Moteur servo électrique 4.77N.m Moteur-C.A. Servo SGMP-15A3A4EPU 3000RMP de Yaskawa

Un simple moteur à courant continu possède une bobine de fil qui peut tourner dans un champ magnétique. Le courant dans la bobine est fourni via deux balais qui établissent un contact mobile avec un anneau fendu. La bobine se trouve dans un champ magnétique constant. Les forces exercées sur les fils porteurs de courant créent un couple sur la bobine.

La force F exercée sur un fil de longueur L transportant un courant i dans un champ magnétique B est iLB fois le sinus de l'angle entre B et i, qui serait de 90° si le champ était uniformément vertical. La direction de F provient de la règle de la main droite*, comme indiqué ici. Les deux forces représentées ici sont égales et opposées, mais elles sont déplacées verticalement et exercent donc un couple. (Les forces exercées sur les deux autres côtés de la bobine agissent le long de la même ligne et n'exercent donc aucun couple.)

La bobine peut aussi être considérée comme un dipôle magnétique, ou un petit électro-aimant, comme l'indique la flèche SN : enroulez les doigts de votre main droite dans le sens du courant, et votre pouce est le pôle Nord. Dans le croquis de droite, l'électro-aimant formé par la bobine du rotor est représenté comme un aimant permanent, et le même couple (le Nord attire le Sud) est celui qui agit pour aligner l'aimant central.

• Nous utilisons partout le bleu pour le pôle Nord et le rouge pour le pôle Sud. Il s'agit simplement d'une convention visant à clarifier l'orientation : il n'y a aucune différence dans le matériau à chaque extrémité de l'aimant, et ils ne sont généralement pas peints d'une couleur différente.

Notez l'effet dupinceauxsur leanneau fendu. Lorsque le plan de la bobine en rotation atteint l’horizontale, les balais rompent le contact (on ne perd pas grand-chose, car c’est de toute façon le point de couple nul – les forces agissent vers l’intérieur). Le moment cinétique de la bobine la fait dépasser ce point de rupture et le courant circule alors dans la direction opposée, ce qui inverse le dipôle magnétique. Ainsi, après avoir dépassé le point de rupture, le rotor continue de tourner dans le sens inverse des aiguilles d’une montre et commence à s’aligner dans la direction opposée. Dans le texte suivant, j'utiliserai largement l'image du "couple sur un aimant", mais sachez que l'utilisation de balais ou de courant alternatif peut provoquer un changement de position des pôles de l'électro-aimant en question lorsque le courant change de direction.

Le couple généré sur un cycle varie avec la séparation verticale des deux forces. Cela dépend donc du sinus de l'angle entre l'axe de la bobine et le champ. Cependant, à cause de l'anneau fendu, c'est toujours dans le même sens. L'animation ci-dessous montre sa variation dans le temps, et vous pouvez l'arrêter à tout moment et vérifier la direction en appliquant la règle de la main droite.

Désormais, un moteur à courant continu est également un générateur à courant continu. Jetez un oeil à la prochaine animation. La bobine, l'anneau fendu, les balais et l'aimant sont exactement le même matériel que le moteur ci-dessus, mais la bobine est tournée, ce qui génère une force électromotrice.

Si vous utilisez de l'énergie mécanique pour faire tourner la bobine (N tours, zone A) à une vitesse angulaire uniforme ω dans le champ magnétiqueB, cela produira une force électromotrice sinusoïdale dans la bobine. emf (une emf ou force électromotrice est presque la même chose qu'une tension). Soit θ l'angle entreBet la normale à la bobine, donc le flux magnétique φ est NAB.cos θ. La loi de Faraday donne :

• emf = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

L'animation ci-dessus s'appellerait un générateur DC. Comme dans le moteur à courant continu, les extrémités de la bobine sont reliées à un anneau fendu dont les deux moitiés sont en contact avec les balais. Notez que les balais et l'anneau fendu "rectifient" la force électromotrice produite : les contacts sont organisés de manière à ce que le courant circule toujours dans le même sens, car lorsque la bobine passe au-delà du point mort, là où les balais rencontrent l'espace dans l'anneau, les connexions entre les extrémités de la bobine et les bornes externes sont inversées. La force électromotrice ici (en négligeant le point mort, ce qui se produit commodément à zéro volt) est |NBAω sin ωt|, comme indiqué.

