LES MOTEURS

LES MOTEURS
Les moteurs électriques sont des actionneurs chargés de transformer l'énergie électrique en
énergie mécanique de rotation.
Energie électrique
Le mouvement de rotation à l'intérieur d'un moteur
est engendré grâce à des phénomènes magnétiques.
Plusieurs types de moteurs existent. Chacun ayant des
caractéristiques qui lui sont propres :
o
o
o
o
les moteurs à courant continu,
les moteurs asynchrones pour courant alternatif triphasé ou monophasé,
les moteurs synchrones pour courant alternatif
les moteurs pas à pas
Moteur asynchrone
1- Présentation
Le moteur asynchrone est alimenté par une tension alternative
monophasée ou triphasée.
u(V)
O f----t--+-~-f-----t--+-~-----,t?>
t (s)
Les centrales électriques produisent et
distribuent l'énergie par un réseau
triphasé.
La consommation industrielle se
fait en triphasé alors que la
consommation des ménages est en
monophasé.
La fréquence de l'alimentation
définira la vitesse de rotation du
moteur.
Que ce soif en monophasé ou en
triphasé, le principe de fonction·
nement du moteur reste le même.
2- Principe de fonctionnement
Le fonctionnement du moteur asynchrone est basé sur le phénomène d'aHraction 1
répulsion qu'opèrent entre eux deux aimants. (Pour plus d'informations, consulter les fiches
sur le magnétisme).
Une bobine alimentée par une tension alternative crée un champ magnétique dont le sens
et l'intensité dépendent du sens du courant et de son intensité.
La présence de la bobine provoque un déphasage d'l/4 de période entre le courant et la
tension (le courant est en retard par rapport à la tension) : le champ est maximal quand
l'intensité du courant est maximale (ce qui correspond à une tension nulle).
__
...___..
,..._
Evolution du
champ magnétique
3- Vitesse de synchonisme et moteur asynchrone
Si on place plusieurs bobines autour d'un rotor métallique
et que ces bobines créent chacune un champ magnétique
déphasé l'un par rapport à l'autre, le champ résultant est
animé d'un mouvement de rotation.
La vitesse de rotation du champ magnétique est appelée
vitesse de synchronisme. Le rotor cherche en permanence à
s'aligner avec le champ magnétique mais est toujours
légèrement en retard. Le rotor ne tourne pas exactement à
la vitesse de synchronisme : le moteur est asynchrone.
s P.
-.
=·
:::::
="
4- Les deux types de moteurs asynchrones
Selon le réseau de distribution électrique el l'usage que l'on souhaite en faire, on utilisera un
moteur asynchrone monophasé ou triphasé.
Moteur asynchrone monophasé
1· Introduction
Les moteurs monophasés se rencontrent principalement dans des
applications et installations domestiques et tertiaires qui ne
disposent pas d'un réseau de distribution triphasé (appareils
électroménagers, tondeuses, ventilateurs..•)
En comparaison avec les moteurs triphasés, à puissance égale, les
moteurs monophasés sont plus volumineux et plus onéreux. Ils
développent une puissance plus faible (5 kW maximum) et ont un
facteur de puissance plus défavorable.
Photo : Knopp·France
2· Principe de fonctionnement
Comme tout moteur, le moteur monophasé est constitué d'un stator et d'un rotor animé en
rotation par un champ magnétique tournant. Cependant, la rotation du champ magnétique
doit être ici provoquée par un dispositif annexe (d. pages suivantes).
3· Créer un champ magnétique tournant en monophasé
Le champ magnétique créé par l'alimentation monophasée dans un seul enroulement
statorique a une amplitude qui varie mais il ne tourne pas et la rotation du rotor placé
dedans ne pourra pas démarret
Deux méthodes principales sont utilisées:
D utilisation d'une spire de Froger,
D ajout d'une seconde bobine et d'un condensateur de déphasage.
4· Spire de Frager
Ce type de moteur est également appelé moteur à pôles
fendus. Chaque pôle comporte une encoche qui délimite deux
moitiés, l'une d'elles étant entourée d'une spire de cuivre
fermée sur elle-même (spire de Froger).
Le courant induit dans cette spire ajoute son action
magnétisante à celle du courant parcourant le circuit
principal. Le déphasage qui en résulte suffit à privilégier un
sens de rotation : le rotor passe devant le demi-pôle non
pourvu de spire avant de passer devant l'autre.
Cette technique est utilisée dans les mo·teurs de faible
puissance (moins de 200 W).
Photo : Denis Schneider
5- Enroulement et condensateur de démarrage • principe
Dans les moteurs industriels, on installe dans le stator un
second enroulement perpendiculaire à J•enroulement
principal, alimenté en série avec un condensateur.
LlN
Condensateur de démarrage
Pour augmenter le couple au démarrage, il faut augmenter
la capacité du condensateur ou en mettre un deuxième en
parallèle du premier et le déconneder une fois que le rotor
tourne.
6· Types de moteurs à enroulement auxiliaire
Selon l•usage prévu, il existe trois types de moteurs monophasés à enroulement auxiliaire :
Condensateur permanent
LlN
Condensateur de démarrage
Ll N
Condensateurs permanent
et de démarrage
LlN
®
Le condensateur permanent
assure le déphasage. La
bobine auxiliaire participe
en pennanence à la rotation
du champ magnétique.
Le couple d•entraînement
est régulier mais le couple
de démarrage est plus
faible.
Usage : bétonneuses•••
La bobine auxiliaire est sollicitée
pendant la phase de démarrage
puis est mise hors circuit par un
relais électronique ou un capteur
centrifuge avant que le moteur
développe son couple maximal.
Ensuite, le rotor est entraîné par
son inertie.
