Les moteurs électriques sont omniprésents et essentiels dans de nombreuses applications et machines, avec des puissances variées. Malgré leurs différences, ils fonctionnent tous sur le même principe fondamental de l'action-réaction.
Composants Principaux d'un Moteur Électrique
Un moteur électrique est composé de deux parties principales : le stator et le rotor.
- Le stator est la partie fixe du moteur. Il est composé de bobines en cuivre, appelées enroulements, réparties de manière régulière autour d'un noyau en fer laminé. Lorsqu'un courant électrique est appliqué sur les enroulements, ils créent un champ magnétique statique.
- Le rotor est la partie mobile du moteur. Il est également composé d'un noyau en fer laminé, généralement constitué de lamelles empilées pour réduire les pertes par courants induits. Le rotor est monté sur un axe qui permet sa rotation à l'intérieur du stator.
D'autres composants importants incluent :
- Les roulements: Ils permettent de soutenir et guider le rotor afin de minimiser les frottements.
- Le boîtier: C'est l'enveloppe externe du moteur électrique qui protège les composants internes et fournit une structure solide pour fixer le moteur.
- Le ventilateur: Monté sur l'arbre du moteur, il assure un refroidissement adéquat pour éviter les surchauffes.
- La boîte de raccordement: Un compartiment externe contenant les connexions électriques pour alimenter le moteur.
- La carcasse: L'enveloppe externe rigide qui entoure tous les autres composants internes, fournissant une protection mécanique et une isolation électrique.
- Les flasques: Plaques métalliques fixées à chaque extrémité de la carcasse du moteur.
Ces différents éléments interagissent harmonieusement pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique, permettant ainsi au moteur électrique de faire fonctionner toutes sortes d'appareils et machines.
Principe de Fonctionnement
Le fonctionnement d'un moteur électrique est basé sur le principe de l'action-réaction. Selon l’application, un moteur électrique fonctionne soit en courant continu (CC) ou en courant alternatif (CA).
Moteurs à Courant Continu (CC)
Le fonctionnement des moteurs à courant continu repose sur le principe de l'interaction entre un champ magnétique et un courant électrique. Un moteur électrique à courant continu (CC) crée un champ magnétique stable dans le stator à l’aide d’enroulements inducteurs ou d’aimants permanents. Pour maintenir cette rotation continue, le sens du courant électrique doit être inversé périodiquement.
Les moteurs à courant continu ont un collecteur, qui est une pièce métallique connectée aux bobines du rotor.
Moteurs à Courant Alternatif (CA)
Les moteurs électriques à courant alternatif (CA) utilisent un courant qui change continuellement de direction pour générer un champ magnétique rotatif dans le stator. Contrairement aux moteurs CC, ils n'ont pas besoin de collecteurs ou de brosses pour inverser la polarité. Pour créer ce champ magnétique rotatif, les moteurs CA utilisent une “excitation 3 phases”, c'est-à-dire trois bobines conductrices décalées l'une par rapport à l'autre.
Types de Moteurs à Courant Continu
Il existe plusieurs types de moteurs à courant continu, chacun ayant des caractéristiques spécifiques :
- Moteurs à excitation indépendante: Ils incorporent un bobinage inducteur connecté à un système d’alimentation séparé.
- Moteurs à excitation en série: Ils proposent un circuit inducteur connecté en série avec l’induit.
- Moteurs à excitation composée: Ils combinent un inducteur série et un inducteur shunt.
- Moteurs à aimants permanents: Ils utilisent des aimants permanents à la place des induits.
Gestion de la Vitesse et du Sens de Rotation
Pour ajuster la vitesse d'un moteur à courant continu, il suffit de fournir au moteur une tension qui reste constante : la tension maximale. Par contre, cette tension ne sera appliquée que par très courtes périodes de temps. En ajustant la durée de ces périodes, on arrive à faire varier la vitesse du moteur qui devient proportionnelle à la longueur des périodes de temps passées à la tension maximale par rapport au temps passé sans application de tension (tension nulle).
Pour inverser le sens de rotation du moteur, il suffit d’inverser la polarité de la tension à ses bornes. Le montage à utiliser est très simple : c’est un montage à 4 interrupteurs piloter 2 par 2 en alternance, d’où le nom pont en H.
Pour arrêter le moteur il faut mettre VS à 0, soit 2 possibilités : H1 et H3 fermés ou H2 et H4 fermés. Dans ce cas l’inductance se décharge (car il n’y a pas de discontinuité de courant dans une inductance) donc la vitesse du moteur diminue jusqu’à l’arrêt complet quand IS = 0.
Moteurs à Balais vs Moteurs Brushless
Quelles sont les différences entre les moteurs à courant continu et les moteurs brushless ? Lequel choisir en fonction de son application ?
Les moteurs à courant continu (CC) se nomment également commutateurs de production de rotation uniforme à partir d’une énergie électrique, dont l’intensité reste indépendante du temps.
Le moteur à balais est particulièrement sujet à l'usure en raison de cette interaction entre le collecteur et les balais. Pour assurer un bon contact entre les balais et le collecteur, la pression de contact entre les deux doit être importante, notamment à des vitesses élevées. Suite à une mauvaise pression, les balais engendreront des frottements et auront une durée de vie limitée. A contrario, une rupture de contact au collecteur peut provoquer des arcs électriques à chaque commutation.
Le moteur brushless comporte les mêmes éléments qu’un moteur à courant continu, excepté le collecteur. Sur ce type de moteur, les bobines sont alimentées de façon séquentielle. Ce mode de fonctionnement crée un champ magnétique tournant à la même fréquence que les tensions d’alimentation.
Applications Courantes
L'utilisation d'un moteur courant continu 24v est courante pour de nombreux équipements en raison de son efficacité et de sa compacité. Pour des applications spécifiques, un moteur à courant continu 12v est souvent privilégié pour sa compacité et son efficacité énergétique. De même, certains modèles, comme ceux d'un moteur électrique 48v, de haute puissance intègrent plusieurs paires de pôles avec des dimensions réduites d’encombrements et une pénétration poussée du flux magnétique dans le rotor.
TAG: