Types de moteur à courant continu

Dans cette partie, vous étudierez :

- Les schémas de branchement ;

- Les caractéristiques mécaniques de la vitesse de rotation en fonction du couple moteur de différents types de moteur à courant continu.

Comme dans le cas des génératrices à excitation indépendante, le bobinage inducteur des moteurs à excitation indépendante est raccordé à une alimentation à courant continu séparée.

Par conséquent, le courant qui alimente l'inducteur est indépendant de celui qui alimente l'induit.

Caractéristique mécanique :

La caractéristique mécanique est la relation entre la vitesse de rotation et le couple moteur.

Le schéma de branchement d'un moteur à excitation indépendante et la caractéristique mécanique sont représentés à la figure 2.6.

Figure 2.6     Caractéristique mécanique d'un moteur à excitation indépendante.

La caractéristique mécanique est relevée à tension d'alimentation et à flux constants.

Lorsque le courant d'induit augmente, le couple qui lui est proportionnel augmente, ainsi que la chute de tension aux bornes de l'induit. Cette dernière fait chuter la force contre-électromotrice. Par conséquent, la vitesse diminue puisqu'elle est proportionnelle à la f.c.é.m.

Ce type d'excitation est fréquemment utilisé lorsqu'on désire faire varier la vitesse entre de larges limites avec un couple moteur constant. Dans ce cas, le flux étant maintenu constant, on fait varier la tension d'alimentation de l'induit à l'aide d'une génératrice à tension réglable.

La vitesse étant inversement proportionnelle au flux, si le flux s'annule (ce qui peut se produire, par exemple, par rupture du circuit d'excitation), la vitesse prendra des valeurs très élevées et le moteur aura tendance à s'emballer.

On doit donc prévoir un dispositif de protection du circuit inducteur.

Dans un moteur à excitation en dérivation, le circuit inducteur est branché en parallèle avec l'induit et, de ce fait, alimenté sous la même tension.

Ce moteur a les mêmes caractéristiques que le moteur à excitation indépendante.

Il est utilisé sur des machines-outils démarrant à vide et sur des pompes de circulation. La figure suivante vous montre le schéma d'un moteur à excitation en dérivation.

Moteur à excitation en dérivation :

Dans un moteur à excitation en série, le circuit inducteur qui produit le champ est raccordé en série avec l'induit.

Caractéristique mécanique :

Le couple est proportionnel au flux et au courant d'induit, il devient proportionnel au carré du courant d'induit.

Si l'on augmente la charge, le flux augmente proportionnellement. Quant au couple, il augmente selon le carré du courant d'induit. Comme la vitesse est inversement proportionnelle au flux, elle diminue.

La figure suivante représente le schéma de branchement et la caractéristique mécanique d'un moteur à excitation en série.

Moteur à excitation en série :

On remarque, sur la caractéristique, qu'il n'y a pas de vitesse à vide. En effet, si le moteur tourne à vide, le courant d'induit est nul.

Aucun champ n'est produit dans le moteur. Le flux est nul. Comme la vitesse est inversement proportionnelle au flux, elle tend à prendre des valeurs très élevées.

On parle de l'emballement du moteur. C'est pourquoi, on ne fait jamais démarrer un moteur à excitation en série à vide.

L'avantage de ce type d'excitation réside dans le couple qui est maximal au démarrage du moteur.

Ce moteur est bien adapté pour démarrer avec de grosses charges dont l'inertie est élevée. Il est particulièrement utile comme moteur d'entraînement des trolleys, des trains et des systèmes de traction à grande puissance.

Le moteur à excitation composée comporte un inducteur série et un inducteur shunt. Comme dans le cas des génératrices, lorsque le flux de l'inducteur série s'ajoute à celui de l'inducteur shunt, le moteur est appelé à excitation composée à flux additif.

Par contre, si l'inducteur série est raccordé de façon que son flux soit dans le sens contraire du flux de l'inducteur shunt, le moteur est à excitation composée à flux soustractif.

Ce genre de moteur peut être branché en longue dérivation ou en courte dérivation, comme le montre la figure suivante.

Moteur à excitation composée :

Lorsque le moteur tourne à vide, le courant dans l'inducteur série est faible et son flux est négligeable si on le compare à celui de l'inducteur shunt. Le moteur agit alors comme un moteur shunt. Il présente donc un avantage par rapport au moteur à excitation série : il ne s'emballe pas à vide.

Flux additif :

La partie haute de la figure 2.9 représente la caractéristique mécanique de la vitesse de rotation en fonction du couple moteur d'un moteur à excitation composée à flux additif. Lorsque la charge augmente, le flux de l'inducteur série augmente et s'ajoute à celui de l'inducteur shunt.

Le flux total augmente donc dans le moteur. La vitesse étant inversement proportionnelle au flux, elle diminue lorsque le flux augmente.

Ce genre de moteur sert à entraîner des charges très élevées pendant une courte durée (étaux-limeurs, poinçonneuses, cisailles, etc.).

Flux soustractif :

La partie basse de la figure 2.9 représente la caractéristique mécanique d'un moteur à excitation composée à flux soustractif. Lorsque la charge augmente, le flux de l'inducteur série s'oppose au flux de l'inducteur shunt. Cela amène une diminution du flux total dans le moteur. Par conséquent, la vitesse augmente.

Les moteurs à aimants permanents comportent des aimants permanents plutôt que des enroulements inducteurs pour produire le champ magnétique du stator. La figure 2.10 représente le schéma d'un tel moteur.

Ces aimants assurent une intensité de champ constante, ce qui amène des caractéristiques similaires à celles des moteurs à excitation en dérivation.

Schéma d'un moteur à aimants permanents :

On se sert des moteurs à aimants permanents pour des applications de faible et moyenne puissance, en particulier pour les appareils alimentés par pile. Il est également très utilisé en robotique.

Résumé sur les types de moteur à courant continu :

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

• Il y a cinq modes d'excitation des moteurs à courant continu :

- excitation indépendante ;

- excitation en dérivation ;

- excitation en série ;

- excitation composée ;

- excitation par aimants permanents.

• La caractéristique mécanique est la relation entre la vitesse de rotation et le couple moteur.

• La vitesse est proportionnelle à la tension d'alimentation, en négligeant la chute de tension aux bornes de l'induit, et inversement proportionnelle au flux.

• Le couple est proportionnel au flux et au courant d'induit.

• Dans le cas des moteurs à excitation en dérivation ou à excitation indépendante, la vitesse diminue légèrement lorsque la charge augmente. Si le flux s'annule par rupture du circuit d'excitation, ces moteurs s'emballent.

• La vitesse d'un moteur à excitation en série diminue considérablement lorsque la charge augmente. A vide, ce moteur s'emballe.

• A vide, un moteur à excitation composée agit comme un moteur shunt. Il ne s'emballe pas.

• Lorsque les flux des inducteurs shunt et série s'ajoutent, il s'agit de flux additif :

la vitesse diminue avec la charge.

• Lorsque les flux des inducteurs shunt et série sont contraires, il s'agit de flux soustractif :

la vitesse augmente avec la charge.

• On utilise des moteurs à aimants permanents lorsqu'il est question d'appareils alimentés par pile ou en robotique.