Machines à CC

Prof. Mourad ZEGRARI

Plan
Principe.
Constitution.
Production de la f.é.m. ; Bobinage.
Génératrice à courant continu.
Moteur à courant continu : caractéristiques électromécaniques.
Variation de la vitesse des Moteurs CC.

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Machines à
Courant Continu

2

Plan
A

Principe
B Constitution
C

Bobinage
Production de la f.é.m.

D Génératrice à Courant Continu

E Moteurs à Courant Continu
F

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Variation de la vitesse des Moteurs CC

Machines à
Courant Continu

3

Présentation
La Machine à Courant Continu (MCC) est un convertisseur électromécanique réversible :
Moteur
Energie
Electrique

Energie
Mécanique

Génératrice
Génératrice CC : pratiquement elle n’est plus utilisée pour la production de l’énergie
électrique. Cependant, on l’utilise encore comme excitatrice des alternateurs des
centrales, ou pour un freinage par récupération.
Moteur CC : utilisé à grande échelle dans les entraînement à vitesse variable en raison
de sa souplesse de commande. Utilisé également dans la traction électriques.
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Courant Continu

4

Utilisation des Machines CC
Fonctionnement en Moteur
Motorisation à vitesse variable (puissances jusqu’à plusieurs MW, vitesse < 4000 tr/min)
Moteurs CC à aimants permanents alimenté par des batteries
(Outillage, accessoires automobile, mécatronique)
Servomoteurs (Positionnement, robotique, machines-outisl)
Moteurs CC pour traction électrique (Navires, trains, manutention, petits véhicules)
Entraînements industriels (Métallurgie, laminoirs)

Fonctionnement en Génératrice
Limité au freinage par récupération.

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Courant Continu

5

Applications industrielles
Motorisation à faible puissance
Moteurs CC à aimants permanents alimentés par des batteries :

Accessoires automobile

Outillage portable

Robotique, mécatronique :

Servomoteurs
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Positionneurs
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Courant Continu

6

Applications industrielles
Motorisation à forte puissance
Traction électrique :

Moteurs pour traction

Moteurs pour bateaux

Ascenseurs (mines)

Laminoirs

Métallurgie

Entraînements industriels

Laminoir 13 MW - 80 tr/min
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Courant Continu

7

Applications spatiales
Mars Rovers - NASA
46 Moteurs CC sans fer :
16 moteurs : systèmes rétraction à airbag sur système
"aMarsissage“.
4 moteurs : deplier le panneau solaire.
4 moteurs : deplier le robot et les roues.
6 moteurs : traction des six roues
5 moteurs : conduite et direction.
7 moteurs : bra robotique (abrasion des roches, perçage
10.000 tr/min, 2 spectromètres, caméra-microscope).
1 moteur : spectromètre infarouge.
3 moteurs : caméras.

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Courant Continu

8

Analyse fonctionnelle
Machine à Courant Continu
à collecteur et balais

Machine Synchrone associée
à un convertisseur CC-CA

Inducteur (fixe) : placé au stator, il permet de produire une f.m.m. constante.
Induit (mobile) : enroulement placé au rotor et siège des f.é.m. induites.
Induit

Inducteur

Collecteur

Balais

Collecteur : solidaire au rotor avec des lames en cuivre reliées au bobinage de l’induit.
Balais : fixes au stator et frottant contre le collecteur, conversion DC-AC des tensions.

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Courant Continu

9

Éléments de base
Exemple : Machine Bipolaire
Flux créé par
l’inducteur

Rotor : Induit
Ω

N

φe

A

S

AB : Spire de l’induit

B

X

Lames

Stator : Inducteur

Collecteur

Y

Balais
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Courant Continu

10

Génératrice CC : Principe
Une spire conductrice AB est placée dans un champ magnétique d’induction B fixe.
On entraîne la spire en rotation à une vitesse constante Ω.
Ω

A

A

S

N

Ω

N

B

eAB

S
X

VXY

B

Y

Ligne neutre

Loi de
Faraday

N

t

t
VXY = eAB

S

VXY = - eAB

Création d’une force électromotrice induite eAB alternative :

eAB(t) = Em sin(Ωt)

Tension entre balais VXY unidirectionnelle (redressée) :

VXY = eAB(t)

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Courant Continu

11

Génératrice CC : Collecteur en Redresseur
Mode Génératrice : le collecteur fonctionne comme redresseur de tension.
Ω

Ω

A

B

S

N

A

N

B

A

Y

X

eAB

Le collecteur permet de
redresser la tension VXY
entre balais :

X

Y

Ligne neutre
VXY = eAB = 0

VX = VA ; VY = VB
VXY = eAB > 0

Y

VX = VB ; VY = VA
VXY = - eAB > 0
VXY

Ligne neutre

Ligne neutre

t

t
VXY = eAB

VXY = eAB(t)

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S

N

S

B

X

Ω

Machines à
Courant Continu

VXY = - eAB

12

Moteur CC : Principe
Une spire conductrice AB est placée dans un champ magnétique d’induction B fixe.
On fait parcourir la spire par un courant constant

a.

Ω

Be

Loi de
Laplace

N

F1

A

B

F2

S

Va

F

Chaque conducteur de la spire subit une force magnétique F.
Les forces F1 et F2 appliquées de chaque côté font tourner la spire.

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13

Moteur CC : Production du couple
La spire AB est alimentée par un courant continu

a

à travers le collecteur.

Ω

Ω

Tem

Tem
F1

A

N

A

Be

F2

F1
B
X

Be

N

S

B

Be

X

Y

S
Be

F2

Y

Les forces appliquées de chaque coté ont toujours le même sens.
Le couple électromagnétique créé Tem a toujours le même signe.
Le courant dans l’armature
franchit la ligne neutre.
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a

change de signe dans un conducteur lorsque celui-ci

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Courant Continu

14

Plan
A

Principe
B Constitution
C

Bobinage
Production de la f.é.m.

D Génératrice à Courant Continu

E Moteurs à Courant Continu
F

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Variation de la vitesse des Moteurs CC

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Courant Continu

15

Structure générale
Une machine à courant continu comporte les éléments suivants :
Un système inducteur :
Formé d’un aimant permanent ou d’un électro-aimant bobiné sur une pièce polaire, il
permet de produire une f.m.m. constante.
Un système induit :
Constitué par un enroulement mobile placé dans un rotor et dans lequel apparaissent
des forces électromotrices induites alternatives.
Un collecteur :
Dispositif permettant le redressement mécanique de la tension induite alternative
créée dans l’enroulement induit.

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Courant Continu

16

Vue en coupe de la MCC
Induit bobiné

Inducteur

Ventilateur

Balais

Boîte à bornes
Collecteur

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Courant Continu

17

Stator : Structure
Le stator comporte les parties suivantes :
Boite à bornes : pour le câblage de la machine.
Fixation : bride et support de fixation.

Lignes du champ inducteur

Culasse : partie extérieure de la machine.
Boîte à bornes

Fixation

φe

N

S

Culasse

La culasse supporte les éléments de la machine et permet de guider les lignes du
champ inducteur. Elle peut être constituée d’acier massif car le flux est fixe.
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18

Types d’inducteurs
Le flux d’excitation φe peut être créé par :
Aimants permanents : champ fixe
Les pertes joules dans l’inducteur sont supprimées
mais l’excitation magnétique est fixe.
Dans les grosses machines, le coût des aimants
pénalise cette solution.
Enroulements polaires : champ réglable
L’inducteur est bobiné sur les pièces polaires et
parcouru par un courant d’excitation e réglable afin
de modifier le flux inducteur φe. Pour les machines de
fortes puissances, on place des pôles auxiliaires
pour améliorer la commutation du courant dans les
conducteurs de l’induit.
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19

Enroulement inducteur
Le courant d’excitation

e

peut être fourni par :

Une source extérieure indépendante : Excitation séparée.
L’enroulement induit, le montage du circuit inducteur se fait :

• En parallèle avec l’induit : Excitation Shunt.
faible
Re et ne élevés :
Fe = ne. e
L’enroulement parallèle est réalisé en fil de cuivre de section faible.
e

• En série avec l’induit : Excitation Série.
= a élevé
Ra et na faibles : Fe = na. a
L’enroulement série est réalisé en fil de cuivre de section élevée.
e

• Combinaison de deux enroulements : Excitation composée.
- Un enroulement en parallèle, ne spires parcourues par
- Un enroulement en série, na spires parcourues par a.
La f.m.m. résultante s’écrit :
Fe = ne. e ± na. a

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e.