Si nous voulons du courant alternatif, nous n'avons pas besoin de recification, donc nous n'avons pas besoin d'anneaux brisés. (C'est une bonne nouvelle, car les anneaux brisés provoquent des étincelles, de l'ozone, des interférences radio et une usure supplémentaire. Si vous voulez du courant continu, il est souvent préférable d'utiliser un alternateur et de rectifier avec des diodes.)

Dans l'animation suivante, les deux brosses entrent en contact avec deux anneaux continus, de sorte que les deux bornes externes sont toujours connectées aux mêmes extrémités de la bobine. Le résultat est la force électromotrice sinusoïdale non rectifiée donnée par NBAω sin ωt, qui est présentée dans l'animation suivante.

Maintenant, comme le montrent les deux premières animations, les moteurs à courant continu et les générateurs peuvent être la même chose. Par exemple, les moteurs des trains deviennent des générateurs lorsque le train ralentit : ils convertissent l’énergie cinétique en énergie électrique et réinjectent de l’électricité dans le réseau. Récemment, quelques constructeurs ont commencé à fabriquer des automobiles de manière rationnelle. Dans ces voitures, les moteurs électriques utilisés pour conduire la voiture sont également utilisés pour charger les batteries lorsque la voiture est à l’arrêt – c’est ce qu’on appelle le freinage par récupération.

Voici donc un corollaire intéressant.Chaque moteur est un générateur. Cela est vrai, dans un sens, même lorsqu’il fonctionne comme moteur. La force électromotrice générée par un moteur est appeléeretour FEM. La force contre-électromotrice augmente avec la vitesse, à cause de la loi de Faraday. Ainsi, si le moteur n'a pas de charge, il tourne très rapidement et accélère jusqu'à ce que la force contre-électromotrice, plus la chute de tension due aux pertes, soient égales à la tension d'alimentation. La force contre-électromotrice peut être considérée comme un « régulateur » : elle empêche le moteur de tourner infiniment vite (évitant ainsi aux physiciens un certain embarras). Lorsque le moteur est chargé, alors la phase de la tension se rapproche de celle du courant (elle commence à paraître résistive) et cette résistance apparente donne une tension. Ainsi, la force contre-électromotrice requise est plus petite et le moteur tourne plus lentement. (Pour ajouter la force contre-électromotrice, qui est inductive, au composant résistif, vous devez ajouter des tensions déphasées. Voir Circuits CA.)

Les bobines ont généralement des noyaux

En pratique (et contrairement aux schémas que nous avons dessinés), les générateurs et les moteurs à courant continu ont souvent un noyau à haute perméabilité à l'intérieur de la bobine, de sorte que de grands champs magnétiques sont produits par des courants modestes. Ceci est illustré à gauche dans la figure ci-dessous dans laquelle lestators(les aimants qui sont statiques) sont des aimants permanents.

Les aimants du stator pourraient également être réalisés sous forme d’électro-aimants, comme indiqué ci-dessus à droite. Les deux stators sont bobinés dans le même sens de manière à donner un champ dans le même sens et le rotor a un champ qui s'inverse deux fois par cycle car il est relié à des balais, qui sont omis ici. L'un des avantages d'avoir des stators bobinés dans un moteur est que l'on peut fabriquer un moteur qui fonctionne en courant alternatif ou continu, ce qu'on appellemoteur universel. Lorsque vous conduisez un tel moteur en courant alternatif, le courant dans la bobine change deux fois à chaque cycle (en plus des changements des balais), mais la polarité des stators change en même temps, donc ces changements s'annulent. (Malheureusement, il existe encore des pinceaux, même si je les ai cachés dans ce croquis.)

