Telechargé par Philippe Noir

introduction-moteurs-electriques-1

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Moteurs Électriques et leur commande : Quelques Notions
1. Constitution.
Stator (partie fixe), rotor (partie tournante) et entrefer
constituent un circuit magnétique.
Ce circuit peut être magnétisé à l'aide d'aimants
permanents et (ou) d'enroulements parcourus par
des courants de forme adaptée au type de machine.
Stator
Entrefer
Ω
Rotor
2. Conversion d’énergie - Réversibilité.
En théorie, toute machine électrique peut fonctionner en moteur (récepteur d'énergie électrique) ou en générateur.
En moteur, l'énergie électrique consommée se retrouve en énergie mécanique, sous la forme d'un couple moteur
disponible sur l'arbre de rotation (et inévitablement en chaleur !).
En générateur, l'arbre est entrainé en rotation par une énergie mécanique extérieure; en conséquence, la machine
est le siège de courants induits qui développent un couple résistant, s'opposant au couple mécanique qui
provoque la
rotation.
WMECA
WELEC
WELE
WMEC
Fonctionnement en moteur
Fonctionnement en générateur
3. Quadrants de fonctionnement.
Le plan {couple -vitesse} est divisé classiquement en 4 quadrants.
Lorsque la machine tourne à la vitesse angulaire Ω, le couple mécanique sur l'arbre, de moment C (Nm),
correspond à une puissance P = C.Ω
Couple (Nm)
Quadrant 2
C×Ω < 0
Générateur
(ou frein)
Quadrant 1
C×Ω > 0
Moteur
0
Quadrant 4
C×Ω < 0
Générateur
(ou frein)
Quadrant 3
C×Ω > 0
Moteur
Vitesse Ω (rad/s)
Le fonctionnement dans les 4 quadrants est de type réversible ;
c’est la technique la plus performante, mais la plus complexe
Elle se rencontre en traction et en robotique
Machines électriques et commande
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Fonctionnement dans un seul quadrant (non réversible)
Couple
Couple
Quadrant 1
C×Ω > 0
Moteur
Vitesse
0
0
Ex : Perceuse électrique, aspirateur,
pompage , ventilation
Vitesse
Quadrant 4
C×Ω < 0
Générateur
(ou frein)
Ex : Éolienne, alternateurs
(de vélo, voiture, avion)
Dans ce mode, la machine est soit un moteur, soit un générateur, et le sens de rotation ne change pas.
Fonctionnement non réversible dans 2 quadrants
Ce mode concerne essentiellement les moteurs pouvant tourner dans les deux sens .
Couple
Quadrant 1
C×Ω > 0
Moteur
Vitesse
0
Quadrant 3
C×Ω > 0
Moteur
Ex : Visseuse dévisseuse, lève
vitre, volets roulants…
Fonctionnement réversible dans 2 quadrants
Dans ce mode, la machine peut passer de moteur à générateur et inversement.
Selon le contexte, le sens de rotation change ou pas.
Couple
Quadrant 2
C×Ω < 0
Générateur
(ou frein)
Couple
Quadrant 1
C×Ω > 0
Moteur
0
Quadrant 1
C×Ω > 0
Moteur
Vitesse
0
Vitesse
Quadrant 4
C×Ω < 0
Générateur
(ou frein)
Ex : Treuil, levage
pompage-turbinage de l’eau
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Ex : Scooter électrique,
laminoir, dérouleuse
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4. Origine du couple moteur.
La magnétisation de la machine crée 2 champs : BROT (produit par le rotor) et BSTAT (produit par le stator).
Ces 2 champs sont d'orientation radiale; ils sont fixes dans l'espace (cas des machines à courant continu), ou bien
tournant autour de l'axe (ex : machines à courants alternatifs).
