Introduction aux actionneurs spéciaux : moteurs monophasés et pas à pas

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Introduction au cours d’actionneurs spéciaux
1. Objet du cours
Pour répondre aux diverses exigences d’utilisation des actionneurs, notamment en ce qui
concerne le niveau de puissance, la précision, la commande et des spécificités d’embarquement, il
s’est développé des actionneurs électriques dont la structure, la commande et l’encombrement se
distingue des actionneurs standards que sont les moteurs électriques. Fondamentalement, un
actionneur est un dispositif assurant une action en rapport avec la commande qui lui est associé et
son environnement de fonctionnement. De ce point de vue, on peut ranger dans ce vocable des
dispositifs comme des résistances chauffantes, des vannes, des lampes etc.
Les actionneurs dont il est question dans ce cours sont des moteurs électriques dont la
spécificité ce situe au niveau de la forme d’énergie électriques mis en jeu, de la taille, de la
constitution, du mode de fonctionnement et des performances, en occurrence la précision dans
l’action à assurer.
Ce cours traite donc des moteurs monophasés, des moteurs pas à pas qui sont des actionneurs
très répandues dans les applications quotidiennes. L’objectif est de donner des compétences de
mise en œuvre, de modélisation et de maîtrise de fonctionnement.
2. Plan du cours
• Les moteurs monophasés
• Les moteurs pas à pas
• Les micro machines

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Les Moteurs monophasés
1. Introduction
Le moteur monophasé est le moteur le plus familier de tous les moteurs à courant alternatif.
Il est utilisé dans les appareils ne requérant qu’une faible puissance comme les machines-outils
portatives et les appareils électroménagers. On l’utilise dans les installations où l’on ne dispose pas
de courant triphasé.
Il existe une grande variété de moteurs monophasés adaptés à une multitude d’applications.
Leur principe de fonctionnement est plus compliqué que celui des moteurs polyphasés. Ce chapitre
traite en particulier du moteur monophasé et de quelques types importants qu’on rencontre dans
certaines applications comme actionneurs.
2. Construction
Le moteur asynchrone monophasé se compose
essentiellement d’u rotor à cage d’écureuil semblable à
celui des moteurs triphasés, et d’un stator. Le stator
porte un enroulement principal bobiné de façon à
former des pôles dont le nombre détermine la vitesse de
la machine. Il porte aussi un enroulement auxiliaire qui
fonctionne aussi au démarrage. L’enroulement auxiliaire
a le même nombre de pôles que l’enroulement principal.
Chaque pôle de l’enroulement principal est composé de
4 bobines concentriques raccordées en série (figure 2).
Les pôles adjacents sont connectés afin de créer des
pôles contraires N, S. L’encoche vide situé au milieu de
chaque pôle, et les encoches partiellement remplies de
chaque côté de celle-ci, servent à loger l’enroulement
auxiliaire. Cet enroulement ne possède que deux bobines
concentriques par pôles
Figure1 : vue partie d’un moteur
monophasé
Figure 2 : a) Les
4 bobines concentriques constituants chaque pôle de ce moteur monophasé à 4
pôles possèdent respectivement 10, 20, 25 et 30 spires de fil n° 16.
b) Les deux bobines concentriques constituant chaque pôle de l’enroulement auxiliaire possèdent
chacune 25 spires de fil n°22.