Pour construire ce moteur simple mais étrange, vous avez besoin de deux aimants assez puissants (des aimants de terres rares d'environ 10 mm de diamètre conviendraient, tout comme des barres magnétiques plus grandes), du fil de cuivre rigide (au moins 50 cm), deux fils avec des pinces crocodiles à chaque extrémité, une pile de lanterne de six volts, deux canettes de boisson gazeuse, deux blocs de bois, du ruban adhésif et un clou pointu.

Fabriquez la bobine avec du fil de cuivre rigide, elle n'a donc besoin d'aucun support externe. Enroulez 5 à 20 tours dans un cercle d'environ 20 mm de diamètre et faites en sorte que les deux extrémités soient orientées radialement vers l'extérieur dans des directions opposées. Ces extrémités seront à la fois l'axe et les contacts. Si le fil est recouvert de laque ou d'une isolation en plastique, dénudez-le aux extrémités.

Avec les courants alternatifs, nous pouvons inverser les directions du champ sans avoir à utiliser de balais. C'est une bonne nouvelle, car nous pouvons éviter les arcs électriques, la production d'ozone et la perte d'énergie ohmique que peuvent entraîner les balais. De plus, comme les brosses entrent en contact entre des surfaces en mouvement, elles s'usent.

La première chose à faire dans un moteur à courant alternatif est de créer un champ tournant. Le courant alternatif « ordinaire » provenant d'une prise à 2 ou 3 broches est du courant alternatif monophasé : il a une seule différence de potentiel sinusoïdale générée entre seulement deux fils : l'actif et le neutre. (A noter que le fil de terre ne transporte pas de courant sauf en cas de défaut électrique.) Avec du courant alternatif monophasé, on peut produire un champ tournant en générant deux courants déphasés à l'aide par exemple d'un condensateur. Dans l'exemple illustré, les deux courants sont déphasés de 90°, donc la composante verticale du champ magnétique est sinusoïdale, tandis que la composante horizontale est cosusoïdale, comme illustré. Cela donne un champ tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

(* On m'a demandé d'expliquer ceci : ni les bobines ni les condensateurs n'ont la tension en phase avec le courant. Dans un condensateur, la tension est maximale lorsque la charge a fini de circuler sur le condensateur et est sur le point de commencer à s'écouler. Ainsi, la tension est en retard sur le courant. Dans une bobine purement inductive, la chute de tension est plus grande lorsque le courant change le plus rapidement, ce qui est également lorsque le courant est nul. La tension (chute) est en avance sur le courant. Dans les bobines de moteur, l'angle de phase est plutôt inférieur à 90¡, car l'énergie électrique est convertie en énergie mécanique.)

Dans cette animation, les graphiques montrent la variation dans le temps des courants dans les bobines verticales et horizontales. Le tracé des composantes du champ B_xet B_ouimontre que la somme vectorielle de ces deux champs est un champ tournant. L'image principale montre le champ tournant. Il montre également la polarité des aimants : comme ci-dessus, le bleu représente un pôle Nord et le rouge un pôle Sud.

Si nous plaçons un aimant permanent dans cette zone de champ tournant, ou si nous plaçons une bobine dont le courant circule toujours dans le même sens, alors cela devient unmoteur synchrone. Dans un large éventail de conditions, le moteur tourne à la vitesse du champ magnétique. Si nous avons beaucoup de stators, au lieu des deux paires représentées ici, nous pourrions alors le considérer comme un moteur pas à pas : chaque impulsion déplace le rotor vers la paire suivante de pôles actionnés. N'oubliez pas mon avertissement concernant la géométrie idéalisée : les vrais moteurs pas à pas ont des dizaines de pôles et des géométries assez compliquées !

