit des moteurs à courant alternatif (AC) de type asynchrone, qui peuvent désormais être contrôlés de manière plus abordable pour le consommateur industriel moyen. Malgré cela, les moteurs à courant continu sont encore utilisés dans de nombreuses applications de puissance (trains et tramways) et de précision (machines-outils, micromoteurs, etc.).

La principale caractéristique du moteur DC est sa capacité à réguler la vitesse de vide à pleine charge.

Son principal inconvénient réside dans son entretien, souvent coûteux et laborieux.

Une machine à courant continu (générateur ou moteur) est principalement composée de deux parties :

• Le stator : il sert de support mécanique et possède un évidement central de forme généralement cylindrique. On y trouve les pôles du stator, qui peuvent être des aimants permanents ou des enroulements de fil de cuivre avec un noyau de fer.
• Le rotor : généralement de forme cylindrique, il comporte également un enroulement et un noyau. Le courant y est acheminé par deux balais.

Certains moteurs à courant continu sont également construits avec des aimants permanents au rotor pour des applications spéciales.

Principe de fonctionnement

Le fonctionnement d'un moteur à courant continu élémentaire peut être décrit avec deux pôles et deux bobines minces sur le rotor. Le moteur est représenté dans trois positions avec un décalage de 90° du rotor l'une par rapport à l'autre :

• 1, 2 : Balais ;
• A, B : Lames du collecteur ;
• a, b : Côtés de la bobine respectivement reliés aux lames A et B.

Loi de Lorentz et force électromagnétique

Selon la loi de Lorentz, lorsqu'un conducteur parcouru par un courant électrique est immergé dans un champ magnétique, ce conducteur subit une force perpendiculaire au plan formé par le champ magnétique et le courant. En suivant la règle de la main droite, le module de cette force est :

• F : Force en Newtons
• I : Intensité traversant le conducteur en Ampères
• L : Longueur du conducteur en mètres
• B : Intensité du champ magnétique ou densité de flux en Tesla

Le rotor possède plusieurs conducteurs répartis autour de sa périphérie. Lors de la rotation, le courant est activé dans l'enroulement approprié. Normalement, un courant est appliqué de manière opposée à l'extrémité inverse du rotor pour compenser la force nette et augmenter le couple.

Force électromotrice induite dans un moteur

C'est la tension qui se crée dans les conducteurs d'un moteur suite à la coupure des lignes de force magnétique, un effet similaire à celui d'un générateur. La polarité de cette tension induite s'oppose à la tension appliquée aux bornes du moteur. On l'appelle force contre-électromotrice (FCEM).

Les pointes d'intensité d'un moteur au démarrage sont dues à l'absence de FCEM à l'arrêt ; l'enroulement se comporte alors comme une résistance pure dans le circuit.

Nombre de balais

Les balais court-circuitent les bobines situées dans la zone neutre. Si la machine possède deux pôles, elle dispose également de deux zones neutres. En conséquence, le nombre total de balais doit être égal au nombre de pôles de la machine. Quant à leur position, elle doit coïncider avec les lignes neutres des pôles.

Sens de rotation

Le sens de rotation d'un moteur à courant continu dépend du sens relatif des courants circulant dans les bobinages de l'inducteur et de l'induit. L'inversion du sens de rotation est obtenue en inversant soit le sens du champ magnétique, soit le sens du courant dans l'induit.

Si vous changez la polarité sur les deux enroulements simultanément, l'arbre du moteur continuera de tourner dans la même direction. Les changements de polarité des enroulements (inducteur et induit) sont gérés dans la boîte à bornes de la machine.

Le sens de rotation peut être déterminé par la règle de la main droite : le pouce représente le sens du courant, l'index pointe dans la direction du flux du champ magnétique, et le majeur indique la direction de la force résultante, et donc le sens de rotation.

Réversibilité des machines

Les moteurs et les générateurs à courant continu sont essentiellement constitués des mêmes éléments, ne différant que par leur utilisation. La réversibilité signifie que si le rotor est entraîné mécaniquement, l'enroulement produit une force électromotrice induite qui peut être transformée en énergie électrique pour un circuit de charge.

À l'inverse, si l'on applique une tension à l'enroulement d'induit via les lames du collecteur, la machine se comporte comme un moteur capable de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique. Dans les deux cas, l'induit est soumis à l'action du champ de l'excitatrice principale.