L'interaction entre ces 2 champs est à l'origine d'un couple électromagnétique. Dans le cas d'un moteur, le moment
de ce couple est proportionnel au module des 2 champs et au sinus de l'angle θ qu'ils font entre eux :
CMOT = k.BSTAT.BROT.sinθ
Le couple moteur peut évoluer entre une valeur nulle (si les 2 champs sont alignés)et une valeur maximale (si les 2
champs sont perpendiculaires)
Équivalent mécanique
θ
Ω
F
F
BROT
BSTAT
charge
ressort
θ
Moment du couple moteur :
CMOT = k×BSTAT×BROT×sinθ
CMOT est maximal si θ = 90°
5. Architecture d’un variateur pour machine électrique.
La machine à contrôler est couplée à une charge mécanique. L'ensemble tourne à une vitesse angulaire Ω (rad/s).
L'énergie électrique est échangée avec la machine à travers un convertisseur statique . Ce convertisseur est un
circuit de puissance constitué essentiellement d'interrupteurs électroniques (mono ou bidirectionnels : diodes,
transistors, thyristors...), commandés à la fermeture ou (et) à l'ouverture grâce à un circuit de régulation.
La régulation ajuste au mieux la commande du convertisseur, en fonction de consignes définies par l'utilisateur,
mais également en fonction d'informations issues de capteurs divers placés sur la machine et (ou) la charge
mécanique. (tension, courant, vitesse de rotation, couple, position angulaire...)
L'ensemble forme un système bouclé, avec la problématique qui s'y rapporte : Stabilité, rapidité et précision.
Alimentation
électrique
Convertisseur
statique
(électronique)
Machine
électrique
Énergie
Capteurs
Consignes
Ω
Charge
mécanique
(entraînée/
entraînante)
Capteurs
Régulation
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6. Machine à courant continu.
6.1. Constitution et fonctionnement
ème
La machine à courant continu est une des plus anciennes (1ère moitié du XIX
siècle)
Son stator porte des aimants permanents ou des enroulements parcourus par un courant continu. Le champ
statorique BSTAT résultant est radial, de direction fixe.
Le rotor porte à sa périphérie un enroulement complexe, dont les conducteurs sont logés dans des encoches; seuls
certains de ces conducteurs sont alimentés, créant un champ rotorique BROT, également radial, mais de direction
constante et perpendiculaire au champ statorique BSTAT.
Avec une telle disposition, le couple moteur est optimisé (CMOT = k.BROT.BSTAT.sin90°).
BROT
BSTAT
Les conducteurs rotoriques sont alimentés grâce à des charbons (ou balais) qui frottent sur un collecteur, formé de
lames de cuivre séparées.
Ce contact frottant est le point faible de la machine (encrassement, usure, source d'étincelles)
Encoches
Conducteurs
Collecteur
Charbons
Détails du rotor d'une machine
à courant continu
L'ensemble collecteur - charbons permet de sélectionner les brins rotoriques alimentés et d'inverser le sens du
courant dans ces brins 2 fois par tour : Les conducteurs passant sous un pôle sont toujours traversés par un courant
de même sens.
I
I
I=0
Illustration de l'inversion du courant dans une spire 2 fois par tour
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L
I
6.2. Modélisation électrique.
La magnétisation du stator est supposée fixe; elle n'est pas représentée.
Le modèle du rotor (induit) est celui d'un récepteur inductif :
R
U
La f.é.m E traduit la conversion d'énergie : Si la vitesse angulaire de rotation
est Ω, la f.é.m s'exprime par
E = K.Ω
La constante K (Vs/rad) dépend de la structure de la machine et de la magnétisation
due au stator.
La loi des mailles aux bornes du rotor s'écrit :
E
Rotor : Schéma électrique
U = E + R.I = K.Ω +R.I (en régime permanent, avec I = CTE)
I
M
U
Rotor : Symbole équivalent
(Si le courant d'induit I varie (démarrage, phases transitoires ...), il faut en plus faire intervenir la tension induite
aux bornes de l'inductance L, soit
= . + . +
)
Le moment du couple moteur s'obtient par un bilan de puissances :
PABSORBEE = U.I = E.I + R.I2
R.I2 → pertes par effet Joule
E.I → puissance transformée sous forme mécanique, soit puissance développée par le moment du couple moteur :
E.I = CMOT.Ω , et comme E = K.Ω, il vient CMOT = K.I
La commande en vitesse d'une telle machine se fait par la tension U.