Usage : machines à couple
résistant élevé, compresseurs•••
®
Un condensateur de démarrage
est couplé au condensateur
permanent pendant la phase
de démarrage.
Ce type de moteur présente un
couple nominal et un couple de
démarrage élevés.
Moteur asynchrone triphasé
1- Introduction
Le moteur asynchrone triphasé est l'adionneur éledrique le plus
fréquemment employé dans les applications industrielles.
Ce moteur est capable de développer de fortes puissances mécaniques
{jusqu'à 5000 kW) et on le rencontre aussi bien dans l'industrie
sidérurgique, que dans le traitement des eaux, l'industrie agro·
alimentaire, les systèmes d'entraînement et de convoyage, les applications
avec variation de vitesse•..
2.1- Principe de fondionnement du moteur triphasé
Le principe évoqué ne suffit pas à créer un moteut En effet, régulièrement, le champ
magnétique s'annule lorsque le courant est nul.
C'est pour ceHe raison qu'on place
trois bobines réparties à 120°
autour de l'axe du moteur. Ces
bobines alimentées par un courant
triphasé créeront chacune un champ
magnétique au centre du dispositif.
... '!
phase 1 1_
§
~
g
~
Suite.-
ph se2
~
/
phase 3
2.2- Principe de fondionnement - suite
Le rotor tourne dans le même sens que le champ magnétique pour s'opposer à la cause des
courants induits. Sa vitesse est légèrement inférieure à celle du champ sinon il n'y aurait plus
de courant induit donc plus de rotation. La différence de vitesse (appelée glissement) explique
le terme d'asynchrone.
~~
-,
-,c,
ou,
ran,
ts~""'""""""""
lmaxl-+--++---+--:
_,.~.!:-i'-+---!-I-+-+/-,J...-~......11',
1:-+-+-+-I-i-c
/':J..+.o.!:-'-
\V
\ 1
0
1
\
1
\ v
~~
1
\ v
1\
~~
v~
V\
•lmax l'
1\
phase 1
~r
::.
"'=
~
=
~
~v
/~
/~
/\
1
\
t
7
\V
+
v~
....
/
0
0
0
0
Arrêt
Animation pas à pas
Voir les tensions
Von le champ résultant
3- Constitution
Les moteurs asynchrones sont constitués :
o d'une carcasse à ailettes permettant la
dissipation thermique,
o d'un arbre claveté pour transmettre le
mouvement de rotation,
o d'un stator bobiné (enroulements fixes
connectés au réseau d'alimentation),
o d'un rotor (enroulements mobiles ou cage),
o d'une boîte à bornes pour conneder le
moteur au réseau,
o d'une plaque signalétique, indiquant les
caractéristiques du moteur
Vue éclatée d'un moteur asynchrone à
cage J'écureuil moulée (cliquer)
Accès aux fiches "boîte à bornes'~ "plaque
signalétique" et "rotor" en cliquant sur les
liens rouges.
phase 3
pbuse 2
4- Caractéristiques
Les caractéristiques du moteur sont regroupées sur la plaque signalétique et permettent de
définir les conditions d'utilisation et le service qu'on peut en attendre.
En tant qu'utilisateur, les informations importantes
qui permettent de valider le choix en rapport avec
un cahier des charges sont :
o la vitesse de rotation du moteur,
o la puissance mécanique fournie.
En tant que technicien, les informations importantes
qui permettent d'utiliser le moteur dans des
conditions optimales de sécurité sont :
o le facteur de puissance,
o la tension d'utilisation et le couplage à utiliser,
o le courant absorbé...
Rotor à cage ou à bagues
Constitution du rotor
Le rotor, partie mobile du moteur, est constitué d'un empilage de tôles minces isolées entre
elles formant un cylindre.
On dispose, à la périphérie du cylindre, des conducteurs qui sont le siège des courants induits.
Rotor en court-circuit (ou à cage d écureuil)
1
Les conducteurs du rotor sont reliés à chaque extrémité par une
couronne métallique et forment une cage d'écureuil.
Sur les petits moteurs1 la cage d'écureuil est
entièrement moulée.
Ces moteurs ont un couple de démorrage
relativement faible avec un courant absorbé au
démarrage très supérieur au courant nominal.
Rotor bobiné (ou à bagues)
Les enroulements du rotor sont couplés en étoile, les autres extrémités des
enroulements sont reliées à trois bagues solidaires du rotor sur lesquelles
frottent des balais raccordés au circuit de démarrage et/ou de freinage.
Ces moteurs sont employés lorsqu'on souhaite limiter l'appel de courant de
démarrage ou obtenir un départ progressif (on peut modifier la résistance
des bobinages en montant, au démarrage, des résistances en série •
démarrage rotorique).
Moteur synchrone - Moteur Brushless
1- Introduction
Le moteur synchrone est un moteur à
courant alternatif dont la vitesse de
rotation du rotor correspond exactement
à celle du champ magnétique tournant :
la vitesse du rotor est la vitesse de
synchronisme.
C'est ce qui différencie les moteurs synchrones des moteurs asynchrones ; il n'y a pas de
glissement.
L1 L2 L3
2- Principe de fonctionnement et constitution
A la différence des moteurs asynchrones, le rotor du moteur synchrone
possède un champ magnétique qui s'accroche au champ tournant du stator.
Le champ magnétique rotorique suit le champ tournant du stator avec un
retard eproportionnel à la charge.
Le rotor peut être constitué :
0 d'un enroulement parcouru par un courant continu (courant d'excitation)
+ _
grace à un système de bagues et de balais,
0 ou d'un aimant permanent (moteur Brushless ="sans balais") dons le domaine des faibles
puissances.
