[PDF] LE MOTEUR À COURANT CONTINU 3) Principe de fonctionnement. Le

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Projet de Physique P6

STPI / P6 / 2017 - 033

LE MOTEUR À COURANT CONTINU

Étudiants :

Craste Antonin

Khatchadourian Pierre

Dias Rodrigue

Cuvilliez Louis

Enseignant responsable :

Monsieur Guillotin

2 INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

avenue de l'Université - 76801 Saint Etienne du Rouvray - tél : +33 (0)2 32 95 97 00 - fax : +33 (0)2 32 95 98 60

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Date de remise du rapport :

Référence du projet : STPI / P6 / 2017 - 033 Intitulé du projet : Le moteur à courant continu

Type de projet : Expérimental

Objectifs du projet :

L'objectif de ce projet est de réaliser entièrement un moteur à courant continu. A terme nous voulions vérifier à l'aide d'expériences les relations que nous avons pu voir en cours de P5 et les différentes lois censées s'appliquer au moteur. Mot-clefs du projet : Moteur, Conversion électromécaniques, Laplace INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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TABLE DES MATIÈRES

Organisation du travail......................................................................................6

Travail réalisé et résultats..................................................................................7

I - Partie theorique..................................................................................7

1) Les moteurs à courant continu......................................................8

2) La force de Laplace........... .........................................................8

3) Principe et fonctionnement...........................................................8

4) Bilan de puissance...................................................................13

5) Principe de réversibilité.............................................................13

6) Les différents types de moteur à courant continu............................14

A)Le moteur à excitation parallèle (ou shunt)....................................14 B)Le moteur à excitation en série......................................................15 C)Le moteur à excitation séparée......................................................16 D)Le moteur à aimants permanents..................................................17

II - Partie pratique.................................................................................18

A) Recherche des pièces du moteur................................................18 B) Construction du bâti.................................................................18 C) Bobinage...............................................................................19

D) Commutateurs.....................................................................................19

E) Tests du moteur....................................................................................20

F) Pistes d'amélioration............................................................................20

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INTRODUCTION

Le projet P6 est un premier aperçu du métier d'ingénieur, en effet, il nous permet enfin de mettre en lien nos connaissances théoriques avec la pratique. Les connaissances acquises en STPI nous semblent d'un coup bien plus utiles. De plus, le sujet du projet regroupe documentation et pratique, en effet, nous avons dû nous informer sur les différents types de moteurs existant mais aussi apprendre à travailler le bois ou encore organiser notre espace de travail pour être en sécurité, c'est en partie pour cela que nous nous sommes tournés vers celui-ci. De plus, les moteurs sont des éléments essentiels à de nombreux mécanismes, la possibilité de mieux les comprendre nous a beaucoup motivé. Nous avons découvert toute la procédure de création d'un produit. Effectivement, nous avons dû effectuer des recherches, imaginer une solution au problème posé, se mettre d'accord sur le produit, s'organiser pour être le plus productif possible ou encore faire savoir l'avancement à notre encadrant. C'est le premier projet où nous sommes autant à travailler sur un même sujet. L'organisation fut donc compliquée, en effet, trouver du temps où nous sommes tous disponibles est difficile. De plus, il faut se communiquer les informations de la manière la plus simple et claire possible. Enfin, ce travail nous a permit de mieux nous rendre compte d'un domaine du département Méca ou EP, ce qui est un grand atout dans le choix de nos futures années. Le rapport se décompose en plusieurs parties. Tout d'abord, nous aborderons l'organisation du travail. La partie théorique visant à compléter nos cours de l'INSA vient ensuite. Une partie technologique sera alors abordé où différents types de

moteurs seront expliqués. Enfin, le rapport se conclut par la partie pratique où les

différentes étapes de la construction du moteur seront exposées. INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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Méthodologie/Organisation du travail

Lors des premières séances du projet, nous avons chacun effectué des recherches sur les différents types de moteurs à courant continu. Nous nous sommes alors ensuite réunis pour discuter des connaissances acquises. La réflexion sur la

construction d'un moteur commença. Petit à petit, nous avons réussi à dessiner

quelques schémas de moteurs qui nous paraissaient corrects. Certaines idées concernant sa construction nous sont venues d'internet, mais aussi du cours de P5 suivi au semestre 3. En effet, la compréhension des champs électriques ou magnétiques est primordiale afin d'appréhender un moteur à courant continu. Une fois le schéma final du moteur fini, nous nous sommes répartis en deux groupes. Deux personnes ont travaillé sur la partie pratique du projet pendant que les deux autres se sont concentrées sur l'aspect documentaire. La coordination entre les

deux groupes fut nécessaire. En effet, le groupe axé sur la pratique se devait de

