Technologie Courant Continu (DC)

Définition

Définition du moteur courant continu

Un appareil à courant continu est un appareil électrique.

Les moteurs courant continu sont des convertisseurs de puissance :

Soit ils convertissent l’énergie électrique absorbée en énergie mécanique lorsqu’ils sont capables de fournir une puissance mécanique suffisante pour démarrer puis entraîner une charge en mouvement. On dit alors qu’ils ont un fonctionnement en moteur.

Soit ils convertissent l’énergie mécanique reçue en énergie électrique lorsqu’ils subissent l’action d’une charge entraînante. On dit alors qu’ils ont un fonctionnement en générateur.

  • En mode « moteur », l'énergie électrique est convertie en énergie mécanique.
  • En mode « générateur » ou « dynamo », l'énergie mécanique est convertie en une énergie électrique capable de se comporter comme un frein.

Fonctionnement des machines à courant continu dans les 4 quadrants :

Fonctionnement des machines à courant continu dans les 4 quadrants

- Les quadrants Q1 et Q3 traduisent un fonctionnement de la machine en moteur dans les deux sens de rotation

- Les quadrants Q2 et Q4 traduisent un fonctionnement de la machine en générateur dans les deux sens de rotation.

Le nombre de quadrants de fonctionnement est exclusivement limité par le système de commande pilotant le moteur.

Les caractéristiques du moteur courant continu

Le moteur courant continu (DC) est caractérisé par une constante de vitesse, et une pente vitesse/couple. Le courant est proportionnel à la charge ; et la vitesse est proportionnelle à la tension d’alimentation.

Le moteur courant continu sans fer ne présente pas de couple magnétique résiduel et les agitations électromagnétiques sont dérisoires. Son rendement, qui atteint 90%, surpasse celui des autres technologies de moteurs.

Son rotor en forme de cloche donne la possibilité d’accélérations très importantes et d’un couple de retenue inexistant.

Cela permet d’obtenir des positionnements précis et des vitesses faibles.

Le rotor est traditionnellement composé d’un stator à aimant permanent en terre rare de type Al-nico, samarium cobalt ou néodyme fer bore qui expliquent les caractéristiques dynamiques très élevées..

Les avantages / inconvénients du moteur courant continu

L'avantage principal des moteurs à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse, voire leur raccordement direct à la source d'énergie : batteries d'accumulateur, piles, etc. Ils ne nécessitent pas d’électronique pour les piloter, et peuvent être branchés directement sur une alimentation, des batteries, un variateur de vitesse, ou une carte de positionnement associée à un signal de recopie.

  • possibilité d’entrainer de très fortes inerties
  • forte constante de temps mécanique
  • forte capacité à entrainer des surcharges élevées imprévisibles ralentissant le moteur : puisque son courant est proportionnel au couple, le moteur courant continu peut franchir des pointes de couple, et ainsi éviter les phénomènes de décrochage.

Inconvénients

La commutation du moteur à balais nécessite la mise en œuvre d’un ensemble de pièces mécaniques pour faire la liaison par frottement entre les charbons et le collecteur. Il en découle que : 

  • plus la vitesse de rotation est élevée, plus la pression des balais doit augmenter pour rester en contact avec le collecteur donc plus le frottement est important ;
  • aux vitesses élevées les balais doivent donc être remplacés très régulièrement ;
  • le collecteur imposant des ruptures de contact provoque des arcs, qui usent rapidement le commutateur et génèrent des parasites dans le circuit d'alimentation, ainsi que par rayonnement électromagnétique (réduit dans le cas des moteurs maxon par le système CLL (long life capacitor).

La température est limitée au niveau du collecteur par l'alliage utilisé pour braser les conducteurs du rotor aux lames du collecteur. Un alliage à base d'argent doit être utilisé lorsque la température de fonctionnement dépasse la température de fusion de l'alliage classique à base d'étain.

Le principe physique fondamental

Couple / Courant
  Couple / Courant

Le principe du couplage magnétique est le fondement de tous les moteurs électriques.
L’énergie électrique est transformée en énergie mécanique à travers ce couplage.
Un moteur électrique est composé de deux circuits magnétiques : le stator (partie fixe) et rotor (partie mobile). En ce qui concerne le moteur à courant continu, le stator est constitué d’un aimant permanent qui engendre un champ magnétique. Le rotor, ou induit, est alimenté par un courant continu.
Le courant électrique traverse le rotor. Ses conducteurs sont immergés dans le champ. Soumis à la force F (Laplace), le rotor tourne et le couple du moteur est généré.

Le courant transmis au collecteur par les balais traverse le conducteur rotorique et change le sens de commutation ce qui conserve la magnétisation du rotor perpendiculaire à celle du stator.

Tension / Vitesse
  Tension / Vitesse

Le couple est créé par l'interaction magnétique entre le stator et le rotor où le champ statorique est presque inexistant sur les conducteurs. La magnétisation transversale du rotor reste la même durant la rotation. Parce que le pôle statorique exerce une action sur le pôle rotorique, le moteur tourne.

On peut calculer facilement le couple en utilisant la force de Laplace créée par le champ statorique. Cette force exerce une action sur les conducteurs rotoriques traversés par le courant d’intensité. Elle est issue de l’action réciproque et est semblable en module pour deux conducteurs rotoriques diamétralement opposés.
Cependant, les sens des courants étant inverses, les forces sont également opposées.

La force créée est alors fonction de l’intensité et des champs magnétiques comme le couple moteur est proportionnel à ces deux grandeurs.