Le convertisseur dédié à ce type de machine se nomme hacheur. Une source continue (Vcc) est découpée par un
réseau d'interrupteurs, fonctionnant à fréquence fixée, mais à rapport cyclique ouverture/fermeture réglable.
(Voir un exemple classique sur la page suivante)
6.3. Remarque : Moteur série ou encore moteur universel.
Dans ce type de moteur, les bobinages du rotor et du stator sont reliés en série, le courant I qui les traverse est donc
le même.
Il fonctionne aussi bien alimenté en continu qu'en alternatif (d'où son nom) : En alternatif, l'inversion du sens du
courant simultanément dans les 2 enroulements ne change rien à son fonctionnement.
Pour ce type de moteur, les lois deviennent :
U = E + (RSTAT + RROT) . I avec RSTAT : résistance du stator et RROT : résistance du rotor
E = K' . I . Ω avec K' fonction de la structure de la machine et I fixant la magnétisation
CMOT = K' . I² d'autant plus élevé que le moteur est chargé, CMOT est maximal au démarrage.
De part son fort couple moteur, ce type de moteur est très utilisé dans les démarreurs de moteurs thermiques
(alimentation en continu par la batterie), les appareils électroménagers ou l’outillage électroportatif (alimentation
par le réseau alternatif 50 Hz).
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6.4. Exemple de variateur pour machine à courant continu : Hacheur 4 quadrants
Un hacheur 4 quadrants (ou encore « pont en H ») est formé de
4 interrupteurs commandésT1 à T4, associés à 4 diodes de
roue libre D1 à D4 qui assurent la réversibilité en courant.
Les interrupteurs sont commandés 2 par 2, en diagonale, à
la fermeture pendant une fraction αTH de la période de
hachage. Pendant cette durée, ils assurent le passage du
courant, de la source continue Vcc vers la machine.
Vcc
À l'ouverture des interrupteurs (fraction (1-α)TH de la période
de hachage, 2 diodes assurent une fonction de "roue libre"
(plus exactement de récupération), renvoyant l'énergie vers la
source Vcc.
Ci dessous, quelques chronogrammes démonstratifs :
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7. Machines à courants alternatifs.
7.1. Champs magnétiques tournants.
i1
Les machines à courants alternatifs sont magnétisées
grâce à un champ magnétique tournant.
Le principe de réalisation est assez simple :
Trois enroulements sont placés à 120° l'un de l'autre
autour de l'axe de rotation de la machine. Ils sont
traversés par un système triphasé équilibré de courants.
120°
i2
i1(t) = Î.sin(ωt)
i2(t) = Î.sin(ωt - 2π/3)
i3(t) = Î.sin(ωt +2π/3)
Réalisation de principe d'un
champ magnétique tournant
i3
Système de courants i1 i2 et i3
triphasés équilibrés
Chaque enroulement est alors le siège d'un champ magnétique
oscillant sinusoïdalement à la pulsation ω, selon une direction
alignée sur son axe.
120
°
En conséquence, le système triphasé de courants engendre
3 champs magnétiques à 120° l'un de l'autre dans l'espace,
oscillant à la même pulsation ω, mais déphasés de 120°
entre eux dans le temps.
Il en résulte un champ magnétique résultant (BRÉS)
de module constant, tournant autour de l'axe de la
machine à la pulsation ω
i1
B1
B2
B3
i2
Les 3 champs magnétiques
créés par les enroulements
i3
BRÉS
BRÉS
BRÉS
BRÉS
BRÉS
T/4
T/2
BRÉS
3T/4
T
5T/4
3T/2
Construction vectorielle du champ magnétique résultant aux dates multiples de T/4
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Le dispositif décrit plus haut réalise un champ magnétique bipolaire,(1 paire de pôles nord et sud), tournant à la
fréquence du courant qui circule dans chacune des 3 bobines.