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3. Vitesse synchrone
La vitesse d’un moteur asynchrone monophasé est exprimée par la formule ci-dessous comme
pour les moteurs polyphasés.
avec   vitesse synchrone du moteur en tr/min
: fréquence de la source
 : nombre de pôles
Le rotor tourne à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse synchrone. Pour mes moteurs à
puissance fractionnaire moins de 750 W , le glissement est généralement compris entre 3% et 5%.
4. Caractéristique mécanique
Considérons une représentation
schématique du rotor et de l’enroulement
principal d’un moteur asynchrone
monophasé à deux pôles. (figure 3-a)
Supposons que le rotor soit au repos.
Quand une tension monophasée est
appliquée à l’enroulement du stator, un flux
y rend naissance. Ce flux est alternatif,
donc variable, mais ne produit pas de camp
tournant. Des courants alternatifs sont
induits dans les conducteurs du rotor par la
variation de ce flux. Lorsque le rotor est
stationnaire, tous les conducteurs sont
soumis à l’action d’une force
électromagnétique  car ils sont placés
dans un champ. Cependant, le couple
résultant est nul car les forces en regard
l’une de l’autre sont respectivement égales
mais agissent en sens contraire. Le moteur
ne peut donc pas démarrer.
Si maintenant le moteur est lancé à la main
dans un sens ou dans l’autre, on constate
que le rotor produit un couple qui fait
accélérer le moteur dans le sens du
lancement. Le moteur atteint rapidement
une vitesse légèrement inférieure à la
vitesse de synchrone et s’y maintient. La
figure 3-b montre la courbe du couple en
fonction de la vitesse lorsque l’enroulement
principal est alimenté.
Figure 3-a
Figure 3-b

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Bien que le couple de démarrage soit nul, le moteur produit un couple de plus en plus puissant à
mesure qu’il s’approche de la vitesse de synchrone. Le couple atteint sa valeur maximale à 75% de
la vitesse synchrone, après quoi, il redevient nul.
5. Principe de fonctionnement
Quand le moteur se met à tourner, un champ
tournant prend naissance ; ce champ résulte
de l’action combinée de la FMM du stator et
de la FMM du rotor produite par le courant
circulant dans le rotor.
En considérant la figure 4 ci-contre, on voit
qu’au moment où le moteur commence à
tourner, une tension est induite dans chacun
des conducteurs des sections abc et adc du
rotor parce qu’ils coupent les lignes de force
du flux  produit par la FMM du stator.
Etant donné que tous les conducteurs sont
court-circuités dans une cage d’écureuil, il
s’ensuit que les courants de circulation 
traversent les conducteurs de la cage et
créent une FMM produisant un flux . C’est
l’action combinée de ces deux flux qui donne
naissance au champ tournant. En effet, ces
flux n’atteignent pas leurs valeurs maximales
en même temps et comme ils sont décalés de
90° dans l’espace, ils produisent un champ
tournant, comme celui du moteur diphasé.
Figure 4
6. Démarrage par phase auxiliaire
Le fonctionnement du moteur monophasé tel
présenté est satisfaisant une fois qu’il est en
marche, mais le fait qu’il ne démarre pas seul
constitue un grave inconvénient. C’est
pourquoi on place sur le stator, un
enroulement auxiliaire qui rend possible le
démarrage du moteur. Comme on l’a vu, cet
enroulement possède le même nombre de
pôles que l’enroulement principal, mais ses
pôles sont décalés dans l’espace de 90°
électriques par rapport aux pôles de
l’enroulement principale. (figure 5)
L’enroulement secondaire est généralement
débranché au moyen d’un interrupteur
centrifuge qui s’ouvre dès que la vitesse du
moteur atteint approximativement 75% de la
vitesse nominale.
Figure5

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7. Moteur à phase auxiliaire résistive
Dans le moteur à phase auxiliaire résistive, l’enroulement principal comporte un nombre
considérable de spires gros fil. Sa réactance inductive est donc élevée et sa résistance faible ; le
courant  qui y circule est fortement en retard sur la tension E. D’autre part, l’enroulement
auxiliaire compte un nombre moindre de spires de fil fin. Sa résistance est donc élevée et sa
réactance inductive plus faible que pour l’enroulement principal, le courant  qui parcourt
l’enroulement auxiliaire est presque en phase avec la tension E de la source.
Figure 6 : Moteur monophasé à phase auxiliaire résistive
Sur le diagramme vectoriel, on remarque que les courants  et  , ainsi que les flux
correspondants sont bien déphasés. Ces deux flux peuvent donc produire le champ nécessaire au
démarrage du moteur. Le courant de démarrage  tiré de a ligne est égale à la somme vectorielle
des courants  et  . Sa valeur est de 6 à 7 fois courant nominal du moteur.