3- Caractéristiques et utilisation
Les moteurs synchrones sont très souvent employés en
robotique et dans les machines à commande numérique
lorsqu'il est nécessaire de contrôler précisément leur vitesse
de rotation. Ils prennent la place des moteurs à courant
continu car leur réalisation est plus simple.
0 Excellente fiabilité.
0 Excellent rendement (> 90%).
0 Faible niveau sonore.
0 Couple à l'arrêt (utilisation en positionnement).
0 fadeur de puissance réglable en modifiant le courant d'excitation.
4- Contrôle de la vitesse
Pour foire varier la vitesse d'un moteur synchrone, il faut faire
varier la fréquence d'alimentation du stator : _ +
L1
Réseau
50 Hz
"' 1-__.,_
"----J
Redresseur
Onduleur
à fréquence variable
Photo : Servofronic
5- Démarrage des moteurs synchrones
Le principal inconvénient des moteurs synchrones vient de la difficulté de les démarrer. En
effet, ces moteurs ne possèdent pas de couple de démarrage et le champ statorique tournant
qui S1établit à la mise sous tension du moteur a une vitesse de rotation bien trop grande pour
que le champ magnétique du rotor S1Yaccroche.
Deux méthodes permeHent de palier ce problème :
0 Démarrage par moteur auxiliaire (asynchrone ou à courant continu) qui entraîne le moteur
synchrone à une vitesse proche du synchronisme avant de le coupler au réseau.
0 Démarrage en asynchrone : le rotor est équipe d1une cage d1écureuil et est court-circuité le
temps qu 1il aHeigne une vitesse proche de la vitesse de synchronisme. A ce moment
seulement, le rotor est alimenté en tension continue et le synchronisme S1établit.
6- Moteur synchrone autopiloté (ou moteur autosynchrone)
tautopilotage est une réponse apportée au problème de démarrage :
un détecteur de position (resolver ou codeur numérique) est associé
au moteur. Il transmet à tout moment la position exacte du rotor à un
variateur électronique qui alimente le stator de façon optimale
L1
Photo : Parvex
Codeur
Moteur Dahlander : couplage d•enroulements
Le moteur Dahlander dispose de deux vitesses de rotation par couplage d1enroulements (ou
encore couplage de pôles). Il possède deux bobinages par phase que lion peut coupler en
parallèle (une paire de pôles) ou en série (deux paires de pôles) :
En associant les deux bobinages en
parallèle, leurs actions vont se superposer
et ils se comporteront comme un seul
enroulement (une paire de pôles).
Le moteur tournera à sa vitesse maximale.
En associant deux bobinages en série, on
double le nombre de pôles (deux paires de
pôles).
La vitesse du moteur est divisée par deux.
Boite à bornes et schémas
Bornes pour grande vitesse
W2 U2
V2
Ul
Wl
Vl
W2
U2
V2
Ul
VI
Wl
Câblage de la boite à bornes - Grande vitesse
L1
L2
l3
Ll
L2
l3
Les bornes .. petite vitesse.. sont mises en court-circuit et
les bornes ..grande vitesse .. sont chacune reliées à une
phase.
Ce couplage est aussi nommé "parallèle • étoile" : en
effet, les bobinages sont reliés en parallèle deux à
deux.
Câblage de la boite à bornes - Petite vitesse
Les bornes ugrande vitesse" ne sont pas connectées et
les bornes "petite vitesse" sont chacune reliées à une
phase.
Ce couplage est aussi nommé "série • triangle" : en
effet, les bobinages sont reliés en série.
Circuits de puissance et de commande
KM1 : petite vitesse
KM2 : gronde vitesse
KM3 : couplage parallèle
des bobinages
SI : OITêt
S2 : marche petite vitesse
S3 : marche gronde vitessE
simvhr
fllr.hm§C
Moteur à deux enroulements séparés
Le moteur à enroulements séparés correspond à 11assemblage de
deux moteurs aux vitesses différentes dans la même carcasse.
U1
Vl
Wl
U2
V2
W2
L1encombrement d1un tel moteur est plus important que pour un
moteur asynchrone à couplage d1enroulements (moteur de type
Dahlander) mais le rapport des vitesses peut être quelconque.
Boite à bornes et schéma
Ul
U2
Branchements
pour la vitesse 1
Vl Wl
@
@
@
U2
V2
W2
V2 W2
L1
L2
Ll
U2
V2
W2
Ul
Vl
Wl
@
Dans la version présentée ici, le
moteur est en couplage étoile.
Il existe également des moteurs à
deux enroulements pouvant être
utilisés en étoile/triongle.
Ll
L2
L3
@
@
Branchements
pour la vitesse 2
Circuits de puissance et de commande
La commande dlun tel moteur utilise un contacteur inverseur afin que les deux vitesses de
rotation ne puissent être commandées simultanément. - - r - - -
-Fl
-KMI
-F2
-F2
-KM2
simuler
iVf(hprgQ
Moteur asynchrone : plaque signalétique
Les moteurs sont accompagnés d'une plaque signalétique
qui comporte des renseignements sur leur fonctionnement
et les conditions d'utilisation.
Selon les moteurs et les marques, les plaques peuvent
différer mais certaines indications sont systématiques.
'< . . .LEROY. Mot. "v LS 90L - T
. .SOOfR w 999999 JJ0001
IP55
v
0
1
1- Type du moteur et caractéristiques générales {numéro
de série, date de fabrication ..•)
Mot. '\.., LS 90L - T
N° 999999 JJ0001
IK08
A380
Â230
A400
A415
ci.F
•c
S.S1
Hz min-• kW cos cp
50
50
50
50
A440 60
-A460 60
1420
1430
1430
1435
1710
1720
1.50
1.50
1.50
1.50
1.80
1.80
0 .83
0 .81
0 .81
0 .79
0 .85
0 .83
CE
kg 18
A
3 .70
6 .20 0
3 .60
3.60
3.60
3 .50
Placer la souris surie dessin pour voit des plaques réelles.