On réalise également des champs magnétiques tournants multipolaires, (p paires de pôles nord et sud), en disposant
3p bobines alimentées en courants triphasés. On obtient ainsi des champs tournants à une vitesse N (tr/s) inférieure
à la fréquence F des courants dans les bobines : " =
#
$
Exemples :
3 bobines à 120° :
champ bipolaire
tournant à N = F tr/s
6 bobines à 60° :
champ tetrapolaire
tournant à N /2 tr/s
9 bobines à 40° :
champ hexapolaire
tournant à N /3 tr/s
15 bobines à 24° :
champ decapolaire
tournant à N /5 tr/s
Conséquence :
Le convertisseur dédié aux moteurs à courants alternatifs se nomme onduleur : Il crée un système de courants
triphasés de fréquence F à partir d'une source électrique continue.
La commande de vitesse des moteurs à courants alternatifs est réalisée par le réglage de la fréquence des courants
qui produisent le champ magnétique tournant.
7.2. Moteur synchrone.
Le rotor de ce type de machine est constitué d'aimants permanents,
ou bien d'électro-aimants alimentés en continu. (selon la puissance
du moteur)
Voir à droite le cas d'un stator créant un champ magnétique tournant
à 2 paires de pôles, associé à un rotor tétrapolaire.
Après le démarrage, le moteur tourne en synchronisme avec le champ tournant.
(d'où son nom)
A vide les axes des pôles du champ tournant et du rotor sont confondus.
En charge, les axes sont décalés, d'autant plus que l'effort demandé est grand.
θ
BSTAT
BROT
Les 2 champs pour un
fonctionnement à vide
CMOT ≈ 0
BSTAT
BROT
Les 2 champs pour un
fonctionnement en charge
CMOT = K.BSTAT.BROT.sinθ
Avantage :
• La vitesse du moteur synchrone reste constante quelle que soit la charge.
Inconvénients :
• Le démarrage nécessite un variateur de vitesse (croissance progressive de la fréquence des courants
statoriques)
• Risque de décrochage pour un effort trop important (θ ne peut pas excéder 90°)
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7.3. Moteur asynchrone.
C'est de loin le moteur alternatif le plus utilisé,
pour sa simplicité et sa robustesse.
Le stator porte des enroulements alimentés en
alternatif, chargés de produire le champ magnétique
tournant.
Par contre, le rotor est formé de conducteurs en courtcircuit, formant une cage d'écureuil.
(Il existe aussi des moteurs de forte puissance, dont le rotor est
constitué d'enroulements en court-circuit)
Moteur asynchrone et son rotor en cage d'écureuil
Sur le schéma de droite, le champ tournant , à la date
considérée, est orienté vers le haut.
En examinant deux conducteurs diamétralement opposés,
on constate que les courants induits dans ces deux conducteurs
sont en sens inverse. Associés au champ magnétique, ils
engendrent des forces motrices de sens inverses.
Un couple moteur est ainsi créé permettant la rotation de
la cage d'écureuil.
Au démarrage le champ tournant balaye les conducteurs de
son flux à la vitesse angulaire de synchronisme.
Le rotor se met alors en rotation et tend à rattraper le champ tournant.
Cependant, si le rotor tourne au synchronisme avec le champ magnétique statorique, les conducteurs de la cage
d'écureuil ne voient plus de variation de flux et le couple moteur disparait.
Un moteur asynchrone (comme son nom l'indique !) tourne à une vitesse N (tr/min) très légèrement inférieure à
celle du champ tournant (dite vitesse de synchronisme N0) .
On appelle glissement g, l'écart relatif entre la vitesse de rotation N et la vitesse du champ N0 : % =
&' (&
&'
en fonctionnement normal, le glissement g n'excède guère quelques %.
