II Machine de base ou machine à excitation indépendante

La mach i n e à co u ran t con t i n u.
I
Présentation.
Une machine à courant continu est un convertisseur électromécanique permettant la conversion
bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant continu et un
dispositif mécanique. Elle est aussi appelée dynamo.
• En fonctionnement moteur, l'énergie électrique est transformée en énergie mécanique.
• En fonctionnement générateur, l'énergie mécanique est transformée en énergie électrique. La
machine se comporte comme un frein.
Inventée par Zénobe Gramme, vers 1868, c'était au départ un simple générateur de courant continu.
Puis on s'aperçut que cette machine était réversible, et pouvait fonctionner comme moteur.
II Machine de base ou machine à excitation indépendante
II.1
Description sommaire
Voir la figure __
Une machine électrique à courant continu est constituée :
• D'un _______ , partie fixe, qui est à l'origine de la circulation d'un flux magnétique créé soit
par des enroulements statoriques (bobinage) soit par des aimants permanents. Il est aussi
appelé « inducteur » en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine.
• D'un ______ bobiné relié à un ___________ , inversant la polarité dans chaque
enroulement rotorique au moins une fois par tour . Les enroulements rotoriques sont aussi
appelés enroulements d'induits, ou communément « _________ » en référence au
fonctionnement en génératrice de cette machine.
Constitution et principes physiques
Voir figure ___ .
II.1.a
système balais-collecteur .
Le courant I, injecté via les balais au collecteur, traverse un conducteur rotorique (une spire
rotorique) et change de sens (commutation) au droit des balais. Ceci permet de maintenir la
magnétisation du rotor perpendiculaire à celle du stator, et le sens apparent du courant dans le rotor.
En fait le courant est ____________ dans les enroulement du rotor, puisqu'il tourne !
On peut dire que le système balais-collecteur est un ______________________________.
II.1.b
Force électromotrice (F.E.M. ) de l'induit.
Les conducteurs du rotor se déplacent dans le _____________________ S. Il sont donc le siège
d'une F.E.M. induite (Loi de _______)
Les spires du rotor sont connectées au collecteur de manière à additonner leurs F.E.M. .
La disposition des balais sur la « ligne neutre » (c'est-à-dire la zone où la densité de flux est nulle),
permet d'obtenir la force contre-électromotrice (FCEM) maximum.
On démontre que :
Avec E en volts, ___ en webers, et __ en rad/s
E est une force électromotrice si la machine fonctionne en G_______________
E est une force contre-électromotrice si la machine fonctionne en M_____________
Pour permettre au courant I de continuer à circuler, il faudra que l'alimentation électrique du moteur
délivre une tension supérieure à la force contre-électromotrice E induite au rotor.
II.1.c
Couple
Une manière classique, scolaire, mais simpliste de calculer le couple est de s'appuyer sur l'existence
d'une force de Laplace (fictive) créée par le champ statorique (Bs sur le schéma) et agissant sur les
conducteurs rotoriques traversés par le courant d'intensité I. Cette force (FL sur le schéma) qui
résulte de cette interaction est identique en module pour deux conducteurs rotoriques
diamétralement opposés, mais comme ces courants sont en sens inverse grâce au système balaiscollecteur, les forces sont aussi de sens opposés.
La force ainsi créée est proportionnelle à I et à Bs. Le couple moteur T est donc lui aussi
proportionnel à ces deux grandeurs.
En fait si on appelle Pem la puissance électromagnétique de la machine, on a :
E . Ii = T . Ω ou « Puissance électrique utile » = « Puissance mécanique ».
et donc :
II.2
Schéma électrique idéalisé
Ri et Re sont respectivement les résistances du rotor et du stator
Ce schéma correspond aux équations électriques suivantes :
• au stator : Ue = _________ (loi d'ohm) et le champ statorique vaut Bs = ke . Ie
• au rotor : Ui = __________
On peut remarquer que :
La ___________________ ___ (rad.s-1 ) est liée à la F.E.M. E et donc à la _________ U (V)
Le ______________ __ (N.m) est lié au _____________ _ (A)
( Dans les 2 cas ce sont des valeurs de _______________ ou ______________ . )
III Bilan des puissances.
Voir schéma
IV Courbes caractéristiques.
IV.1 Courbe de la F.E.M en fonction de la vitesse de rotation E
E = K.
IV.2 Courbe de E en fonction du courant d'excitation. E(ie)
Si on change le courant d'excitation, ou courant du __________, on modifie d'abord le ____ 
=L. i e , et donc on modifie E.
Attention au ph énomène de saturation magnétique du matér iaux du circuit magnétique (fer)
En fait L n'est pas constante si on a trop de courant d'excitation. Le fer ne peut s' aimanter
indéfiniment.
IV.3 Vitesse de rotation en fonction du courant d'excitation ie 
Si
E= K. . alors : =¿
Le type de courbe obtenue est du type de celui de la fonction mathématique
y=
Cte
x
, c'est à dire
une __________________ .
On comprend alors que si le courant d'excitation devient faible, la vitesse de rotation ___________.
On a un risque d' _______________
avec les moteurs à aimants permanents, _____________________________________
On considérera maintenant le fonctionnement classique, avec une excitation (flux  ) constante
et une tension d'induit U constante.
IV.4 Courbe du courant d'induit en fonction de la fréquence de rotation. I(n)
Pour un moteur (récepteur d'énergie électrique) U=ERI , et E= K. .
avec =
donc si le flux est constant on peut écrire E = k.n
IV.5 Caractéristiques du couple en fonction de la fréquence de rotation, et du
courant T(n) , T(I)
T =K . . I On obtient donc une _________ qui passe par _____________ , et la courbe du
couple en fonction de la fréquence de rotation n ressemble à celle de _________
IV.6 Fonctionnement sous tension d'induit réglable et excitation constante
Cela revient souvent à alimenter l'induit avec un __________
−k
U
. n
avec k =constante.
R
R
À vide, le couple est faible (Tc, couple de ________ ________ ), donc le courant est faible , presque
nul.
Rappel :
n=n0≈
I=
U
k
si on fait varier U, on obtient des droites de même _________, mais d_________.
V Moteur Série
V.1
Schéma
Le circuit d' ________ est en ________ avec l'Induit.
Pour un moteur , en convention ___________, on a :
U=
Et donc le courant d'excitation ie =
et : ue = ______ ( mais en réalité on n'utilise pratiquement pas cette grandeur).
V.2
Fonctionnement sous tension constante.
E= K. .=k ' . . n avec k' = constante
Le flux ___ dépend du courant d'excitation qui est ici égal au courant d'Induit (rotor).