2- Informations sur l'indice de protection {IPSS) et les conditions d'utilisation.
IP55
IK08
ci.F
oc
3- Caractéristiques électriques et mécaniques selon le
couplage utilisé et la tension d'alimentation.
v
J. 'lQn
6230
A400
Hz
50
50
50
min -1 kW cos <p
1420
1430
1430
1.50
1.50
1.50
0.83
0.81
0.81
A
3.70
6.20
3.60
1
Tension maximale en fonction du couplage choisi.
Dans le cas d'un démarrage étoile triangle, veiller à
la tension maximale du couplage triangle.
S.S1
kg 18
=
V
tension d'alimentation
Hz
fréquence d'alimentation
min·• ou RPM= vitesse de rotation
en tours par minute
kW= puissance mécanique
développée
cos cp
facteur de puissance
A
intensité du courant nominal
=
=
=
Moteur asynchrone : boite à bornes
Les moteurs asynchrones standards sont équipés d'un boîtier où sont regroupées les 6 bornes
correspondant aux 6 extrémités des 3 enroulements. Chaque enroulement est repéré par un
couple de lettres : U1-U2, V1-V2 ou W1-W2.
La boîte à bornes est aussi appelée la plaque à bornes.
Connexions
à l'intérieur
du moteur
Selon les moteurs, la distribution des bornes
adopte deux répartitions différentes :
Moteur à 2
enroulements
séparés.
Moteur à 6 bornes
pour couplage
étoile-triangle.
Il est possible de relier définitivement les bornes pour un couplage étoile ou triangle grâce à des
barrettes :
Dons ce cas, la vitesse du moteur est fixée.
Couplage étoile
Couplage triangle
Branchement à un
circuit de démarrage
étoile/ triangle
Les 6 bornes du moteur
sont reliées au circuit de
puissance qui gère les
deux couplages.
L1
L2
L3
Ll
L2
L3
Moteur triphasé : choix du couplage du stator
1- Les couplages du stator
Les trois enroulements du moteur asynchrone triphasé doivent être alimentés par des
tensions identiques. Il existe deux possibilités de raccorder les enroulements au réseau
triphasé : le couplage en étoile et le couplage en triangle.
Ce couplage peut être réalisé en usine ou déterminé par l'utilisateur à l'aide de la boîte à
bornes.
1.1· Couplage étoile
Les trois enroulements ont une borne en commun
(considérée comme reliée ou neutre).
Phase 1
L'autre borne de chaque enroulement
est reliée à une des phases du réseau
d'alimentation.
La tension aux bornes de chaque
enroulement est donc la tension
simple V.
1
Dans le cos d'un réseau 230 V1400 ~ chaque
enroulement est alimenté sous 230 V.
Phase 3 U
1.2- Couplage triangle
Chaque enroulement est alimenté entre deux phases.
La tension aux bornes de chaque enroulement est
donc la tension composée U.
Dans le cas d'un réseau 230 V 1 400 V, chaque
enroulement est alimenté sous 400 V.
Phase 1
u
Phase 2
u
Phase 3
2- Choix du couplage
Pour choisir quel est le couplage à utiliser, il faut connaître les tensions du réseau triphasé
d'alimentation (par exemple : 127/220 V, 230/400 V, 400/690 V ...) et la tension nominale
qu'un enroulement du stator peut supporter.
Sur la plaque signalétique du moteur, le constructeur indique les tensions d'emploi.
La plus petite valeur indique toujours la tension
nominale que peut supporter l'enroulement.
Ici, cette tension est de 230 V. On peut donc
utiliser ce moteur dans un réseau 130/230 Vou
230/400 v.
Sur un réseau 130/230 V, on utilise un couplage triangle pour que les bobinages soient
alimentés sous leur tension nominale. Dans le cadre d'un démarrage étoile/triangle, le
couplage en étoile conduira à une alimentation inférieure à la tension nominale.
Sur un réseau 230/400 V, on ne peut utiliser qu'un couplage étoile pour que les bobinages
soient alimentés sous leur tension nominale.
On ne peut pas utiliser ce moteur sur un réseau 400/690 V car la tension aux bornes des
bobinages serait toujours supérieure à la tension nominale préconisée.
Vitesse des moteurs asynchrones
1- Influence du nombre de pôles par·phase sur la vitesse
Les enroulements du moteur, alimentés en
triphasé, créent un champ magnétique
tournant à deux pôles : Nord et Sud.
(Au glissement près, le rotor tourne à la
vitesse de rotation du champ magnétique).
En associant deux bobines reliées en série à
chaque phase, on double le nombre de pôles.
Sur une période, le champ magnétique va
passer devant 3 bobines (soit un demi tour).
Le rotor cherchant à s'aligner avec le champ
tournant va donc tourner deux fois moins vite.
1 paire de pôles par phase
2 paires de pôles par phase
~
phase 1
-~
phaseJ
~ j
~ ~
----
J::)
1
1
11\ ph.ase2
.Â~~'
~
'i w'~1
'1r"
l 'i' --~
phase3
~. .
.... ,
~,,~
~\
~~
1
&,
{/"(
phase 3
La vitesse de rotation du rotor est donc directement liée
au nombre de paires de pôles par phase du stator.
J-----( _phase 1
2- Exemple
Sur ce stator d'un moteur asynchrone
triphasé, on distingue deux séries
d'enroulements : c'est un moteur à
deux paires de pôles.