(Ex : Moteur à champ bipolaire, N0 = 50Hz, soit 3000tr/min, on peut tabler sur 2800 < N < 2950 tr/min )
Avantages :
• Pas de contact électrique de liaison au rotor, d'ou absences d'étincelles potentielles.
• Faible variation de vitesse entre le fonctionnement à vide et à pleine charge.
Inconvénients :
???
Moteur asynchrone : Vue éclatée
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7.4. Exemple de variateur pour machine à courant alternatif : Onduleur triphasé.
À partir d'une source continue, ce convertisseur impose un système de courants triphasés quasi-sinusoïdaux dans
les enroulements statoriques d'un moteur triphasé.
Il est constitué de 3 branches de 2 interrupteurs commandés (transistors + diode de "roue libre")
Machine 3 ≈
Signaux de Commande
Les signaux de commande effectuent un découpage de la source E à haute fréquence, en modulation de largeur
d'impulsion (PWM).
Allure des signaux aux bornes du moteur (découpage à 5kHz, fréquence des courants sinusoïdaux : 50Hz)
0° 120° 240° 360°
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8. Moteurs particuliers :
8.1. Moteurs Brushless
Un moteur "brushless" (càd "sans balais") est un moteur dans lequel le rotor ne reçoit aucune connexion électrique.
Il est assimilable à un moteur synchrone: Un brushless est constitué d’aimants permanents répartis à la périphérie
du rotor et d’un bobinage triphasé sur le stator, source d'un champ magnétique tournant.
Il existe différentes variantes :
• Les brushless "in-runner" ont une structure classique,
le stator bobiné est en périphérie et le rotor est central.
Cf. ci-contre un stator avec 6 bobines et un rotor tétrapolaire.
L’inertie du rotor en général faible, et les vitesses atteintes par
ce type de moteur peuvent dépasser 10000tr/min.
• Les brushless "out-runner" ont la structure inverse :
Le stator bobiné est central, tandis que le rotor, en forme de
cloche, va tourner autour du stator.
Cf. ci contre un stator à 12 bobines et un rotor externe à 14 pôles.
Cette configuration est intéressante en termes de couple moteur,
car les aimants sont disposés sur un diamètre important, ce qui crée
un bras de levier de bonne longueur.
Utilisations : Ventilateurs, moteurs de disques durs, Cd-rom,
moteurs de vélos électriques, bateaux ou avions radio commandés…
Le principe du fonctionnement est clair : Sous l'effet du champ magnétique tournant créé par les bobines du stator,
le rotor suit et tourne au synchronisme. La vitesse de rotation est commandée par la fréquence du courant dans ces
bobines.
Le moteur est nécessairement muni d'un capteur de position du rotor, afin d'assurer son autopilotage : Ce peut être
3 capteurs à effet Hall, ou bien un synchro-resolver, ou encore un codeur incrémental..
Le moteur brushless ne fonctionne qu'en boucle fermée.
Note : Le synchro-resolver est un petit moteur dont
le rotor est constitué par un enroulement alimenté en
alternatif, alors que le stator est constitué de 3
enroulements à 120° ou de 2 enroulements à 90°.
Les tensions induites aux bornes des enroulements du
stator permettent de connaître avec précision la
position angulaire du rotor.
Ce type de capteur (analogique) est supplanté par les
codeurs incrémentaux (numériques).
Si la structure des moteurs brushless est simple, il n'en va pas de même pour leur commande.
Le contrôleur électronique reçoit les ordres du capteur de position du rotor et ajuste les courants dans le bobinage
statorique afin d'optimiser le fonctionnement de la machine.
Comme pour un moteur synchrone, le démarrage nécessite d'augmenter progressivement la fréquence des courants
dans les enroulements du stator.
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Un exemple simpliste : Moteur brushless "in-runner" avec 3 bobines à 120° au stator et un rotor bipolaire.
