Convertisseur électromécanique

Une machine électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion d'énergie électrique en travail ou énergie mécanique. La plupart des machines électriques fonctionnent grâce au magnétisme, mais il existe aussi des machines électrostatiques ou utilisant l'effet piézoélectrique.

Les machines électriques produisant une énergie électrique à partir d'une énergie mécanique sont appelées dynamos, alternateurs ou générateurs suivant la technologie utilisée. Les machines électriques produisant une énergie mécanique à partir d'une énergie électrique sont appelées des moteurs. Toutes les machines électriques étant réversibles, la distinction moteur/générateur ne se fait que sur l'usage final de la machine. Les moteurs rotatifs produisent un couple par un déplacement angulaire tandis que les moteurs linéaires produisent une force par un déplacement linéaire.

Sommaire 1 Historique 2 Machines tournantes 2.1 Machine à courant continu 2.2 Machines à courant alternatif 2.2.1 Les moteurs universels 2.2.2 Les machines synchrones 2.2.2.1 Les moteurs sans balais 2.2.3 Les machines asynchrones 2.2.4 Les machines autosynchrones 2.2.5 Caractéristiques communes des machines à courant alternatif 2.3 Moteurs pas à pas 3 Moteurs linéaires 4 Notes et références 5 Bibliographie 6 Annexes 6.1 Articles connexes 6.2 Liens externes

Historique

En 1821, avant la découverte du phénomène de l'électromagnétisme par le chimiste danois Ørsted, le physicien anglais Michael Faraday construit deux appareils pour produire ce qu'il appela une rotation électromagnétique : le mouvement circulaire continu d'une force magnétique autour d'un fil, en fait la démonstration du premier moteur électrique. Le premier brevet N°391968 du moteur électrique actuel, à courant alternatif, est déposé par le physicien serbe Nikola Tesla en 1887.

En 1822, Peter Barlow construit ce qui peut être considéré comme le premier moteur électrique de l'histoire : la « roue de Barlow » qui est un simple disque métallique découpé en étoile et dont les extrémités plongent dans un godet contenant du mercure qui assure le passage du courant.

Le premier commutateur utilisable expérimentalement a été inventé en 1832 par William Sturgeon. Le premier moteur a courant continu fabriqué avec l'intention d'être commercialisé a été inventé par Thomas Davenport en 1834 puis breveté en 1837^[1]. Ces moteurs n'ont pas connu de développement industriel à cause du coût des batteries à l'époque.

On doit la vérification pratique de la réversibilité des machines électriques au physicien italien Antonio Pacinotti en 1864^[2].

En 1869, l'inventeur belge Zénobe Gramme rend possible la réalisation des génératrices à courant continu en imaginant le collecteur. Il améliore les premières versions archaïques d'alternateurs (1867) et devient célèbre en retrouvant le principe de l'induit en anneau de Pacinotti. En 1871, il présentera à l'Académie des sciences de Paris la première génératrice industrielle de courant continu, que l'on appela machine de Gramme.

La paternité de la machine asynchrone est controversée entre trois inventeurs : en 1887, le physicien serbe Nikola Tesla dépose un brevet sur la machine asynchrone ^[3],[4], puis en mai de l'année suivante cinq autres brevets. Pendant la même période Galileo Ferraris publie des traités sur les machines tournantes, avec une expérimentation en 1885, puis une théorie sur le moteur asynchrone en avril 1888 ^[5]. En 1889, Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski, électricien allemand d'origine russe, invente le premier moteur asynchrone à courant triphasé à cage d'écureuil qui sera construit industriellement à partir de 1891^[6].

Machines tournantes

Généralités sur les machines électriques

Machine à courant continu

Comme toutes les machines tournantes, les machines électriques à courant continu sont constituées d'un stator et d'un rotor. Le stator crée un champ magnétique longitudinal fixe à l'aide d'enroulements ou d'aimants permanents. Le rotor est constitué d'un ensemble de bobines reliées à un collecteur rotatif. Le collecteur rotatif permet d'inverser la polarité du champ magnétique créé par le stator avant que celui-ci ne soit en phase avec celui créé par le rotor. Grâce à ce dispositif, les champs rotorique et statorique sont toujours en quadrature provoquant ainsi la rotation du rotor.

L'avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse. Voire leur raccordement direct à la source d'énergie : batteries d'accumulateurs, piles, etc.

Le principal défaut de la machine à courant continu réside dans l'ensemble balais/collecteur rotatif qui s'use, est complexe à réaliser et consomme de l'énergie. Un autre problème limite les vitesses d'utilisation élevées de ces moteurs lorsque le rotor est bobiné, c'est le phénomène de « défrettage », la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage).

Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs « disques » ou les moteurs « cloches », qui néanmoins possèdent toujours des balais.

Les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur brushless, aussi dénommé « moteur à courant continu sans balais », ou moteur sans balais.

Machines à courant alternatif

Pour les applications de faible et moyenne puissance (jusqu'à quelques kilowatts), le réseau monophasé standard suffit. Pour des applications de forte puissance, les moteurs alternatifs sont généralement alimentés par une source de courants polyphasés. Le système le plus fréquemment utilisé est alors le triphasé (phases décalées de 120°) utilisé par les distributeurs d'électricité.

Ces moteurs alternatifs se déclinent en trois types :

• Les moteurs universels ;
• Les moteurs asynchrones ;
• Les moteurs synchrones.

Ces deux dernières machines ne diffèrent que par leur rotor.

Les moteurs universels

Un moteur universel est une machine à courant continu à excitation série : le rotor est connecté en série avec l'enroulement inducteur. Le couple de la machine est indépendant du sens de circulation du courant (couple proportionnel au carré du courant) et peut donc être alimenté en courant alternatif. Pour limiter les courants de Foucault qui apparaissent systématiquement dans toutes les zones métalliques massives soumises à des champs magnétiques alternatifs, son stator est feuilleté.

Les moteurs universels sont utilisés dans des dispositifs exigeant un couple assez fort, tel qu'un robot de cuisine, l'outillage électroportatif de faible puissance (jusqu'à 1200 W) ou encore les aspirateurs. La vitesse de rotation de ces moteurs peut être facilement réglée par un dispositif peu coûteux tel qu'un gradateur (variateur servant à régler l'intensité lumineuse des luminaires).

Les machines synchrones

La machine synchrone est souvent utilisée comme génératrice. On l'appelle alors alternateur. Mis à part pour la réalisation de groupe électrogène de faible puissance, cette machine est généralement triphasée. Pour la production d' électricité, les centrales électriques utilisent des alternateurs dont les puissances peuvent avoisiner les 1500 MW.

Comme le nom l'indique, la vitesse de rotation de ces machines est toujours proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent. Ce type de machine peut être utilisé pour relever le facteur de puissance d'une installation. On appelle celle-ci un compensateur synchrone.

Les machines synchrones sont également utilisées dans les systèmes de traction (tel le TGV). Ces machines sont associées à des onduleurs de courants, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle d'autopilotage (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor).

Les moteurs sans balais

Un moteur sans balais, ou « moteur brushless », est un moteur synchrone^[7], dont le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et pourvu d'origine d'un capteur de position rotorique (capteur à effet Hall, synchro-résolver, codeur incrémental par exemple). Vu de l'extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation Brushless vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun balais. Par contre un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques^[8]. Ce dispositif peut être soit intégré au moteur, pour les petites puissances, soit extérieur. Le rôle de l'ensemble capteur-électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage^[9] du moteur c'est-à-dire le maintien de l'orthogonalité^[9] du flux magnétique rotorique par rapport au flux statorique^[9], rôle autrefois dévolu à l'ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu^[9].

Les moteurs brushless équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD de nos ordinateurs. Ils sont également très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères et de voitures ainsi que dans l'industrie, en particulier dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique^[10].

Les machines asynchrones

La machine asynchrone, connue également sous le terme « anglo-saxon » de machine à induction, est une machine à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n'est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent.

La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu'à l'avènement de l'électronique de puissance. On la retrouve aujourd'hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains, propulsion des navires), de l'industrie (machines-outils), dans l'électroménager. Elles étaient à l'origine uniquement utilisées en moteur mais, toujours grâce à l'électronique de puissance, elles sont de plus en plus souvent utilisées en génératrice. C'est par exemple le cas dans les éoliennes.

Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage. Pour les applications de puissance, au-delà de quelques kilowatts, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés

Les machines autosynchrones

Ce sont des machines synchrones dont le démarrage se fait en asynchrone et lorsque la fréquence de rotation est proche du synchronisme, le rotor s'accroche au champ statorique en se synchronisant sur la vitesse du champ magnétique. L'autopilotage (contrôle de la fréquence statorique en fonction de la vitesse rotorique) tend à faire disparaître cette technologie.

Caractéristiques communes des machines à courant alternatif

Excepté pour le moteur universel, la vitesse des machines à courant alternatif est généralement liée à la fréquence des courants qui traversent ces machines.

ll existe une grande variété de moteurs hybrides (par exemple « asynchrone synchronisé » dans les pompes de lave-vaisselle).

