II) Production d`un champ tournant - Physique Appliquée

Sommaire des Champs tournants
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Sommaire des Champs tournants
Les champs tournants .......................................................................................................... 2
I) Introduction : .......................................................................................................................................................................................................... 2
II) Production d'un champ tournant : ................................................................................................................................................................... 2
II.1) Champ créé par un enroulement porté par le stator, parcouru par un courant sinusoïdal .................................................... 2
II.2) Décomposition d’un champ fixe alternatif en deux champs tournants : Théorème de Leblanc .......................................... 2
II.3) Champ créé par un bobinage fixe triphasé parcouru par des courants triphasés. = champ tournant. .............................. 3
II.4) Champ créé par trois enroulements portes par le stator, parcourus par un système triphasé de courants .................. 3
II.4.1) La machine est bipolaire ..................................................................................................................................................................... 3
II.4.2) Observation du caractère tournant de ce champ ...................................................................................................................... 3
II.4.3) Généralisation à une machine multipôlaire ................................................................................................................................... 5
III) Définition d’un champ tournant : ................................................................................................................................................................... 5
III.1) Allure du champ créé par une spire : ................................................................................................................................................... 5
III.2) L'enroulement est immobile. .................................................................................................................................................................. 7
III.2.1) L'enroulement est bipolaire ............................................................................................................................................................ 7
III.2.2) L'enroulement est multipolaire ..................................................................................................................................................... 8
III.3) L'enroulement tourne à vitesse constante ....................................................................................................................................... 8
IV) Principe des machines synchrones et asynchrones : ................................................................................................................................. 8
IV.1) Principe du moteur synchrone : ................................................................................................................................................................ 8
IV.2) Principe du moteur asynchrone : ............................................................................................................................................................. 8
IV.3) Principe de l’alternateur : ......................................................................................................................................................................... 9
V) Liens : ......................................................................................................................................................................................................................... 9

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Les champs tournants
I) Introduction :
Un champ tournant est un champ magnétique dont l’orientation pivote au cours du temps.
Les champs tournants sont créés afin qu’ils entrainent des pièces présentant une certaine polarité créant ainsi
des moteurs.
Si le champ tournant est créé par des pièces fixes (que l’on appellera stator) alimentées en alternatif, il
entraine (c’est donc un moteur) un rotor (si c’est à la même vitesse que le champ tournant c’est alors un moteur
synchrone sinon c’est un moteur asynchrone) qui aura tendance à aligner son champ magnétique (champ
magnétique créé par un aimant permanent ou un bobinage alimenté en continu pour le moteur synchrone ou champ
magnétique induit par le fait que le rotor voit le champ tournant varier autour de lui, c’est donc un moteur
asynchrone) sur celui du champ tournant créé par le stator.
Afin d’expliquer davantage les fonctionnements des moteurs synchrones et asynchrones ainsi que des
alternateurs.
Les chapitres suivant décrivent
 le mode de création des champs tournants grâce au stator
 l’influence de la construction de la pièce polaire en rotation (le rotor)
 les applications de ces champs tournants sur les moteurs synchrones et asynchrones ainsi que
les alternateurs.
II) Production d'un champ tournant :
Pour créer un champ tournant deux possibilités :
- Rotation d'un aimant ou d’un électroaimant (alimenté en continu)
- Bobinages fixes espacés de 120° et parcourus par des courants triphasés.
En effet
II.1) Champ créé par un enroulement porté par le stator, parcouru par un courant sinusoïdal
Le champ magnétique en un point M dépend :
 de la position du point M dans l'entrefer,
 du temps puisque le courant est de la forme i =
I
ˆ
cost
D'où l'expression :
0
, cos cosB M t B t
Où B est orienté perpendiculairement à l’entrefer.
O
M
B
M
B
y
II.2) Décomposition d’un champ fixe alternatif en deux champs tournants : Théorème de Leblanc
Ce champ n'est pas tournant. Par contre, on peut le décomposer en une somme de champs magnétiques de
module Bo, tournant en sens inverse l'un de l'autre (théorème de Leblanc ) et qui se neutralisent.