Sur les images ci dessous, sont représentés ,
• à gauche, les chronogrammes des informations données par les 3 capteurs à effet Hall (hall1, hall2 et hall3)
les chronogrammes des courants dans chaque bobine, en forme de créneaux (∅A, ∅B et ∅C)
• à droite, un schéma de la machine et la position du rotor obtenue par la situation repérée par le trait bleu sur les
chronogrammes.
Le rotor progresse par "pas" de 60° (ce qui provoque des ondulations de couple importantes)
On remarquera que dans ce mode de commande, seules 2 bobines sur 3 sont alimentées simultanément.
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On obtient un fonctionnement plus fluide en générant un système de courants sinusoïdaux triphasés dans les
bobines du stator. La stratégie de commande du moteur brushless se rapproche alors de celle d'un moteur
synchrone autopiloté : Onduleur triphasé commandé en PWM.
∼
∼
∼
Onduleur
de tension
ou de courant
Capteur
de
position
Alimentation
continue
Moteur
brushles
s
Commande
Élaboration
des
consignes
de courant
Régulation
Amplitude
Angle θ
Moteur brushless sur un vélo à assistance électrique
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8.2. Les Moteurs Pas à Pas
Les moteurs pas à pas sont utilisés dans les applications mécaniques ou l’on doit contrôler simplement la position
ou la vitesse d’un système en boucle ouverte. Exemple : Imprimantes jet d’encre ou laser, pour positionner les têtes
d’impression ou pour l’avancée du papier.
Il existe 3 types de moteurs pas à pas, à aimants permanents, à réluctance variable ou hybrides.
8.2.1. Moteur à aimants permanents.
C'est le modèle le plus simple dans son fonctionnement.
Le rotor est un aimant permanent et le stator comporte 4 enroulements.
La rotation est obtenue en contrôlant l'alimentation des bobines ainsi que le sens
du courant dans celles ci.
On peut faire ainsi tourner le champ magnétique créé par ces bobines.
Modes de commande.
Fonctionnement en pas entier :
Dans ce mode de fonctionnement, les bobines sont alimentées l’une après l’autre dans un sens puis dans l’autre.
L’aimant permanent suit le déplacement du champ magnétique créé par ces bobines et s’oriente selon une de ses 4
positions stables. Comme le rotor est aimanté, lorsque le moteur n’est pas alimenté le flux magnétique du à
l’aimant permanent va à lui seul créer un couple résiduel ou couple de détente, en se mettant dans l’axe de l’une des
bobines.
Fonctionnement en mode « High Torque » (fort couple) :
Pour augmenter l’intensité du flux magnétique créé par le stator, et donc le couple moteur, on peut alimenter les
deux bobines en même temps, en faisant varier uniquement le sens du courant dans chacune d’entre elles. Le rotor
prendra donc également l’une des 4 positions suivantes, suivant le sens d’alimentation de chacune des bobines.
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Fonctionnement en mode demi-pas :
Pour augmenter le nombre de pas du moteur à aimant permanent, on peut combiner les 2 modes précédents dans
un mode de commande appelé « demi-pas ».
Avec la même structure , on obtient maintenant 8 positions par tour au lieu de 4 (angle de pas de 45°)
Les moteurs pas à pas à aimant permanent ont un couple moteur important, mais une résolution (nombre de pas par
tour) faible, et une fréquence de rotation faible. La commande de ces moteurs pas à pas nécessite de contrôler le
sens du courant dans chaque bobine.
Avantages du moteur à aimant permanent :
•
•
•
•
•
Bon marché
Dimensions réduites
Bon rendement
Bon amortissement des oscillations
Grand angle de pas (nombre de pas faible : 48 typique, soit un angle de pas de 7,5°)
Inconvénients du moteur à aimant permanent :
•
•
•
•
Puissance faible
Paliers en bronze ou plastique (pas de roulement)
Couple résiduel sans courant
Vitesse faible
Exemple de caractéristiques : Moteur Crouzet série 82920.