Moteurs pas à pas

Un autre genre de moteur électrique est le moteur pas à pas. Un rotor interne contenant des aimants permanents est déplacé par un ensemble d'électroaimants placés dans le stator commutés par une électronique de puissance. L'alimentation ou non de chacun définit une position angulaire différente (l'enchaînement permet le mouvement). Les moteurs pas à pas simples ont un nombre limité de positions, mais les moteurs pas à pas à commande proportionnelle (alimentation variable des bobines) peuvent être extrêmement précis. On parle alors de « micro pas » puisque le moteur peut s'équilibrer entre deux pas.

Ces moteurs commandés par une électronique numérique sont une des formes les plus souples des systèmes de positionnement, en particulier dans les organes servocommandés numériquement : exemple, les moteurs de positionnement des têtes de lecture/écriture des disques durs d'ordinateur ont longtemps été positionnées par ce type de moteur, désormais trop lents pour cette application, ils ont été remplacés par des moteurs linéaires à impulsion beaucoup plus rapides.

Moteurs linéaires

Un moteur linéaire est essentiellement un moteur électrique qui « a été déroulé » de sorte qu'au lieu de produire un couple (rotation), il produise une force linéaire sur sa longueur en installant un champ électromagnétique de déplacement. Ces moteurs se divisent en deux grands groupes :

• ceux à accélération faible utilisés dans le transport aussi bien le Transrapid que le SkyTrain ;
• et ceux à accélération rapide dans les armes comme le canon magnétique et les engins spatiaux.

Dans la même catégorie figurent les Pompes électromagnétiques à induction qui permettent de véhiculer un fluide conducteur. Les premiers essais de ce type de pompe ont été faits avec du mercure, puis du NaK (mélange de Sodium/Potassium). Les grandes réalisations industrielles concernent la circulation du sodium dans certains types de réacteurs nucléaires et des pompes doseuses d'aluminium liquide.

Articles connexes

• Électroaimant
• Sustentation électromagnétique
• Magnétohydrodynamique (MHD)

Notes et références

Bibliographie

• Ch Harel, Machines électriques et essais de Machines, Société française des électriciens – École supérieure d'électricité, Paris, 1960
• J.Chatelain, Machines électriques – Volume X du traité d'électricité, d'électronique et d'électrotechnique, Presse polytechnique romande – Éd. Georgi, 1983 ; réédité par Dunod, 1993
• A. Fouillé, Électrotechnique à l'usage des ingénieurs. T.2, Machines électriques, Dunod, 1969
• Mikhail Kostenko et Ludvik Piotrovski, Machines électriques, Tomes I et II, Éditions de Moscou (Mir), 1969, (réédité en 1979), 1348 p.
• M. Poloujadoff, Conversions électromécaniques : maîtrise d'EEA et C3 - Électrotechnique, Dunod, Paris, 1969
• B. Saint-Jean, Électrotechnique et Machines électriques, Lidec - Eyrolles, 1976, 373 p. (ISBN 0-7762-5651-3) 
• Guy Seguier et Francis Notelet, Électrotechnique industrielle, Tec et doc, 2006, 552 p. (ISBN 2-7430-0791-5) 

• Francis Labrique, Ernest Matagne, Damien Grenier et Hervé Buyse, Électromécanique, convertisseurs d'énergie et actionneurs, Dunod, 2001, 306 p. (ISBN 2-1000-5325-6) 
• P. Zimmermann, « Electronically Commutated D.C. Feed Drives for Machines Tools », Robert Bosch GmbH – Geschäftsbereich Industrieaurüstung, Erbach, Germany, in Proeeding of PCI Motorcon, september 1982, p. 69-86

Annexes

Articles connexes

• Les concepts physiques :
  • Travail d'une force
  • Énergie électrique
  • Force électromotrice
  • Piézoélectricité
• Les machines :
  • Dynamo
  • Générateur électrique
  • Machine asynchrone
  • Machine à courant continu
  • Machine électrostatique
  • Machine synchrone
  • Moteur pas à pas
  • Moteur sans balais
  • Moteur universel
  • Voitures électriques
• Les inventeurs :
  • Ernst Werner von Siemens
  • Galileo Ferraris
  • Marius Lavet
  • Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski
  • Nikola Tesla
  • Paul-Gustave Froment
  • Peter Barlow
  • Thomas Davenport
  • William Sturgeon
  • Zénobe Gramme

Liens externes

• (fr) Moteur synchrone
• (fr) Machine asynchrone triphasée
• (fr) Machine à courant continu
• (fr) Moteur pas à pas
• (fr) Historique des machines électromagnétiques et plus particulièrement des machines à réluctance variable par Bernard Multon
• (fr) Les moteurs électriques pour applications de grande série par Bernard Multon, H. Ben Ahmed, N. Bernard, P.E. Cavarec, Revue 3E.I juin 2000, p. 5-18

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