-~
1~ i
Phase---==-
0
0
phase~
Voir la première série d'enroulements
Voir la seconde série d'enroulements
3- Vitesse de synchronisme
Les bobines du stator alimentées en triphasé créent un champ magnétique tournant dont la
vitesse de rotation ns (appelée vitesse de synchronisme) es.t égale à :
f = fréquence du réseau d'alimentation en Hz
p = nombre de paires de pôles par phase
ns = vitesse de rotation du champ en tours/s
f
ns= - p
En France : f = 50 Hz tandis qu'aux Etats-Unis : f= 60Hz.
p
1
f= S.OHz
SOtr/s = 3000 tr/min
f= 60Hz
60 tr/s = 3600 tr/min
2
25 tr/s = 1500 tr/min
30 tr/s = 1800 tr/min
3
16.6 tr/s = 1000 tr/min
20 tr/s = 1200 tr/mih
...
...
...
Le nombre de paires de pôles par phase est fixé par le fabricant du moteur en fonction de la
vitesse souhaitée et peut prendre d'autres valeurs entières que celles du tableau.
Sur certains moteurs, on peut mettre en service ou non certaines paires de pôles et ainsi
faire varier la vitesse du moteur.
4- Vitesse réelle des moteurs et glissement
Le rotor ne tourne pas à la vitesse du champ tournant. Si tel était le cas, les conducteurs du
rotor ne seraient pas soumis à une variation de champ magnétique et il n'y aurait pas de
courant induit. Le couple moteur serait alors nul.
Le rotor tourne à une vitesse légèrement inférieure au champ tournant (c'est pour cela que
ces moteurs sont appelés asynchrones).
On définit le glissement par la relation :
g = glissement (souvent exprimé en%)
ns- n,
g=-n, = vitesse de rotation du rotor
ns
ns = vitesse de synchronisme
5- Exemple
Sur cette plaque signalétique d'un moteur, on lit que la
vitesse du moteur est de 1390 tr/min.
La vitesse de synchronisme directement supérieure, en
50 Hz est 1500 tr/min.
On en déduit que le moteur a 2 paires de pôles et que
g=
1500 1390
= 0 074 soit 7 4%
1500
'
'
Puissances dans un moteur
1- Bilan des puissances
La puissance dissipée par effet Joule correspond
à la puissance absorbée par les bobinages et
dissipée en chaleur.
Puissance
absorbée
La puissance réadive est absorbée
par le circuit magnétique.
Puissance
adive
La puissance absorbée correspond à la puissance
électrique qui doit être fournie par le réseau de
distribution pour que le moteur fonctionne.
Moteur à courant continu
Pa= U.l
Moteur asynchrone monophasé Pa= U.l.cos(<p)
Moteur asynchrone triphasé
Pa= U.l. ']3.cos(<p)
cos( rp)
= facteur cie puissance
La puissance utile correspond à la
puissance mécanique disponible sur
l'arbre de sortie.
Pu= T.m
T: couple moteur (en m.N)
parfois noté Cou M.
(J}: vitesse cie rotation (racl/s}
C'est la puissance utile qui est indiquée
sur la plaque signalétique du moteut
2- Bilan pour un moteur asynchron,e
Puissance
absorbée
=puissance
électrique
Pertes fer
Pertes par effet Joule
Puissance
transmise au rotor
Puissance
-~~~...
éledromagnétique
Alimentation
du stator
3- Bilan pour un moteur à courant continu à excitation séparée
Alimentation
Rotor
du rotor
•
Puissance
absorbee
Pubsance
= ~uiss~nce Puissance électrique électromagnétique
elednque inducteur
Pu•ssan,ce électrique induit
Pertes
Alimentation
Alimentation
électrique
du stator
4- Calcul du rendement : 11
le bilan des puissances, quelque soit le moteur, fait apparaître 3 types de puissances :
o Puissance absorbée = Puissance éledrique consommée en entrée de l'installation
o Puissance utile = Puissance mécanique réellement disponible pour le mécanisme entrainé
o Pertes = Ensemble des énergies dissipées lor5 de la transformation de l'énergie électrique en
énergie mécanique.
= Pertes cuivre + Pertes colledives (ou pertes complémentaires)
Pertes cuivre = Pertes Joule du stator et du rotor (résistance électrique des bobinages)
Pertes colledives = Pertes fer + pertes mécaniques
Pertes fer = pertes par courants de Foucault et phénomène d'hystérésis dans les
masses métalliques
Pertes mécaniques = frottements dans les paliers et roulements, de l'air, contad
balais-collecteur •. .
Puissance utile
Méthode directe : 11 = - - - - - Puissance absorbée
Méthode indirecte
(méthode des pertes séparées) : 11 =
Puissance utile
Puissance absorbée ·Pertes
= --------Puissance utile + Pedes
Puissance absorbée
Moteurs asynchrones : exercices
Tensions du réseau triphasé : 230 / 400 V
D
Tension simple : D
Tension composée :
V
Dans le cas d'un moteur relié à ce réseau,
complétez les tensions repérées pour les
...... deux cas de couplage possibles :
V
Plaque signalétique du moteur étudié -:
LS 63 M
IPLERQY® rv 3
. . SOMER N° 420503·2004
cl. F 40 °(
IP 55 IK 08
s %
c/h C
uf
v
0
230
y 400
/::::,. 277
y 480
!::::,.
c
J,lf
cos iP A
50
50
60
60
0.75
0.75
0.75
0.75
0.18
0.18
0.22
0.22
D
~luplage
Hz min - 1 kW
2790
2730
3400
3230
D'après la plaque signalétique, quelle
tension doit être appliquée aux bornes d'un
bobinage du moteur ?
V
0.52 00
0.3 00
=<
0.53 8
u
0.3
QueJ
proposez-vous ?
