MOTEUR À COURANT CONTINU
Le stator produit un champ magnétique fixe dans l’espace et constant dans le
temps. Dans les petits moteurs, le stator est à aimants permanents. Dans les moteurs plus puissants, il est formé de bobinages parcourus par du courant continu.
Le rotor comprend des conducteurs parallèles à l’axe (ou légèrement inclinés),
reliés à un ensemble le lames de cuivre, le collecteur. Dans le champ magnétique fixe du stator, les courants rotoriques subissent des forces de Laplace qui provoquent la rotation.
Le rotor est alimenté en courant continu, mais le système balais-collecteur fait circuler dans les conducteurs rotoriques des courants alternatifs synchronisés avec la rotation :
le courant change de sens dans un conducteur du rotor chaque fois qu’il passe d’un pôle du stator au pôle suivant, pour que les forces de Laplace soient toutes orientées dans le même sens.
La vitesse de rotation dépend de la tension d’alimentation du rotor, et du champ magnétique du stator. Si la tension d’alimentation est constante et le stator à aimants permanents, le moteur à courant continu s’adapte aux variations de la charge par de faibles variations spontanées de la vitesse, conduisant à des variations de fém, et par conséquent d’intensité dans le rotor et son alimentation. Si le stator est un électroaimant alimenté de façon indépendante du rotor (moteur à excitation séparée), les variations spontanées de la vitesse sont faibles, comme dans le cas des moteurs à aimants permanents. Elles peuvent au contraire être assez importantes si le stator est traversé par le même courant que le rotor (moteur à excitation série). Dans tous les cas, la régulation électronique de vitesse permet de corriger ces variations spontanées de vitesse.
À puissance égale, les moteurs à courant continu sont beaucoup plus coûteux que les moteurs asynchrones (bobinages au stator et au rotor, collecteur, balais). Le système balais-collecteur est fragile, il nécessite surveillance et entretien. Par exemple, les
moteurs des TGV Paris - Sud-Est doivent subir un démontage complet et un profilage du collecteur tous les 300 000 km, c’est-à-dire, grosso modo, tous les ans. Les moteurs à courant continu sont donc actuellement réservés aux usages qu’ils sont seuls à pouvoir satisfaire.
Les moteurs à courant continu ont été longtemps les champions de la vitesse réglable : il suffit d’alimenter le rotor avec une tension continue réglable pour faire varier la vitesse. La régulation de vitesse et les asservissements de vitesse et de position ont été maîtrisés pour les moteurs à courant continu bien avant les autres types de moteurs. Si l’énergie électrique est fournie par le réseau alternatif, la tension continue réglable est obtenue à l’aide d’un pont redresseur commandé, mettant en œuvre des thyristors, dont la fonction est analogue à des diodes mais avec une conduction déclenchée à chaque
alternance positive à l’instant désiré, par une « gâchette ». Si l’énergie électrique est fournie par une source de tension continue fixe (réseau continu du métro, batterie d’accumulateurs des chariots élévateurs de type Fenwick), la tension continue variable est obtenue par un hacheur à thyristor ou à transistor qui découpe dans la tension continue fixe des créneaux périodiques de rapport cyclique réglable. On trouve des moteurs à courant continu dans tous les domaines industriels, de la très grande puissance avec les moteurs
de laminoirs dans les aciéries, aux micro-moteurs à très faible inertie, en passant par la traction électrique, les rotatives d’imprimerie et la robotique...
Depuis les années 80, comme on l’a dit dans les paragraphes précédents, les nouveaux progrès de l’électronique de puissance réduisent peu à peu les parts de marché des moteurs à courant continu, au profit des moteurs synchrones auto-pilotés et des moteurs asynchrones à vitesse variable. Néanmoins, les applications pour l’automobile restent un grand marché pour les moteurs à courant continu : démarreur, refroidisseur du moteur thermique, pompe à carburant, essuie-glace, lave-glace, lève-vitre, ventilateur, climatiseur, toit ouvrant, réglage des sièges et autres multiples accessoires. Les moteurs électriques à courant continu, à stator à aimants permanents, peuvent se compter par dizaines dans une voiture, un poids-lourd ou un autocar. L’industrie du jouet est un autre débouché La vitesse de rotation dépend de la tension d’alimentation du rotor, et du champ magnétique du stator. Si la tension d’alimentation est constante et le stator à aimants permanents, le moteur à courant continu s’adapte aux variations de la charge par de
faibles variations spontanées de la vitesse, conduisant à des variations de fém, et par conséquent d’intensité dans le rotor et son alimentation. Si le stator est un électroaimant alimenté de façon indépendante du rotor (moteur à excitation séparée), les variations spontanées de la vitesse sont faibles, comme dans le cas des moteurs à aimants permanents. Elles peuvent au contraire être assez importantes si le stator est traversé par le
même courant que le rotor (moteur à excitation série). Dans tous les cas, la régulation électronique de vitesse permet de corriger ces variations spontanées de vitesse.