20

Montage des enroulements inducteurs

Excitation
à aimant

N

S

Excitation
Séparée / Shunt

e

a

a

Excitation
Série

Excitation
Composée
(compound)

e

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21

Couplage des enroulements inducteurs

Source
Externe

MCC

Excitation Séparée
(Indépendante)

Excitation Composée
(Compound)

MCC

Excitation Shunt
(Parallèle)

MCC

Longue dérivation
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Courant Continu

MCC

Excitation Série

MCC

Courte dérivation
22

Rotor : Structure
Constitué d’un cylindre :
Laminé pour réduire les pertes magnétiques.
Muni d’encoches permettant de loger les enroulements de l’induit.

Rotor

Associé à un dispositif de redressement mécanique : Collecteur.
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23

Rotor : Circuit induit
Circuit magnétique

Lames du
collecteur

Capot de
ventilation

Arbre

Collecteur
Circuit électrique

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24

Induit : Circuit magnétique
Le circuit magnétique de l’induit est constitué de tôles circulaires en acier au silicium,
isolées par vernis et empilées sur l’arbre de façon à obtenir le cylindre d’induit.

Le champ inducteur vu par l’induit au cours d’un tour étant variable, le circuit du rotor doit
être feuilleté afin de réduire les pertes magnétiques dans l’induit.
Tôles isolées à 3,5% de silicium, épaisseur 0,35 mm.
Des pertes de 3 W/kg pour une induction de 1T.
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Courant Continu

25

Induit : Circuit électrique
Les bobines de l’induit sont réalisées par des sections logées dans les encoches de
l’induit et fermées par des cales. Un frettage assure la tenue aux efforts centrifuges.
Les encoches peuvent être inclinées d’un pas, ceci afin de diminuer les oscillations de
tension et de couple introduites par la modulation de la largeur d’entrefer.
Les sections sont brasées aux lames du collecteur et mises en série.
Têtes de bobinage
(chignons)
1 Section :
= 2 faisceaux
= x spires

1 faisceau =
x brins

Lame du collecteur
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Courant Continu

26

Induit : Bobinage du circuit électrique

y1
y2

y1

y2

yc
Bobinage imbriqué

yc

Bobinage ondulé

yc = pas au collecteur ; y1 = pas de bobine ou pas arrière ; y2 = pas avant
Le choix des bobinages dépend des courants et tensions appliquées :
Bobinage imbriqué : Forte intensité, faible tension
Bobinage ondulé :
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Faible intensité, forte tension
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Courant Continu

27

Collecteur
Le collecteur permet d’assurer la commutation du
courant d’alimentation dans les conducteurs de
l’induit. C’est un convertisseur mécanique AC-DC en
génératrice et DC-AC en moteur.
Le montage est réalisé par une juxtaposition des
lames de cuivre séparées par des lames isolantes.
Chaque lame est connectée au bobinage induit.

C’est le constituant critique des machines CC :
Ses lames sont soumises à des forces centrifuges
considérables.
Son usure due au frottement des balais nécessite
une maintenance régulière.
Il accroît de 25% la longueur de la machine.
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Courant Continu

28

Balais
Les balais assurent la liaison électrique (contact glissant)
entre la partie fixe et la partie tournante.
Pour des machines de forte puissance, la mise en
parallèle des balais est alors nécessaire (multiplication
des voies des enroulements).

Les balais doivent avoir une durée de vie aussi longue
que possible et assurer un bon contact électrique.
On estime les pertes dans les machines tournantes :
Pertes de nature mécanique à 35% ;
Pertes de nature électrique à 65%

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Courant Continu

29

Balais et porte balais
Caractéristiques
Un balai couvre environ la largeur d’une lame et demi.
La pression du balai est assurée par un ressort.
La chute de tension eB due à un balai est d’environ 0,3V à 3V.

Balais

Porte-balais

Problème : L’usure du balai provoque la mise en court-circuit du collecteur.
Remède : Nécessité de souffler, avec de l ’air comprimé, le collecteur et les porte-balais
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Courant Continu

30

Machine CC : Vue détaillée

6
5
1
2
3
7

4

L’induit (1) avec ses encoches perforées axialement pour son refroidissement.
Le collecteur (2) et l’ensemble porte-balais/balais (3) ainsi que la trappe de visite pour la
maintenance (4).
Les pôles inducteurs feuilletés (5) vissés sur l’induit.
La moto ventilation (6) ainsi que le système de fixation par pattes (7).
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Machines à
Courant Continu

31

Refroidissement
On fixe un ventilateur qui fonctionne indépendamment de la machine.
La circulation d’air dans l’entrefer est ainsi forcée.

