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CEM Conversion électromécanique cours CEM-1 Machine à courant continu
Lycée Jules Ferry Page 1 sur 7 TSI1
La machine à courant continu
1- Introduction :
Dans l’architecture fonctionnelle générique d’un système pluri technologique, les convertisseurs électromécaniques
(ici la machine à courant continu) assurent la fonction technique « CONVERTIR » de la chaîne d’énergie.
Analyser
Modéliser
Résoudre
Expérimenter
Concevoir
Réaliser
Communiquer
Choisir une démarche de résolution
%
Savoirs faires associés
§
bilan
Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions, des puissances
échangées, des énergies transmises ou stockées.
1 à 7
Procéder à la mise en œuvre d'une démarche de résolution analytique
%
Savoirs faires associés
Construire graphiquement les lois de l’électricité à partir des vecteurs de Fresnel
Déterminer les caractéristiques mécaniques de l’actionneur
Déterminer le point de fonctionnement
§
bilan
1 à 7
Cours
Cours CEM 1
TSI1
TSI2
La conversion électromécanique
d’énergie
X
Période
La machine à courant continu
1
2
3
4
5
Cycle 8 :
Conversion électromécanique
Durée :
3 semaines
X
Machine à
Courant continu

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Les moteurs à courant continu sont des convertisseurs électromécaniques réversibles en puissance, ils
peuvent donc fonctionner soit en moteur, soit en générateur.
Très facile à miniaturiser, ils s'imposent dans les très faibles puissances. Ils se prêtent également fort bien
à la variation de vitesse avec des technologies électroniques simples pour des performances élevées et
jusqu'à des puissances importantes.
Leurs caractéristiques permettent également une régulation précise du couple, en fonctionnement
moteur ou en générateur.
Ils sont en revanche moins robustes et plus chers que les moteurs à courants alternatifs et nécessitent
un entretien régulier du collecteur et des balais.
2- Principe de la conversion électromécanique :
Le moteur à courant continu est l'application par excellence de la loi de Laplace. Cette loi affirme que
l'action d'un champ magnétique sur un conducteur traversé par un courant, produit une force, cette force
engendre un couple qui fait tourner le moteur.
Lorsque le courant passe dans le fil, un flux tourbillonnaire s’établi alors
autour de celui-ci (Biot-Savart).
C’est ce flux qui combiné au flux ambiant créé par les pôles N-S d’un
aimant qui produira l’effet moteur recherché.
La force de Laplace s’exerce sur les conducteurs parcourus par un courant et plongés au sein d’un champ
magnétique (stator).
L’action de ces deux forces exerce un couple qui entraîne en rotation la partie mobile (rotor).
󰂭
.
méc m m
PC
.
élec
P U I
Puissance
électrique
Puissance
mécanique
.
méc m m
PC
.
élec
P U I
Puissance
électrique
Puissance
mécanique
N
S
Bi.
Be 
I
α
N
S
Bi.
Be 
I
Aimant
Matériau
ferromagnétique
L
Conducteur
électrique

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F : force de Laplace (N)
I : intensité du courant qui traverse le conducteur (A)
L : longueur du conducteur soumis au champ magnétique (m)
B : induction magnétique (Tesla)
α : angle entre le champ d’excitation B et le conducteur électrique
Soit pour notre application : conducteur du dessus :
󰂭
On constate que si le courant parcourt le conducteur dans le sens contraire, la force change de signe. Un
couple est alors créé.
A l’issue de la rotation, les deux forces étant colinéaires et de signe opposé, le couple devient nul et la
rotation s’arrête. (Cette position s’appelle axe neutre)
Si on souhaite entretenir cette rotation, il faudra alimenter d’autres groupes de conducteurs de manière à
obtenir un couple toujours non nul.
C’est le principe de fonctionnement du moteur à courant continu.
Application du principe à un rotor
- Dans la position 1 :
Le balai du haut frotte sur la lame reliée au conducteur A qui est alors alimenté par un courant qui circule
vers l’arrière de la machine. Ce courant revient via la tête de bobine par l’autre conducteur B. Il passe alors
par la lame du collecteur bas puis le balai. Sous l’effet du couple, le rotor tourne et les conducteurs se
retrouvent sur l’axe neutre (position 2). Aucun des conducteurs n’est alors alimenté puisque les balais
frottent sur l’isolant électrique (mica) entre les deux lames du collecteur. Le courant est bien nul dans les
conducteurs lorsqu’ils sont sur la ligne neutre.
- Dans la position 3 :
Le rotor a encore tourné et le conducteur A se retrouve sous l’autre pôle par rapport à la position 1. Il est
maintenant alimenté par un courant −I imposé par l’extérieur via le balai du bas qui frotte sur la lame du
collecteur. C’est le conducteur B qui est alimenté par le courant I via le balai du haut. Les courants dans les
conducteurs ont bien été inversés lors de leur passage par la ligne neutre, alors que le courant extérieur
alimentant les deux balais fixes n’a pas changé de sens.
A
B
A
A
B
B

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3- Constitution de la machine à courant continu :
3-1 L’inducteur :
Le stator est constitué d’un circuit magnétique portant l’enroulement d’excitation ou les aimants
permanents. C’est lui qui crée le champ magnétique d’excitation noté Be. Cet ensemble constitue
l’inducteur.
Inducteur à aimants permanents Inducteur à enroulements
3-2 L’induit :
Le rotor est formé d’un empilage de tôles magnétiques à faibles
pertes. Il porte les enroulements actifs qui, plongés dans le flux
inducteur développent un couple moteur, est entraîne en
rotation le rotor.
Il est le siège de forces électromotrices (fem) induites. Cet
ensemble constitue l’induit.
Stator
Rotor Collecteur
à balais
Arbre de
sortie
Balais

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3-3 Le collecteur et balais :
Les conducteurs de l’induit sont alimentés par une source continue au moyen de contacts glissants : les
balais, solidaires du stator, frottent sur le collecteur lié au rotor et fait de lames de cuivre isolées les unes
des autres. Ce dispositif balais-collecteur réalise :
- La commutation de courant dans les conducteurs, de telle sorte qu’il circule avec un sens donné
dans ceux situés sous un pôle Nord, et en sens inverse dans ceux situés sous un pôle Sud.
Lorsqu’un conducteur se déplace dans un champ magnétique, il apparaît une force contre électromotrice E
à ses bornes. Le courant induit dans une spire (courant dû à la fcem induite dans le cas où il peut circuler)
est tel que par ses effets, il s’oppose à la cause qui lui a donné naissance.
C’est la loi de FARADAY-LENTZ, elle s’exprime par :
4- Différents modes d’excitation de la machine à courant continu :
Les moteurs à courant continu sont classés selon la manière dont sont raccordés les circuits d’excitation et
d’induit. On se limitera par la suite à l’étude des moteurs à courant continu à excitation séparée et à
aimants permanents.
collecteur
-
+
M
u
I
i
+
-
U
M
U
I=i
+
-
M
U
I
+
-
Moteur à courant continu
à excitation séparée
(Le plus répandu)
Moteur à courant continu
à excitation série
(Traction électrique)
Moteur à courant continu
à aimants permanents
(Micro moteur robotique)
balais
M
U
I
i
-
+
-
Moteur à courant continu
à excitation shunt
Moteur à courant continu
à excitation composée
(Compound)
N : nombre de spires
φ : flux magnétique sous une spire en Weber (Wb)
E : force contre électromotrice en V
U
+
M
I
i
-