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En effet :
00
, cos cos
22
BB
B M t t t
00
, cos cos
22
BB
B M t t t
Si on neutralise une de ces composantes, on obtient un champ tournant.
II.3) Champ créé par un bobinage fixe triphasé parcouru par des courants triphasés. = champ
tournant.
Voir les animations
II.4) Champ créé par trois enroulements portes par le stator, parcourus par un système triphasé de
courants
II.4.1) La machine est bipolaire
On considère un enroulement triphasé formé de trois bobines identiques,
dont les axes sont décalés de 120 ° ( fig. 7 ). Elles sont respectivement
parcourues par les courants:
i1(t) =
tI cos
ˆ
;
i2(t) =
)
3
2
cos(
ˆ
tI
;
i3(t) =
)
3
2
cos(
ˆ
tI
O
2/3
Figure 7
2/3
y1
y3
y2
3
3'
1
2
2'
1'
Les normales orientées
1
n
,
2
n
,
3
n
, des bobines, les champs
1
B
,
2
B
,
3
B
créés par celles-ci sont représentés
ci-dessous. Représenter le champ résultant
B
, aux instants t = 0 , T/6 , T/3 .
Le champ magnétique en un point M est de la forme
0
, cos cosB M t B t
ce que l’on démontrera
par la suite.
II.4.2) Observation du caractère tournant de ce champ

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 t = 0 s t = 0 rad
10101 0n.Bn).cos(.BB 
2
0
202 23
2n.
B
n).cos(.BB 
3
0
303 23
4n.
B
n).cos(.BB 
10
2
3nBB 
t =
T
6
t =
2
6 3
rad
1
0
101 23 n.
B
n).cos(.BB 
2
0
202 .
2
).
3
cos(. n
B
nBB 
30303 n.Bn).cos(.BB 
B
=
30
2
3nB 
t =
T
3
t =
2
3
rad
1
0
101 23
2n.
B
n).cos(.BB 
20202 0n.Bn).cos(.BB 
3
0
303 23
2n. B
n).cos(.BB 
B
=
20
2
3nB 
Constatations: tout revient à la rotation d’un champ magnétique
B
de module
0
2
3B
à la vitesse angulaire
 =
2
3
/
T
3
= .
T
2
. D’où  = .
Remarque : l’axe de
B
coïncide avec l’axe d’une phase, chaque fois que l’intensité du courant est
maximale dans cette phase l’ordre des phases impose le sens de rotation de
B
, donc le sens de
rotation de la machine.
n1
n2
n3
B1
B2
B3
n1
n2
n3
B1
B2
n1
n2
n3
B1
B2
B3

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II.4.3) Généralisation à une machine multipôlaire
II.4.3.1) Approche qualitative :
Chaque enroulement comporte p bobines en série ( p paires de pôles ) disposées de manière à faire apparaitre
une succession de pôles N et S:
 chaque phase alimente p bobines en série;
 le décalage entre les axes de 2 bobines successives est
)
p
(
2
3
1
.
Par comparaison avec une machine bipôlaire, l’axe du champ magnétique tournant
B
coïncide avec l’axe d’une
bobine chaque fois que l’intensité est maximale dans la phase alimentant cette bobine.
L’angle entre les axes de 2 bobines successives étant p fois plus petit, la fréquence f est p fois plus grande
f = p n
II.4.3.2) Approche quantitative : Théorème de Ferraris :
P systèmes de bobines triphasées réparties régulièrement sur le périmètre d’un entrefer et alimentées par un
système de courants triphasés de pulsation  créent p paires de pôles d’un champ tournant de pulsation
 = / p.
La valeur du champ est maximale en un point de l’axe d’une bobine quand l’intensité du courant dans cette bobine
passe par sa valeur maximale.
I1=I Mcos wt ; i2=IMcos( wt -2  /3) ; i3=IMcos( wt -4 /3)
H1(P,t)=H M cos p ; H2(P,t)= HMcos( p -2 /3) ; H3(P,t)=HMcos ( p - 4 /3)
avec HM1=Ki1, HM2=Ki2, HM3=Ki3.
Ce qui donne
H1(P,t)=K I Mcos wt cos p ; H2(P,t)= KIM cos( p -2 /3) cos( wt -2 /3) ; H3(P,t)=KIM cos ( p - 4 /3)
cos ( wt - 4 /3)
On peut montrer que:
H(P,t)= H1+H2+H3=3/2KIM cos(p -wt)= 3/2 KIMcos p(- t) ce qui est bien la formule d’un champ tournant.
II.4.3.3) Remarque importante : la réaction magnétique d'induit
Si le champ magnétique est créé par un enroulement au rotor, il crée des courants induits dans un enroulement
du stator; mais ces courants induits créent à leur tour un champ magnétique secondaire qui se superpose au
champ magnétique principal en le déformant : c'est la réaction magnétique d'induit.
( Il en est de même si le champ magnétique est créé par un enroulement triphasé au stator )
III) Définition d’un champ tournant :
On va s’intéresser au champ dans l’entrefer.
L’inducteur situé sur le rotor est alimenté par un courant continu et crée le champ rotorique.
III.1) Allure du champ créé par une spire :
Dans l’entrefer :
-La spire est parcourue par du courant continu.
-On comptera b positif s’il sort du rotor.
-Le champ n’est pas sinusoïdal ; on prend le fondamental.