Désormais, puisque nous disposons d’un champ magnétique variant dans le temps, nous pouvons utiliser la force électromotrice induite dans une bobine – ou même simplement les courants de Foucault dans un conducteur – pour faire du rotor un aimant. C'est vrai, une fois que vous avez un champ magnétique tournant, vous pouvez simplement insérer un conducteur et il tourne. Cela donne plusieurs desavantages des moteurs à induction: pas de balais ni de collecteur signifie une fabrication plus facile, pas d'usure, pas d'étincelles, pas de production d'ozone et aucune perte d'énergie qui y est associée.

L'animation à droite représente unmoteur à cage d'écureuil. La cage d'écureuil comporte (dans cette géométrie simplifiée en tout cas !) deux conducteurs circulaires réunis par plusieurs barres droites. Deux barres quelconques et les arcs qui les rejoignent forment une bobine, comme l'indiquent les tirets bleus dans l'animation. (Seuls deux des nombreux circuits possibles ont été représentés, par souci de simplicité.)

Ce schéma suggère pourquoi on pourrait les appeler moteurs à cage d'écureuil. La réalité est différente : pour des photos et plus de détails. Le problème avec les moteurs à induction et à cage d'écureuil présentés dans cette animation est que les condensateurs de grande valeur et à haute tension nominale sont chers. Une solution est le moteur à « pôles ombrés », mais son champ de rotation présente certaines directions dans lesquelles le couple est faible et il a tendance à reculer dans certaines conditions. La meilleure façon d’éviter cela est d’utiliser des moteurs multiphasés.

Le monophasé est utilisé dans les applications domestiques pour les applications de faible puissance, mais il présente certains inconvénients. La première est qu'il s'éteint 100 fois par seconde (vous ne remarquez pas que les lumières fluorescentes scintillent à cette vitesse parce que vos yeux sont trop lents : même 25 images par seconde sur le téléviseur sont suffisamment rapides pour donner l'illusion d'un mouvement continu.) La seconde est que cela rend difficile la production de champs magnétiques rotatifs. Pour cette raison, certains appareils domestiques de forte puissance (plusieurs kW) peuvent nécessiter une installation triphasée. Les applications industrielles utilisent largement le triphasé, et le moteur à induction triphasé est un outil standard pour les applications haute puissance. Les trois fils (sans compter la terre) véhiculent trois différences de potentiel possibles qui sont déphasées les unes par rapport aux autres de 120°, comme le montre l'animation ci-dessous. Ainsi, trois stators donnent un champ tournant doucement.

Si l'on met un aimant permanent dans un tel ensemble de stators, cela devient unmoteur triphasé synchrone. L'animation montre une cage d'écureuil dans laquelle, par souci de simplicité, une seule des nombreuses boucles de courant induit est représentée. Sans charge mécanique, il tourne pratiquement en phase avec le champ tournant. Le rotor n'est pas nécessairement une cage d'écureuil : en fait, tout conducteur qui véhiculera des courants de Foucault tournera, tendant à suivre le champ tournant. Cet arrangement peut donner unmoteur à inductioncapable d'un rendement élevé, d'une puissance élevée et de couples élevés sur une plage de taux de rotation.

Un ensemble de bobines peut être utilisé pour créer un champ magnétique qui se traduit plutôt que de tourner. La paire de bobines dans l’animation ci-dessous est pulsée de gauche à droite, de sorte que la région du champ magnétique se déplace de gauche à droite. Un aimant permanent ou électromagnétique aura tendance à suivre le champ. Il en serait de même pour une simple plaque de matériau conducteur, car les courants de Foucault qui y sont induits (non représentés) comprennent un électro-aimant. Alternativement, nous pourrions dire que, d'après la loi de Faraday, une force électromotrice dans la dalle métallique est toujours induite de manière à s'opposer à tout changement du flux magnétique, et les forces exercées sur les courants entraînés par cette force électromotrice maintiennent le flux dans la dalle presque constant. (Les courants de Foucault ne sont pas représentés dans cette animation.)