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Jean Hare
Janvier 2005
Table des matiµeres
10.1 Force de Laplace
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Travail de la force de Laplace
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Machine synchrone
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.1 Couple du moteur synchrone
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2.3 Tension et courant dans la machine synchrone
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.4 Bilan de puissance
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.6 Applications des moteurs synchrones
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Moteur asynchrone
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.3.4 Bilan de puissance
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.3.5 Aspects pratiques
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Moteurs µa courant continu
13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Moteur µaNspires
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.1 Principe de base
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2.2 Mode de bobinage
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Modes d'excitation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4.2 Excitation parallµele
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Autres moteurs
173.1 Le moteur universel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.2 Le moteur pas µa pas
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 12TABLE DES MATIµERES
10.1 Force de Laplace
Laplace
1 dfL d¿ =j£B;oµudFL=Idl£B;(1) pour des distributions de courant volumiques ou ¯laires, respectivement.La force de Laplace prend son origine dans la force de Lorentz subie par les porteurs de charges. Elle est
df=X d¿q ivi£B(ri) =ÃX d¿q ivi!£ hB(ri)i(2)
d¿qivi)=d¿et le champ macroscopiquehB(ri)i.0.2 Travail de la force de Laplace
estdPL= (jd¿)£B¢v, oµu la vitessevn'est plus celle des porteurs de charge, mais celle du conducteur, qui
vIBFig.1 {
Puissance
dP L=dFL¢v=I(dl£B)¢v=¡I(v£B)¢dl=¡I de ;(3) tromotrice d'inductionde=Em¢dl. Cette puissance est bien positive dans le casLentz).
n2S2S1Σ
I n Σn 1Fig.2 {
SurfacesS1,S2et
dT=I(dl£B)¢dx=I(dx£dl)¢B=I d©c(4)¢T=IZ
2 1 dx¢I dl£B=I¢©c;(5) on a©§+ ©S1+ (¡©S2) = 0, et donc :¢T=I(©2¡©1):(6)
1 6 ) se met alors sous la formeU=¡M¢B. On en tire :(dr£M)¢rotB=0~footnoteOn peut aussi utiliserF=grad(Mc¢B)et recourir µa la formule d'analyse
vectorielle correspondante. On en tire : dU=¡F¢dr¡¡¢dµ, oµuF= (M¢r)Bet¡=M£B:(8)On retrouve ainsi la forceFsubie par le dip^ole dans un champ non homogµene, et le couple¡qui tend µa orienter
le moment dipolaireMdans le sens du champ 2 couple s'annule et le mouvement cesse! Il existe alors deux solutions : alternatif,{ utiliser la rotation pour modi¯er la distribution de courants de sorte que l'angle entre le dip^ole et le champ
1 v 2Fig.3 {
alternatives de m^eme amplitude, et de phases respectives¯1= 0,¯2= 2¼=3,3= 4¼=3:
v p=V0cos(!t¡¯p);OµuVeff=V0=p
2est la tension e±cace du secteur (220 V dans l'utilisation
usuelle). i3 i 1 i 2 Z Z ZMontage étoile i31 i
12 i 23 ZZ Z
Montage triangle
Fig.4 {
3 2: i p=IScos(!t¡¯p¡Á);oµuIS=V0=jZj(triangle) ou bienIS=p 2 3On note que
p3¼1:73, et la tension e±cace entre les phases est donc de 380 V environ.
3Il est important de noter que le courant total dans le neutre est nul, car la somme de trois grandeurs
ijdale, la
puissance totale des trois phases est constante (les composantes sinusoijdales µa2!se compensent) :
P tot.=P1+P2+P3= 3hPpi= 3V0I0cosÁ ;(10) pour les deux types de branchement. B 3 A 2B1A 3B 2 n1n 2 n 3 I1 I 2 I3 a)b)Fig.5 {
Stator d'une machine µa champ tournant; a) : structure de principe µa la base du calcul; b) : structure
5 -a), trois bobines µa noyau de fer identiques, d'axes 9 rence de phase le courant traversant la premiµere bobine, et comme origine des angles polaires la B=B1+B2+B3=B0¡cos(!t)n1+ cos(!t¡¯2)n2+ cos(!t¡¯3)n3¢:(11) complexe des vecteursdu plan 4 nB=B0µei!t+e¡i!t
21 +ei!t¡i¯2+e¡i!t+i¯2
2 j+ei!t¡i¯3+e¡i!t+i¯3 2 =B0³ ei!t(1 + 1 + 1) +e¡i!t(1 +j+j2)´ =3 2B0ei!t;(12)
de deux champs d'amplitudeB0=2et tournant en sens contraire; on observe alors que pour les composantes
5 4ijdales.
5 N S SN SA1 A 2A 3 B 1B 3B2a)c)b)
n 1 n 3n 2Fig.6 {
du courant.1.2 Machine synchrone
0.3 6 . Les rotorsa)etb)sont dits((rotorsµa p^oles saillants))et le rotorc)((µa p^oles lisses)); le rotora)est un rotor bipolaire, tandis que les rotorsb)et
c)sont des rotors((multipolaires)), sur lesquels nous reviendrons plus bas (cf.x 1.2.5 ). Dans ce qui suit, nousraisonnerons essentiellement sur le cas le plus simple, c'est µa dire le rotora), dont l'enroulement est parcouru
par un courant 61.2.1 Couple du moteur synchrone
On suppose que le rotor tourne µa la vitesse angulaire!R(on notera dans tout ce qui suit!Sla vitesse
angulaire du champ statorique, etµS=!Stl'angle polaire correspondant), en sorte que l'angle polaire deM
z=3B0M 2 (u(µR);u(µS);uz) =3B0M 2 sin((!S¡!R)t+®) -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -p-p/2 0p/2 p aΓ/Γ M ΓR branche stable moteuralternateur a0a1Fig.7 {
chroneOn constate que ce moment n'a de valeur moyenne non- nulle que si!R=!S, d'oµu le nom de((moteur synchrone)).Le couple est alors constant :
z=3 2B0Msin(®);(13)
qui sera bien un couple moteur (i.e.positif, puisque!R>0) si®est positif,i.e.si le momentMesten retardsur le champ.Ce couple prend sa valeur maximale¡M=3
2 B0M lorsque®=¼=2,i.e.si le champ et le moment sont en qua- arcsin(¡ R=¡M)< ¼=2et®1=¼¡®0. Dans le premier cas, si tournant dans le sens direct, plus une petite composante tournant dans le sens indirect. 6 et sur lesquelles frottent des balais solidaires du stator1.2 Machine synchrone5
second cas, l'augmentation du retard®entra^³nerait une diminution du couple moteur et donc un ralentissement
de plus en plus grand : cette position est donc instable. J T»¡Msoit encore¢!»r
M J µ3 2¢(SRu(µR)) =3
2B0SRcos®=3
2 B 0SR ISIScos®=3
2MIScos®(14)
oµu l'on a fait appara^³tre l'inductance mutuelleM=B0SR=IS, qui existe entrel'une des bobinesdu stator et
7 maximal©max=3 2 MIS: z=3 2