Bipolaire
Angle de pas 7,5° (48 pas/tour)
Résistance par phase 7Ω.
Puissance maxi 7,5W, Vitesse de rotation maxi 1500tr/min
Durée de vie 20000h.
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8.2.2. Moteurs à réluctance variable
Un moteur pas à pas a réluctance variable comporte un rotor à encoches non aimanté se positionnant dans la
direction de la plus faible réluctance. Le fonctionnement du moteur est assuré par un pilotage du type unipolaire et
l'avance du rotor est obtenue en excitant tour à tour une paire de pôles du stator.
Le nombre de bobines est différent du nombre de paires de dents du rotor.
L’alimentation de chacune des bobines va permettre la création d’un champ
magnétique dans le stator, et le rotor s’oriente suivant les lignes de champ.
Quand le moteur n’est pas alimenté, comme il n’y a pas d’aimant permanent,
le rotor peut prendre n’importe quelle position : un moteur pas à pas à
réluctance variable n’a pas de couple résiduel ou couple de détente.
Fonctionnement en pas entier :
Comme pour le moteur pas à pas à aimant permanent, on alimente successivement les différentes bobines.
Par contre, ici le sens d’alimentation n’a pas d’importance car le rotor n’est pas polarisé.
Le rotor va prendre une position telle qu’une des paires de dents soit alignée avec la bobine alimentée.
dans l'exemple, avec 6 demi bobines au stator et 4 dents au rotor, on obtient un angle de pas de 30°.
Autres possibilités :
Comme pour le moteur à aimant permanent, les modes "High Torque" et "demi pas" sont possibles en
alimentant simultanément 2 bobinages (mode "High Torque") ou en alimentant successivement 1 bobine puis 2
(mode "demi pas").
Les moteurs à réluctance variable permettent d'obtenir des nombres de pas par tour importants.
Le nombre de pas (en fonctionnement pas entier) d’un moteur pas à pas à réluctance variable est donné par la
formule suivante :
") =
"* ."
"* ("
avec : NP = Nombre de pas
NS = Nombre de dents au stator
(pour l'exemple utilisé, NS = 6, NR = 4, soit NP = 12 pas par tour)
NR = Nombre de dents au rotor
Par contre, l'absence de couple de maintien et leur tendance à osciller (transitoire) fait qu'ils ne sont pratiquement
plus utilisés; on leur préfère les moteurs hybrides (voir page suivante).
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8.2.3. Moteurs Hybrides
Pour tirer profit des avantages des moteurs pas à pas à aimants permanents et à réluctance variable, on utilise
des moteurs hybrides. La commande est similaire à un moteur pas à pas à aimant permanent mais la constitution du
rotor permet d'obtenir beaucoup plus de pas.
Le rotor du moteur hybride comprend 2 structures régulières de dents.
Ces 2 blocs sont décalés d’une ½ dent l’un par rapport à l’autre et sont
fixés de part et d’autre d’un aimant permanent magnétisé axialement.
Le circuit magnétique du stator possède plusieurs pôles constitués de
paquets de tôles entourés chacun d’une bobine ; les paquets de tôles se
terminant par des dents.
N
Une phase est constituée de plusieurs dents ; 4 à 6 dans la plupart des cas.
Le stator comporte 2 phases, réparties entre 4 ou 8 bobines.
La commande est en général bipolaire.
S
Fonctionnement en mode pas entier.
En mode pas entier, les bobines sont alimentées une par une, alternativement, dans un sens puis dans l’autre.
La formule de calcul du nombre de pas exposée pour le moteur à réluctance variable reste valable :
") =
avec :
NP = Nombre de pas
"* . "
"* + "
NS = Nombre de dents au stator
NR = Nombre de dents au rotor
Exemple : Moteur Nema 17 (photo)
Les 2 phases sont réparties sur 8 bobines.