comprendre et d'assimiler les phénomènes au même titre que l'autre groupe, afin de ne commettre aucune erreur lors de la conception du moteur. L'autre groupe quant à lui, se devait également de garder un oeil sur l'aspect pratique, afin de corriger une erreur si besoin est ou d'affiner leur compréhension du phénomène. La construction du moteur fut possible grâce à l'aide des techniciens présents à l'INSA ainsi qu'au professeur. En effet, notre faible expérience sur le travail du bois ou des métaux a rendu le travail plus long. Le travail documentaire fut tout aussi difficile, en effet, l'abondance des

informations sur la partie théorique a obligé l'équipe à faire du tri. En effet, il fallait

sélectionner les informations les plus pertinentes et les expliquer le plus simplement possible. Cependant, nous n'avons pas scindé le groupe en 2 tout au long du projet, en effet, lors de la commande de matériel ou lors des étapes clés de la construction du moteur, nous nous sommes réunis pour prendre les décisions les plus justes possibles. De plus, un document Google Drive fut créé afin que tous puissent suivre l'avancement du projet ou encore travailler depuis chez soi. La création de ce Drive fut très utile pour l'écriture du rapport car il permettait à tous les membres de travailler en même temps et sur un même support, le rapport, ainsi que de suivre l'évolution faite par chacun. INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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TRAVAIL RÉALISÉ ET RÉSULTATS

I - Partie theorique

1) Les moteurs à courant continu

Les machines à courant continu sont des membres de la famille des actionneurs. Les actionneurs sont des éléments qui produisent une action. Il existe ainsi deux

types d'actionneurs, d'un côté nous trouvons les génératrices qui transforment l'énergie

mécanique en énergie électrique créant un courant continu. Mais les machines continues sont également réversibles, on obtient alors notre second type de machine continue, les moteurs. Les moteurs à courant continu sont ainsi des machines à

courant continu transformant dès lors l'énergie électrique en énergie mécanique créant

une rotation. Ainsi moteur et génératrice sont une seule et même machine, laquelle est réversible par construction. La loi d'Ohm s'écrit donc selon deux conventions : -Convention récepteur (moteur) : U=E+RI

-Convention générateur(génératrice) : U=E-RINotons que E est la fcem (force contre Électromotrice) du moteur ou fem ( force

électromotrice) de la génératrice , R est la résistance interne , U la tension au borne du

moteur ou de la génératrice et I est l'intensité. Nous remarquons assez facilement, qu'un banal changement de signe permet de passer de l 'une à l'autre. Selon que I est consommé par la machine ou fourni à l'extérieur, la machine à courant continu agira comme un moteur ou bien comme une génératrice. Les moteurs à courant continu sont généralement employés dans des domaines spécifiques. Par exemple , nous les retrouvons dans les domaines de la traction, du levage et du positionnement pour les fortes puissances. Mais il est également envisageable d'employer ce dernier lorsqu'un système utilise une source d'énergie autonome (pile ou batterie). INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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2) La force de Laplace

Soit un matériau conducteur, comportant des charges mobiles de vitesse v par

rapport à un référentiel R' (lié au conducteur) et de masse volumique ρ . Ce conducteur

est soumis a un champs magnétique B permanent et orthogonal à v . Il met alors en oeuvre l'effet Hall. On a création d'un champs électrostatique :E=-v∧B , appelé champs de Hall. Le mouvement global des porteurs de charge est toujours dans la direction de v . Le champs agit sur les charges fixes. Ainsi, la force élémentaire s'appliquant sur un élément de volume dτ du conducteur s'écrit donc : dF=(ρv∧B)dT avec ρv ᴧ B la densité volumique de force magnétique.

On en déduit

dF=(j∧B)dtoù j=ρv est la densité volumique du courant Ici le conducteur est filiforme. S'il est parcouru par un courant électrique I,l'élément de

courant équivalent à j dT est I dl, dl étant colinéaire au conducteur. Si cet élément de