0 Effile Y
0 Triangle /).
0 Aucun (tension trop élevée)
0 Aucun (tension trop faible)
Quelle est la vitesse de rotation du moteur ?
D
Complétet l'ensemble des tàdres et séledionnet un couplage éiVant de vétifiet...
tr/min
Q
Vérifier
Moteur à courant continu
1- Présentation
Le moteur à courant continu est fréquemment employé en
automatismes (par exemple, en robotique). Il est alimenté
par une tension continue.
2- Constitution
moteur à
inducteur bobiné
moteur à oimonts
permanents
Le moteur à courant continu est composé des éléments suivants:
o Un inducteur, appelé aussi stator.
L'inducteur est composé, soit d'aimants
permanents, soit d'enroulements bobinés
autour d'un élément immobile du stator. Il crée
le champ magnétique dit statorique.
o Un induit appelé aussi rotor.
Le rotor cylindrique est composé de tôles isolées
entre elles et munies d'encoches dans lesquelles
sont réparties les conducteurs. Parcourus par un
courant, ceux-ci créent le champ magnétique dit
rotorique.
Sur ce schéma, seule une·spire est réprésentée et finJucteur est un aimant permanent.
o Un collecteur fixé à l'induit, il est en contact avec les charbons.
o Des charbons appelés aussi balais. Ils alimentent l'induit par le collecteur sur lequel ils
frottent.
3- Principe de fonctionnement
L'induit est plongé dans le champ magnétique créé par l'indudeut
Par l'intermédiaire des charbons et du colledeur, un courant éledrique circule dans les
enroulements de l'induit.
Il se crée alors un champ magnétique
dans chacune des spires de chaque
enroulement et une force éledro·
magnétique qui provoquent la rotation
de l'induit autour de son axe.
Montrer le courant ()
Montrer le champ magnétique statorique 0
Montrer le champ magnétique O
créé par la spire
Montrer la force magnétique 0
Application rie Jo règle ries 3 rloigts pour
déterminer le sens rie la force.
Pour plus d'explications, consulter le
chapitre sur le magnétisme.
Le collecteur étant constitué de plusieurs parties, il y a des points neutres pour lesquels la
spire n'est pas alimentée. Sur ces positions, la force électromagnétique est nulle.
4- Excitation des moteurs à courant continu
Le type d'inducteur (à aimant permanent ou inducteur bobiné) et la méthode utilisée pour
alimenter l'inducteur et l'induit déterminent le comportement des moteurs à courant continu.
On parle d'excitation pour décrire le mode d'alimentation de l'inducteur et de l'induit bobiné.
Excitation séparée
aimants
permanents
Excitation dérivation
(moteur shunt)
Excitcttion série
(moteur universel)
Longue dérivation Courte dérivation
indudeur bobiné
$] ])[ ~
Excitation composée
(moteur compound)
M
--
' $~~
Dans le cas d'un induteur
bobiné, nécessite deux
alimentations.
Vitesse relativement constante, Fort couple à basse vitesse.
Couple de démarrage
meilleur qu'en dérivation
quelle que soit la charge
{autorégulateur de vitesse). Autorégulateur de puissance : mais plus faible qu'en série.
la vitesse décroît lorsque la
Vitesse relativement stable,
charge augmente.
Absence
d'emballement
à
vide.
Petites puissances pour les
quelle que soit la charge.
moteurs à aimants
permanents
Couple de démarrage moyen. Risque d'emballement à vide. Absence d'emballement à vide.
5.1- Du modèle au réel : le stator
Dans un moteur réel, le stator (aussi
appelé inducteur) est constitué de
plusieurs paires de pôles magnétiques.
Les pôles peuvent être obtenus avec des
aimants permanents ou des bobinages
(principe des électroaimants).
5.2- Du modèle au réel : le rotor
L'induit est constitué d'un enroulement de spires conductrices réunies en faisceaux disposés de
telle manière que lorsqu'un côté est soumis au pôle nord, l'autre est au pôle sud.
Les faisceux sont tous reliés en série grâce aux lames du collecteur.
Collecteur
Enroulement
1
5.3- Du modèle au réel : moteur à aimants permanents
Sur certains moteurs à courant continu, l'indudeur est
constitué d'aimanb permanents placés dans le corter.
Aimant permanent
Faisceaux conducteurs
/
Entrefer
Charbons assurant l'alimentation Ju rotor
Aimant permcment
5.4- Du modèle au réel : alimentation du rotor
Sur de nombreux moteurs à courant continu, l'alimentation du rotor se fait par l'intermédiaire
de charbons qui sont maintenus en contact avec les lames du collecteur par des ressorts.
Charbons
Fils d'alimentation
'
Cosse
Les charbons sont reliés à l'alimentation électrique du moteur par les fils reliés aux cosses. Ils
sont plaqués sur les lames du collecteur par les poussoirs et le ressort.
6· Caractéristiques des moteurs à courant continu
La qualité du moteur (régularité de l'entraînement, couple, vitesse•••) est donc directement lié
à sa constitution :
o nombre de pôles,
o nombre de faisceaux (et donc de lames du collecteur},
o nombre de spires dans un faisceau,
o choix des matériaux constituant l'ensemble.
lnvensys • Parvex
La vitesse de rotation du moteur est directement liée à la tension d'alimentation.
Le sens de rotation dépend de la polarité de l'alimentation du bobinage de l'induit {du rotor)
ou du stator lorsque que celui-ci est constitué d'éledroaimants.
Moteur à courant continu : plaque signalétique
Les moteurs sont accompagnés d'une plaque signalétique qui comporte des renseignements
sur leur fonctionnement et les conditions d'utilisation.
Selon les moteurs et les marques, les plaques peuvent différer mois certaines indications sont
systématiques.