Ce moteur est caractérisé par un nombre de pas
NP = 200 pas/tour, soit un angle de pas de 1,8°
Phase 1
Phase 2
Machines électriques et commande
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Avantages du moteur pas à pas hybride :
•
•
•
•
•
•
•
•
Couple important
Plus de puissance
Rendement assez bon
Courbe start/stop assez élevée
Bon amortissement
Adapté au fonctionnement en micro-pas
Roulement à billes pour une meilleure charge radiale et plus longue durée de vie
Petit angle de pas
Inconvénients du moteur pas à pas hybride :
•
•
•
•
Inertie élevée
Couple résiduel sans courant
Plus couteux
Plus volumineux
8.3. Servomoteurs.
Un servomoteur est constitué d'un moteur à courant continu (ou brushless pour les plus récents), muni d'un
réducteur à engrenages et d'une électronique d'asservissement de position.
Selon l'utilisation, la course de l'axe de sortie est limitée (par exemple ± 90°) ou non.
On emploie les servomoteurs en modélisme, ou bien en milieu industriel pour le pilotage de vannes.
8.3.1. Servomoteur pour modélisme.
C’est un ensemble mécanique et électronique comprenant :
•
•
•
•
•
un moteur à courant continu de petite taille ;
un réducteur en sortie de ce moteur diminuant la
vitesse mais augmentant le couple ;
un potentiomètre (faisant fonction de diviseur résistif)
qui génère une tension variable, proportionnelle à
l'angle de l'axe de sortie ;
un dispositif électronique d'asservissement ;
un axe dépassant hors du boîtier avec différents bras ou
roues de fixation.
Les servomoteurs servent à actionner les parties mobiles du
modèle : ailerons, volets et trains pour les avions, contrôle
de direction dans le cas du modélisme automobile…
À cette fin, les moteurs ont une course angulaire limitée
(typiquement 180°)
Source : Le blog de Éric G
Machines électriques et commande
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Claude Lahache
Fonctionnement
La commande est réalisée en largeur d'impulsion :
La largeur des impulsions, comprise en général entre
1 et 2 ms, commande la position du servomoteur.
Les impulsions sont répétées toutes les 20ms environ.
Le servomoteur est muni de 3 fils de connexion : Deux pour son alimentation, le troisième recevant les impulsions
de commande.
Lorsque le moteur tourne, l'axe du servomoteur change de position, ce qui modifie la résistance du potentiomètre.
Le rôle de l'électronique est de commander le moteur pour que la position de l'axe de sortie soit conforme à la
consigne reçue : c'est un asservissement de position angulaire.
On rencontre également, en robotique, des servomoteurs numériques qui ne différent des précédents que par la
nature des informations de commande : Ces servomoteurs incluent un microcontrôleur et sont connectés sur un bus
série qui leur adresse les ordres de position sous forme de mots binaires.
Exemple : Commande de direction d'un véhicule radio commandé
Position du servo : 0°
→ tout droit.
Machines électriques et commande
Position du servo : -60°
→ à fond vers la gauche.
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Position du servo : +60°
→ à fond vers la droite.
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8.3.2. Servomoteurs industriels.
Ils sont utilisés pour le pilotage des vannes dans des process les plus divers : Secteurs de l'énergie, de la chimie, du
pétrole, de l'eau....
On rencontre des servomoteurs fraction de tour ou multi tours , selon l'utilisation souhaitée.
La gamme des couples développés s'étend ici de quelques dizaines à plusieurs milliers de Nm !!
Servomoteur quart de tour pour vanne
papillon (ou vanne sphérique)
Crédits :
Servomoteur multi tours :
détails de constitution interne
http://www.energieplus-lesite.be/ (champs tournants, moteurs synchrone et asynchrone)
http://www.moteurindustrie.com/ (moteurs brushless, moteurs pas à pas)
http://www.mdp.fr/documentation/lexique/pas-a-pas/notions-techniques.html
(compléments sur les notions de couples, régimes transitoires....des moteurs pas à pas )
http://www1.auma.com/cms/AUMA/france/ (servomoteurs industriels)
Machines électriques et commande
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