courant baigne dans le champs B, Il est alors soumis à la force de Laplace d'expression: dF=ldl∧B3) Principe de fonctionnement Le moteur à courant continu se compose de deux parties distinctes : -La première est la partie fixe : l'inducteur (ou également appelée le stator) -La seconde est la partie tournante : l'induit (ou aussi appelée le rotor) Le rotor est un cylindre de fer feuilleté où ont été usinées des encoches en périphérie. Ce circuit correspond également au circuit de puissance car le couple de la machine est proportionnel au courant I. Par conséquent, notons que la puissance maximale est limitée par le courant maximum que l'on est capable de faire passer du rotor tournant vers l'extérieur (pour une génératrice). Le stator quant à lui, comporte deux pièces polaires opposées enveloppant chacune le rotor d'un angle de 90°. C'est grâce à des aimants permanents ou des INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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9 inducteurs que les pièces polaires deviennent des pôles N et S fixes. Alors, les lignes d'inductions engendrées se referment à travers le rotor entraînant sa rotation. Remarquons néanmoins , que ces lignes d'induction éprouvent énormément de difficultés à traverser les quelques millimètres séparant le stator et le rotor. Considérons que le conducteur est placé sur le rotor qui tourne. Nous faisons circuler un courant I dans un champ électrique. Le conducteur va alors couper les lignes de champ magnétique B lors de la rotation du rotor. Il va dès lors être le siège d'une force électromotrice (f.é.m) dont le sens de circulation est donné par la règle de la main droite (ou règle des 3 doigts de la main gauche). C'est le principe de la force de Laplace qui va alors mettre en mouvement une partie du circuit. Ce principe est utilisé par exemple pour les moteurs électriques de voitures ou autres moyens de transport motorisés. Désormais considérons la spire comme étant fermée par deux conducteurs diamétralement opposés. On fait tourner le moteur. On donne ainsi une énergie mécanique au système. Il apparaît alors dans le moteur un champ électromoteur d'induction. Les deux forces électromotrices s'ajoutent et nous pouvons alors fermer le circuit. Nous réalisons ainsi un générateur de courant. Ce principe de fonctionnement est utilisé dans la réalisation d'une lampe dynamo. C'est le même fonctionnement pour recharger une batterie de téléphone. INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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L'inversion de sens de courant:

Si nous prenons pour exemple le cas d'un dispositif à une seule spire et d'un collecteur à deux lames simples. Notons que les balais sont solidaires du bâti tandis que les lames du collecteur tournent en même temps que le rotor. Au passage de la ligne neutre les lames du collecteur auxquelles sont attachées les extrémités de la spire changent de balai ce qui implique un courant dans la spire qui s'inverse. Ainsi nous remarquons que le couple des forces de Laplace garde alors un signe identique. En effet, si le courant ne s'inversait pas alors le des forces de Laplace changerait et le moteur ne tournerait pas. Notons également que l'ensemble collecteurs

plus balais (représentaient dans notre projet par les fils fixés par les mains) joue le rôle

de commutateur. L'inversion du sens de courant est primordiale pour le bon fonctionnement du moteur à courant continu. En effet, si ce phénomène est négligé, le moteur se lance mais n'effectue qu'un demi tour avant de s'arrêter net dans une certaine position d'équilibre. Cela correspond à lorsques les lames de cuivre changent de balais. INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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Valeur de la f.é.m :

La valeur de la f.é.m induite est donnée par la relation d'électrotechnique. La force électromotrice E est la tension produite par notre rotor lors de sa rotation dans le

flux magnétique produit par la partie fixe de la machine, c'est à dire le stator. Elle

dépend entre autre des éléments de constitution de la machine. La relation est : E=(ρ/a)∗N∗n∗φ

Avec :

p : nombre de paire de pôles du rotor

N : nombre de conducteurs du rotor

a : nombre de paire de voies d'enroulement n : fréquence de rotation (en tr/s)

φ : flux en Webers (Wb)

Contrôle de la vitesse du moteur :

La loi d'Ohm pour un circuit rotorique s'ecrit U=E+RI+eB. Si le moteur est à vide , alors nous remarquons que l 'expression devient

U=E=nNφ car I est absorbé.

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12 La vitesse n est alors proportionnel à la tension U d'alimentation. C'est d'ailleurs le grand intérêt du moteur à courant continu. Si on inverse U , on peut faire tourner la

machine en arrière. Ainsi la machine possède la possibilité d'avoir deux sens de

rotation. Le moteur à courant continu est idéal pour la traction électrique (embrayage, boite de vitesse). En revanche, il faut prendre garde à lui délivrer une alimentation en tension continu U variable.

Le couple moteur :

Prenons le cas suivant, une spire de longueur l et de diamètre 2R, est parcourue par un courant I, le tout soumis à un champ magnétique radial. La spire tourne ainsi autour d'un axe de rotation (ici Uz, voir schéma ci desous) avec une vitesse de rotation (Oméga). Qu'en est il de la notion de couple moteur ? Une notion est primordiale pour la réalisation, d'un moteur à courant continu, c'est celle liant le couple moteur au courant. En effet le couple est proportionnel à l'intensité du courant parcouru dans l'enroulement. Le facteur de proportionnalité est le flux (φ).

On obtient que B(R, θ)= B0 si θ (appartient) ]0, π[ et B(R,θ)=-B0 si θ appartient à

]π, 2 π [ et sinon B=0.