À puissance égale, les moteurs à courant continu sont beaucoup plus coûteux que les moteurs asynchrones (bobinages au stator et au rotor, collecteur, balais). Le système balais-collecteur est fragile, il nécessite surveillance et entretien. Par exemple, les moteurs des TGV Paris - Sud-Est doivent subir un démontage complet et un profilage du collecteur tous les 300 000 km, c’est-à-dire, grosso modo, tous les ans. Les moteurs
à courant continu sont donc actuellement réservés aux usages qu’ils sont seuls à pouvoir satisfaire.
Les moteurs à courant continu ont été longtemps les champions de la vitesse réglable : il suffit d’alimenter le rotor avec une tension continue réglable pour faire varier la vitesse. La régulation de vitesse et les asservissements de vitesse et de position ont été maîtrisés pour les moteurs à courant continu bien avant les autres types de moteurs. Si l’énergie électrique est fournie par le réseau alternatif, la tension continue réglable est obtenue à l’aide d’un pont redresseur commandé, mettant en œuvre des thyristors, dont la fonction est analogue à des diodes mais avec une conduction déclenchée à chaque
alternance positive à l’instant désiré, par une « gâchette ». Si l’énergie électrique est fournie par une source de tension continue fixe (réseau continu du métro, batterie d’accumulateurs des chariots élévateurs de type Fenwick), la tension continue variable est obtenue par un hacheur à thyristor ou à transistor qui découpe dans la tension continue fixe des créneaux périodiques de rapport cyclique réglable. On trouve des moteurs à courant continu dans tous les domaines industriels, de la très grande puissance avec les moteurs
de laminoirs dans les aciéries, aux micro-moteurs à très faible inertie, en passant par la traction électrique, les rotatives d’imprimerie et la robotique...
Depuis les années 80, comme on l’a dit dans les paragraphes précédents, les nouveaux progrès de l’électronique de puissance réduisent peu à peu les parts de marché des moteurs à courant continu, au profit des moteurs synchrones auto-pilotés et des moteurs asynchrones à vitesse variable. Néanmoins, les applications pour l’automobile restent un grand marché pour les moteurs à courant continu : démarreur, refroidisseur du moteur thermique, pompe à carburant, essuie-glace, lave-glace, lève-vitre, ventilateur, climatiseur, toit ouvrant, réglage des sièges et autres multiples accessoires. Les moteurs électriques à courant continu, à stator à aimants permanents, peuvent se compter par dizaines dans une voiture, un poids-lourd ou un autocar. L’industrie du jouet est un autre débouché
important dans le domaine des petits moteurs à courant continu (millions d’exemplaires).
Le « moteur universel » est un cas particulier de moteur à courant continu... fonctionnant en alternatif ! Il équipe de nombreux appareils électroménagers (aspirateurs,mixers, robots, tambours de certains lave-linge, ...) et outillages portatifs (perceuses,ponceuses, meuleuses, scies circulaires, scies sauteuses, ...). Sa structure est celle d’un
moteur à courant continu : le stator crée un champ magnétique de direction fixe, le rotor possède des conducteurs parallèles à l’axe dans des encoches en périphérie, chacun étant relié à une lame du collecteur sur lequel frottent les balais pour transmettre le courant.L’excitation est en série : le bobinage du stator est traversé par le même courant que le rotor. Ainsi, quand le sens de l’intensité d’alimentation s’inverse, cela se produit en même temps au stator et aux balais puisqu’ils sont en série. Par conséquent, à chaque inversion de la tension alternative du réseau, le champ magnétique du stator et l’ensemble des courants du rotor s’inversent en même temps, ce qui laisse les forces de Laplace inchangées et la rotation se poursuit dans le même sens. Parcouru par du courant alternatif, le stator
doit être feuilleté, comme le rotor, pour limiter les pertes par courants de Foucault. Il se produit des étincelles entre les balais et le collecteur car les inversions de sens du courant d’alimentation se superposent aux inversions électromécaniques du système balais collecteur sur les courants rotoriques. Depuis quelques années, on ajoute souvent un pont
redresseur car le courant ondulé pose moins de problèmes au collecteur que le courant alternatif (le moteur universel se rapproche alors d’un moteur à courant continu). Le fonctionnement à vitesse variable est possible, le moyen le plus simple étant d’intercaler un gradateur à triac (composant bi-directionnel dont la conduction est commandée à chaque alternance par une électrode, avec un retard facilement réglable). La durée de vie des moteurs universels est assez faible, le rendement médiocre (parfois inférieur à
10 % !), le bruit et les parasites radio-électriques difficiles à éliminer. Inconvénients supportables car ces moteurs ne se trouvent que sur des appareils à usage intermittent de courtes durées, et en général de faible puissance. Leur intérêt tient dans leur alimentation directe par le réseau monophasé, et leur grande vitesse de rotation, permettant éventuellement de disposer d’un couple important si on intègre un réducteur de vitesse, pour un volume occupé très petit.