Moteur à aimant permanent
Puissance
mécanique
développée
Courant
nominal
Tension nominale
aux bornes
de l'induit
Couple nominal
r
Vitesse de rotation nominale
AC SERVO MOTOR
T Y PE
850
7.1
SG~·G-09A2AB C
5.39 N·m
1500 r/ min
A 200
V CONT. Jins. F
0 / N 3P0037 001
-078
S / N 800360037030078
/DATE 0306
r.
W
YASKAWA ELECTRfC
MADE IN JAPAN
-~-IIIIIJ IIIIUI(IM--Itii-IIIIIIIP/1-WIII
Moteur à inducteur bobiné
Dons le cos du moteur à inducteur bobiné, Jo ploque signalétique indique également Jo
tension d'excitation.
• ~~&
\te
Couple nominal
Puissance
mécanique
développée
[El
LR 57008
rna~ ~
t,;;n,.
2102 451 / A •
MADE IN
'1
SOMER
IEC 34.1.1990
FRANCE
MOTEUR A COURANT CONTINU
DIRECT CURRENT MOTOR
W 700000/10 9/1992 1M 249 kg
lM 1001
IP 23
IC 06
301 N.m
1000 rn
40 oc
. -1
Nom.IRat.
T
0
système l"<flnture:
Service / Duty S1
Vitesse de rotation nominale
l
Induit 1Arm.
Ex cil./ Field
DE 6312 2RS c3 1NOE 6312 2RS C3
Tension nominale aux
bornes de l'induit
0
Courant nominal
dons l'induit
Moteur universel
1- Description
Un moteur universel est un moteur qui peut être alimenté
indifféremment en courant continu ou en courant alternatif.
C'est un moteur à courant continu à inducteur bobiné à excitation
série : le rotor est connecté en série avec l'enroulement inducteur.
2- Utilisation
Les moteurs universels sont employés dons des appareils exigeant un
couple de démarrage assez élevé ou de grondes vitesses de rotation
(jusque 30.000 tours par minute) tout en cherchant à conserver un
volume réduit.
On les trouve dons les robots de
cuisine et appareils électroménager,
l'outillage électroportotif de faible
puissance (jusqu'à 1200 W), les sèchecheveux ou encore les aspirateurs.
3- Constitution
Le moteur universel est un moteur à courant continu à
indudeur bobiné.
Charbons
lndudeur
Induit
Collecteur
du rotor
1
.
.
Le moteur universel est un moteur à courant continu à indudeur bobiné.
Stator
Inducteur
Charbons (ou halais)
4- Principe de fonctionnement
Lorsque l'inducteur est alimenté, il crée un champ magnétique stotorique dons l'entrefer.
L'induit est également alimenté puisqu'il est bronché en série avec l'inducteur. Ses conducteurs
situés sous un même pôle sont parcourus par des courants de même sens. Ils créent un champ
magnétique perpendiculaire ou champ stotorique qui
va chercher à s'aligner avec ce dernier.
Il se crée un couple qui fait tourner l'induit du moteur.
Rotor et induit
Stator
~
lndudeur
+--
Q
Champ magnétique statorique créé par
l'indudeur dans l'entrefer
Champ magnétique résultant créé par les
spires du rotor
Inverser la polarité de l'alimentation
Dons le cos d'une alimentation alternative~ les courants dons l'induit et dons l'inducteur
s'inverseront simultanément et les champs magnétiques s'inverseront également : le sens de
rotation restera donc le même.
5· Sens de rotation
Le sens de rotation est déterminé par le sens du courant électrique dons l'induit par rapport à
l'inducteur.
Pour inverser le sens de rotation, il suffit d'inverser le branchement de l'inducteur :
Le moteur tourne
dans le sens horaire
Le moteur tourne
dons le sens onti-horoire
6- Réglage de la vitesse
La vitesse de ces moteurs dépend de la voleur de la tension d'alimentation. En régime de
courant alternatif, elle peut être facilement réglée par un dispositif électronique tel qu'un
grodoteur.
Elle peut atteindre de très grondes voleurs (jusqu'à 30.000 tours par minute) mois elle varie
fortement selon la charge entraînée.
7- Inconvénients
Commande
de la vitesse
Durée de vie limitée : comme dans toute machine à
courant continu, le fonctionnement du moteur provoque
l'usure des balais ou des charbons alimentant le rotor.
Les ruptures de contact successives dans l'ensemble
balais-collecteur génèrent des parasites dans le circuit
d'alim.entation et des interférences électromagnétiques
qui peuvent être préjudiciables au bon fonctionnement
d'autres appareils : télévisions, radios, téléphones.
Les zones métalliques massives soumises à des
champs magnétiques alternatifs sont le siège
de courants de Foucault qui provoquent des
pertes par échauffement et diminuent le
rendement du moteur.
Pour limiter les courants de Foucault le stator
et le rotor sont feuilletés.
Moteur shunt
1- Description
Un moteur shunt (ou moteur dérivation) est un moteur à
courant continu à inducteur bobiné à excitation parallèle : le
rotor (induit) est connecté en dérivation avec l'enroulement •
inducteur.
L'induit et l'inducteur sont soumis à la même tension provenant
d'une seule source d'alimentation.
2- Sens de rotation
Le sens de rotation est déterminé par le sens du courant électrique dans l'induit par rapport à
l'inducteur.
Pour inverser le sens de rotation, il suffit d'inverser le branchement de l'inducteur :
Le moteur tourne
dans le sens horaire
Le moteur tourne
dans le sens anti-horaire
Moteurs pas à pas
1- Introduction
les moteurs pas à pas sont très employés dans les
périphériques informatiques (entraînement du papier
dans une imprimante ou positionnement de la tête de
lecture d'un disque dur) et sur certaines applications de
robotique.