Excepté : robotique, équipement automobile, petite puissance.
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Machines à
Courant Continu

32

Plan
A

Principe
B Constitution
C

Bobinage
Production de la f.é.m.

D Génératrice à Courant Continu

E Moteurs à Courant Continu
F

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Variation de la vitesse des Moteurs CC

Machines à
Courant Continu

33

Production de la f.é.m. : induit à une spire
On considère une structure bipolaire, comportant une spire entraînée à la vitesse Ω.
La disposition de la spire dans l’entrefer est repérée par l’angle θ = Ωt.
Ω

Ω
n : normale à la
spire
S Axe polaire
B

A

N

N

S
B

X

Y

Flux engendré de la forme : φ(t) = φm cosθ = φm cos(Ωt)
Création d’une f.é.m. :
eAB(t) = es(t) = φm Ω sin(Ωt)
Tension redressée :
e(t) = es(t)
φ es

e

es

φ
π

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2π

θ = ωt

Machines à
Courant Continu

π
Ω

π
Ω

t

34

Production de la f.é.m. : induit à deux spires
Associons deux spires identiques placées dans deux encoches diamétralement opposées.
Les conducteurs parcourus pour aller d’un balais à l’autre constitue une voie d’enroulement.
Ω
A
e1

S

N

e’1

e

B

L’induit possède deux voies d’enroulement constituée chacune d’une spire.
A chaque instant, les f.é.m. induites dans les enroulements sont égales : e1 = e’1 = e
e

Tension moyenne :
π

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2π

θ

=

φ
Ω
π

Forme unidirectionnelle périodique de (T/2)
mais fortement ondulée.
Machines à
Courant Continu

35

Production de la f.é.m. : induit à quatre spires
Associons quatre spires identiques placées dans quatre encoches décalées de 90°.
Ces spires sont connectées comme le montre la figure suivante :
Ω
A

C

S

N
D

e1

e’1

e2

e’2

e

B

L’induit possède deux voies d’enroulement constituée chacune de deux spires.
Chaque voie regroupe deux spires dont les f.é.m. sont déphasées de (π/2) entre elles.
e

e

e1

0

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Tension résultante périodique de (T/4).

e2

π

π

π

π

θ

Ondulations diminuées par augmentation du
nombre de spires en série.
Machines à
Courant Continu

36

Production de la f.é.m. : induit à plusieurs spires
Associons Z conducteurs afin de former Zs = (Z / 2) spires.
Les sections des spires sont logées dans des paires d’encoches diamétralement opposées.
Ω

S

N

e1
e2

e’1

ek

e’k

e’2

e

L’induit possède deux voies d’enroulement constituée chacune de (Zs / 2) spires.
La f.é.m. totale e pour chaque voie est :

=

e

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=

=

=

ek

e1 e1

=

e1

π

φΩ

Les tensions ei ont la même amplitude : ei = φΩ
La f.é.m. résultante est assimilable à un demicercle de diamètre E.
Machines à
Courant Continu

37

Réalisation du bobinage
π
π

Encochage de l’induit
Lames de cuivre isolées

Section de l’induit

Collecteur mobile

Bobine élémentaire à
plusieurs spires.

Balais fixes

Pas diamétral.

N

S

Pôles inducteurs fixes

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Machines à
Courant Continu

38

Expression de la f.é.m. : Machine bipolaire
La multiplication des spires permet d’augmenter la valeur
de la f.é.m. produite et de réduire ses ondulations.
On considère une rotor à Ne encoches avec un conducteur
par encoche. La f.é.m. E s’écrit :
∆φ
=
∆
Pour un déplacement d’un pas d’encoche (1/Ne tour) :
∆φ = φ

et

∆ =

π
Ω

e
E

t

La f.é.m. devient :
=

π

φ Ω

S encoche :
N d’un conducteur par
Sachant que l’on dispose
=

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π

φ Ω
Machines à
Courant Continu

39

Expression généralisée de la f.é.m.
La force électromotrice à vide peut s’exprimer sous la forme généralisée suivante :

=

π

φ Ω=

φ Ω

: Force électromotrice à vide (V)
= 2π × Z × (p/a) : Constante de machine telle que :
Z : Nombre de conducteurs dans l’induit.
p : Nombre de paires de pôles.
a : Nombre de paires de voies d’enroulements.
φe : Flux inducteur (Wb)
Ω : Vitesse de rotation (rad / s)

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Machines à
Courant Continu

40

Plan
A

Principe
B Constitution
C

Bobinage
Production de la f.é.m.