C=φ.I avec φ=2.R.I.B0On néglige les effets de Bore pour B. Et φ est homogène à B0 à travers la

surface de la spire. Il faut néanmoins prendre soin d'associer à cette relation un schéma de convention d'orientation. INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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4) Bilan de puissance

Il ne faut surtout pas oublier de considérer lors de l'étude et la réalisation d'un moteur ou d'une génératrice à courant continu les pertes occasionnées lors de l'utilisations de l'appareil. Il convient donc de porter notre intérêt quelques instants sur l'effet Joule du circuit électrique. En effet sa résistance n'est pas systématiquement négligeable , et il se peut que cela amène à des modifications conséquentes . Qui plus est , les frottements , inévitables dans le cas présent puisqu'il s'agit de la mise en mouvement d'une pièce mécanique par rapport à une autre, peuvent altérer la puissance mécanique transmise au moteur. De ce fait, nous obtenons l'équation suivante :Pelec.Ext-PJoule=Plaplace=Pfrottement+Pméca.

Et par conséquent : - Pour un moteur :

Pméca=Pelect.ext-Pjoule-Pfrottement - Pour une génératrice : Pelect=Pméca.ext-Pjoule-Pfrottement5)Principe de réversibilité Considérons que nous fassions circuler un courant dans une spire, en présence du flux inducteur, une force agit sur les conducteurs et fait tourner l'induit. On a ainsi

réalisé un moteur à courant continu. Mais maintenant considérons une machine à

courant continu, cette dernière est entraînée quand elle est alimentée par courant

continu de la même manière qu'un moteur. Il n'y a que le sens du phénomène qui change. INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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14 Un moteur est donc une machine qui transforme de l'énergie électrique en énergie mécanique. Cependant il existe un grand nombre de différents moteurs (moteur à courant continu, alternatif, pas à pas etc...). Ici, nous nous concentrerons sur les machines à courant continu, qui comportent : le moteur à excitation parallèle (shunt), le

moteur à excitation en série, le moteur à excitation séparée et le moteur à aimant

permanent. A)Le moteur à excitation parallèle (ou shunt) Le moteur à excitation dérivée ou shunt est composé de deux enroulements : un enroulement autour du stator et un autour du rotor. Ils sont connectés en parallèle et sont donc parcourus par des courants d'amplitudes différentes. Schéma équivalent : Ce moteur présente beaucoup d'avantages. Sa vitesse est sensiblement constante et facile à régler. De plus, il suffit de changer le sens du courant pour changer sa vitesse de rotation. Ses utilisations sont diverses : machines outils, appareils de lavage, pompes, ventilateurs, etc... INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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STPI / P6 / 2017 - 033Petit schéma explicatif du principe de réversibilité 15 Voici quelques unes de ses plus importantes propriétés : -circuit inducteur et induit, alimenté sous la même tension -proportionnalité entre fem et vitesse de rotation -si U augmente, la vitesse augmente -ne jamais couper le courant dans l'induit sinon le moteur s'emballe, en effet la vitesse du moteur est inversement proportionnelle à la tension dans le circuit induit.

B)Le moteur à excitation en série

Ce type de moteur est caractérisé par le fait que le stator (inducteur) est raccordé en

série avec le rotor (induit), ainsi la même tension traverse le stator et le rotor. Par

conséquent, le sens de rotation ne change pas avec le sens du courant; il suffit de

brancher le rotor et le stator dans l'autre sens. Et l'induit reçoit une puissance dePem=EIMaintenant supposons que le flux utile sous un pôle est proportionnel au courant

d'excitation I, ainsiΦ=k.I aveck=constante. De plus . On a donc

E=KΦΩavec la vitesse angulaire Ω.

Voyons rapidement la puissance utilePu de ce moteur. On aPu=Pabs-Pj-Pc avec Pabs la puissance absorbée (Pabs=UI),Pjla puissance perdue par effet joule (Pj=Rt×I²) etPcles pertes collectives (pertes fer+pertes mécaniques) .

Ainsi le rendement de ce moteur est η=Pu/Pabs.

Le principal inconvénient de ce type de moteur est qu'il s'emballe à vide. Ce type de moteur est utile dans l'électroménager par exemple ou dans les actions de traction ou de levage. INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

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Tableau récapitulatif pour ces deux moteurs:

C)Le moteur à excitation séparée

Pour ce moteur deux alimentation sont nécessaires: une pour l'inducteur et une pour

l'induit. Ici,E=U-RI=KΦΩ, donc la vitesse de ce moteur estΩ=(U-RI)/KΦet sa puissance estPu=Pabs-Pje-Pj-Pcavec

Pabs=U.I+Ue.Iela puissance

absorbée,

Pje=Ue.Ie, la puissance perdue par effet joule de l'inducteur,Pj=RI²la puissance perdue par effet joule de l'induit et pc les pertes collectives.

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Ains, son rendement est η=Pu/Pabs.

La vitesse de ce moteur est réglable par tension et est indépendante de la charge. De plus, elle fournit un couple important à faible vitesse ce qui peut être utile pour les machines-outils ou le levage.

D)Le moteur à aimant permanent

Dans le moteur à aimants permanents, le rotor et le stator sont constituésquotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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