Ils permettent essentiellement d'obtenir un positionnement
très précis : à chaque fois que le moteur re~oit une
impulsion électrique de commande, son axe effectue une
rotation d'un angle déterminé (de moins de 1 degré à
plusieurs degrés selon le moteur).
Ces moteurs sont d'une très grande précision et présentent
une faible usure mécanique.
Leur commande se faisant par une suite d'impulsions
électriques, ils nécessitent d'être alimentés par un circuit
électronique spécifique.
2- Principe général de fonctionnement
Les moteurs pas à pas sont généralement constitués de deux bobines et d'un rotor. Le rotor est
souvent un aimant permanent (mais il peut être d'une autre constitution). Les deux bobines
peuvent créer un champ magnétique dont l'orientation dépend de leur alimentation.
Bobine 1
Bobine 2
Au départ, les deux bobines ne sont pas alimentées, le rotor
est dans une position inconnue.
3- Alimentation des moteurs pas à pas
En fondion du circuit de commande, !•alimentation d•un moteur pas à pas peut se faire selon 3
modes différents : (o) monophasé o 1/2 pas o biphasé
Mode monophasé (ou par pas entiers)
Une seule bobine est alimentée à la fois. Le rotor tourne d•un pas à chaque fois que
!•alimentation change de bobine. Cest le mode d•alimentation le plus simple.
Pas suivant
Bobine 2
Bobine 1
Pas suivant
Bobine 2
4- Moteurs à aimant permanent : bipolaires ou unipolaires ?
Les moteurs pas à pas à aimant permanent sont probablement les plus utilisés dans les
applications dont la finesse des pas n'est pas essentielle et qui ne nécessitent pas un fort
couple d'entraînement. Leur vitesse de rotation ne peut être très élevée en raison des courants
induits dans le stator par la rotation du rotor magnétique.
Les bobines doivent créer un champ magnétique dont le sens varie alternativement. Pour celà,
elles peuvent être bipolaires ou unipolaires.
Bobinages bipolaires
Le bobinage est alimenté une fois dans
un sens, une fois dans l'autre. Le même
bobinage crée alternativement le pôle
Nord et le pôle Sud, d'où son nom de
bipolaire.
Bobinages unipolaires
Le bobinage est réalisé à l'aide de deux fils
ayant une extrémité commune. Chaque
enroulement n'est alimenté que dans un seul
sens et crée touiours le même pôle.
Adimension équivalente, le couple est moins
important que pour un bobinage bipolaire.
5- Moteur à réludance variable
Dons un moteur à réludance variable, le rotor n'est pas constitué d'un aimant permanent mais
est en acier doux.
Le rotor possède un nombre de dents inférieur au
nombre de pôles du stator. Les dents vont chercher
à s'aligner avec la bobine alimentée qui crée le
champ magnétique.
Puisque que le rotor n'est pas magnétique, son
sens de rotation ne dépend plus de la polarité de
l'alimentation des bobines mais seulement de leur
séquence de mise en service.
De plus, le moteur ne craint plus la création de
courants induits par le rotor et la vitesse peut être
nettement plus élevée que pour un moteur à
aimant permanent.
0
Pas suivant
Etant donné le nombre cie dents et leur
disposition par rapport aux bobines, le
rotor tourne clans le sens opposé tle la
séquence d'alimentation tles bobines.
6- Moteur hybride
Le moteur hybride, très répandu dans le domaine industriel, combine les principes des
moteurs à aimant permanent et des moteurs à réludance variable.
Le stator est toujours constitué de bobinages
répartis autour du rotot
Le rotor est constitué de 1•assemblage de deux
pièces dentées renfermant entre-elles un
aimant créant ainsi un pôle Nord sur 1•une et
un pôle Sud sur ftautre.
En faisant tourner l•alimentation des bobines,
la paire de pôles du rotor la plus proche du
nouveau champ magnétique va chercher à
s•afigner avec lui, provoquant la rotation,
selon le même principe que dans le moteur à
réludance variable.
Le nombre de paires d•enroulements et le
nombre de dents du rotor influent directement
sur le pas du moteur : plus elles sont
nombreuses et plus le pas est petit.
7- Comparaison des 3 types de moteurs pas à pas
Aimant permanent
Résolution
Moyenne
nombre rie PfJS P"' tour
quelques rlizaines rie pos P"' tour
Couple moteur
Elevé
Hybride
Réluctance variable
-·
Elevée
Elevée
jusqu'à 1000 pos par tour
~levé
Faible
o::::::E'
Sens de
rotation
Dépend du sens du
courant dons les bobines
!Fil
~
Dépend de 1•ordre d•alimentotion
des bobines
c
Vitesse*
Faible
centaines rie tours por minute
Elevée
1~
11
[
Elevée
milliers rie tours par minute
* Attention, à trop grande vitesse, le rotor risque de décrocher et de
perdre des pas commandés.
ll
8- Contrôle des moteurs pas à pas
Le contrôle des moteurs pas à pas comporte 3 parties qui peuvent être traitées par un seul
organe de commande (boîtier dédié).
Logique de commande
~~.___c_o_n_tr_ôl_eu_r_ _,l.... Interface de puissance ....@
Définir :
o la vitesse à laquelle
le contrôleur va
exécuter le cycle
Gèrer la séquence
d•alimentation des
bobines du moteur
pas à pas.
Faire circuler des
courants élevés dans
les bobines du
moteur pas à pas.
d•alimentation des
bobines du moteur.
o le sens de rotation du
moteur.
o l•atimentation du moteur
à t•arrêt.
Exemple : !297
Exemples : !298 ou 5804

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