Champ magnétique tournant - Cours d'Electrotechnique avec Maxicours

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Champ magnétique tournant

La force motrice d'un moteur électrique est due à l'interaction de deux champs magnétiques, l'un créé par le stator, l'autre par le rotor, et conduisant à des forces d'attraction ou de répulsion entraînant le rotor en rotation par rapport au stator.

La différence entre les types de moteurs venant de la façon dont sont créés ces champs magnétiques et de la manière dont on les fait agir l'un sur l'autre.

Pour les moteurs synchrones et asynchrones, nous allons créer un champ magnétique, tournant dans l'espace du stator, et ayant pour charge d'entraîner le rotor en rotation.

1. Champs tournant dans l'air

La première idée qui vient pour créer un champ tournant dans l'air est de prendre un aimant en fer à cheval et de l'entraîner en rotation autour de son axe vertical comme le montre la figure ci-dessous.

Entre les pôles nord (N) et sud (S) nous observons que le champ magnétique est lui-même entraîné en rotation.

Nous pouvons le vérifier en plaçant une aiguille aimantée de boussole au point 0 dans l'espace entre les pôles N et S. On constate que la rotation de l'aiguille a la même vitesse que celle de l'aimant (figure ci-après).

Lorsque l'aimant tourne, il entraîne avec lui l'ensemble des lignes de champ ainsi que l'aiguille qui indique l'orientation de ces lignes de champ. Au point 0 nous avons un champ magnétique tournant.

Dans les moteurs que nous étudierons dans cette étude nous allons créer un champ magnétique tournant sans avoir recours à un aimant permanent.

 

2. Champ tournant en triphasé

Pour créer le champ magnétique, nous allons maintenant utiliser une bobine ou plutôt deux demi-bobines comme le montre la figure suivante.

Lorsque les demi-bobines sont parcourues par un courant, il se crée un champ magnétique en O dont le sens et l'intensité dépendent du sens et de l'intensité du courant I.

Le champ magnétique se referme soit en passant dans l'air (figure a) ci-après) soit dans une pièce en fer identique à notre aimant permanent en fer à cheval précédent (figure b) ci-après).

Dans les moteurs, c'est la carcasse du stator qui joue ce rôle. Pour obtenir un champ tournant, il nous faudrait, là encore, entraîner le dispositif en rotation.

Nous allons donc l'améliorer en utilisant trois montages identiques disposés à 120° l'un de l'autre et alimentés en alternatif par un système de tensions triphasées.

La dernière figure représente le stator d'un moteur possédant six enroulements reliés deux à deux de manière à former une paire de pôles (nord-sud) par phase.

 

Champ magnétique tournant :

Si l'on alimente les bornes A, B et C du stator avec une tension triphasée, on génère des courants Ia, Ib et Ic, déphasés de 120° les uns par rapport aux autres, comme le montre la figure ci-dessus.

Considérons que lorsque le courant est positif, la polarité des pôles correspond à celle qui apparaît à la figure ci-dessus. En revanche, lorsque le courant est négatif, la polarité est inversée. Considérons également que l'intensité du champ magnétique produit est proportionnelle au courant I.

A l'instant t1, le courant Ia atteint sa valeur positive maximale, créant la force magnétique dominante et dictant la force magnétique résultante de son pôle nord vers son pôle sud.

A l'instant t2, le courant Ic atteint sa valeur négative maximale, inversant ainsi la polarité de ses pôles et entraînant le déplacement de la force magnétique résultante de 60° dans le sens des aiguilles d'une montre.

A l'instant t3, le courant Ib atteint sa valeur positive maximale, entraînant de nouveau un déplacement de la force magnétique résultante de 60° dans le sens des aiguilles d'une montre.

Il en va de même pour les instants t4, t5, t6 et t7. On remarque donc que la force magnétique résultante se déplace de 60° dans le sens des aiguilles d'une montre à chacun des instants.

De ces observations, on peut conclure que le moteur accomplira une révolution complète à chaque cycle d'où le nom de champ magnétique tournant ou champ tournant.

Si l'on place l'aiguille aimantée d'une boussole au milieu, elle indiquera le sens du champ magnétique tournant et elle tournera dans le sens et à la même vitesse que le champ, comme le montre figure ci-dessus.

Si l'on inverse deux fils d'alimentation et que l'on reprend le même raisonnement, on remarque que le champ magnétique tournant se déplace dans le sens contraire à celui des aiguilles d'une montre.

C'est donc en inversant deux des trois fils d'alimentation que l'on inverse le sens de rotation des moteurs asynchrones triphasés.

3. Vitesse synchrone

La vitesse synchrone représente la vitesse de rotation du champ magnétique tournant.

Elle dépend de la fréquence de la tension d'alimentation et du nombre de pôles reliés à chacune des phases de tension. Ainsi, plus le nombre de pôles par phase sera grand, plus la vitesse synchrone sera petite.

On peut calculer la vitesse synchrone en appliquant l'équation suivante :

.

Dans laquelle :

ns = vitesse synchrone en min-1.
ƒ = fréquence de la tension d'alimentation en Hz.
p = nombre de paires de pôles par phase


Dans le métier, on dit simplement "nombre de pôles" pour désigner le nombre de pôles par phase. Par exemple, on dira qu'un moteur possède 4 pôles plutôt que quatre pôles par phase. Mais attention, dans les formules p désigne toujours le nombre de paires de pôles par phase.

Exemple d'application de cette formule :

Problème :

Un moteur asynchrones possédant 8 pôles par phase est alimenté par une tension triphasée de 600 volts et de 50 hertz.
Calculez sa vitesse synchrone.

Solution :

Il suffit d'appliquer l'équation vue précédemment, soit :

p = 4 paires de pôles.

.

.

ns = 750 min-1.

Le champ magnétique tournant a donc une vitesse synchrone de 750 min-1.

4. Résumé sur le champ magnétique tournant

•  Le fonctionnement des moteurs à induction triphasés repose sur le principe du champ magnétique tournant.

•  Le champ magnétique tournant peut être créé à partir d'un système de tensions triphasées alimentant des enroulements disposés à 120° l'un par rapport à l'autre.

- La vitesse synchrone de ces moteurs correspond à la vitesse du champ magnétique tournant et se calcule à l'aide de la formule suivante :

.

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