D Génératrice à Courant Continu
E Moteurs à Courant Continu
F

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Variation de la vitesse des Moteurs CC

Machines à
Courant Continu

41

Génératrice CC : Excitation séparée
Le circuit inducteur est alimenté par une source continue Ve externe :
φe

e

Ve

ne

a

GCC

Va

Source
Externe

Inducteur
(Stator)

Induit
(Rotor)

La valeur moyenne de la f.é.m. redressée par le système balais-collecteur s’écrit :

=

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π

φ Ω=

φ Ω
Machines à
Courant Continu

42

Caractéristique à vide linéaire
On suppose que la saturation n’est pas atteinte.
On néglige également le flux rémanent φr.
La caractéristique magnétique du flux est linéaire :
φ

Ev

La caractéristique à vide est linéaire :
φ Ω

Ω

Caractéristique à
vide réelle

Ev = Van

À vitesse constante, la caractéristique à vide devient :
Ω

A

Caractéristique
à vide linéaire :

Er
O

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Machines à
Courant Continu

43

Fonctionnement en charge
La génératrice débite un courant

dans une charge.

Superposition de deux force magnétomotrices :
Force magnétomotrice de l’inducteur : Fe

(ne : nombre de spires de l’inducteur)

Force magnétomotrice de l’induit :

(k : coefficient de la machine)

Fa

F.m.m. F résultante :

F = Fe + Fa

Flux φ résultant :

φ

φ

φ

Phénomène :
Réaction Magnétique de l’Induit.
Conséquence :
Atténuation du flux utile.

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Machines à
Courant Continu

44

Fonctionnement en charge
Le modèle de la machine à courant continu est le suivant :

Re

Ve

La

φe

e

Ra

a

E

Ra : Résistance de
l’enroulement induit.
Va

Source
Externe
Modèle de l’Induit

La : Inductance du bobinage
induit.
Re : Résistance de
l’enroulement inducteur.

La tensions Va aux bornes de l’induit est telle que :

" = −
Avec :

=

π

−!
φΩ=

−
φΩ

Force électromotrice en charge due
au flux résultant : φ = φe + φa

: Chute de tension dans les balais (eb = 1 à 3 V)

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Machines à
Courant Continu

45

Correction de la RMI
La Réaction Magnétique de l’Induit peut être corrigée par :

Des pôles de compensation sur des machines de
puissance supérieure à 150 kW
Des enroulements de stabilisation sur des machines de
puissance supérieure à 10 kW
Des pôles de commutation sur des machines de
puissances entre 1 et 10 kW

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Machines à
Courant Continu

46

Pôles de Compensation
Rôle
Ces pôles sont destinés à produire
un flux φc opposé au flux φa créé par
les conducteurs de l’induit (RMI).
Montage
Le bobinage de ces pôles (C1-C2)
est réalisé dans les épanouissements
polaires, ils sont connectés en série
avec l’enroulement induit.

Ω

a

a

a

Cette solution convient uniquement pour les inducteurs bobinés.
Retour
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Machines à
Courant Continu

47

Enroulements de Stabilisation
Rôle
Limiter les effets de la RMI.
Ces enroulements stabilisent le flux
dans la machine en produisant un
flux opposé à celui de la RMI.

φs
Enroulement
de
Stabilisation

Enroulement
Inducteur

N φe

Montage
Les enroulements de stabilisation
(S1-S2) sont montés sur les pôles
inducteurs.
Retour
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Machines à
Courant Continu

48

Pôles auxiliaires : Commutation
Rôle
Ils limitent la production d’étincelles
entre le collecteur et les balais par
annulation du courant dans la section
où le courant induit a s’inverse

N

S

Montage
Ils sont câblés aux bornes (B1-B2) en
série avec l’induit. Leur emplacement est
perpendiculaire à l’axe de l’inducteur.

a

a

Pour des machines de petite puissance (1 à 10 kW), on utilise
cet enroulement pour faire la compensation de la RMI.
Retour
© M. ZEGRARI

Machines à
Courant Continu

49

Présentation des différents enroulements
ROTOR

Pôles Auxiliaires
de Commutation B1-B2

Bobinage Induit A1-A2

Porte balai

Inducteur E1-E2

S

N

Stabilisation S1-S2

Vue générale

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Compensation C1-C2

Collecteur

STATOR
Machines à
Courant Continu

Refroidissement

50