Machines tournantes

Machine à courant continu :

Comme toutes les machines tournantes, les machines électriques à courant continu sont constituées d’un stator et d’un rotor. Le stator crée une magnétisation longitudinale fixe à l’aide d’enroulements (inducteur) ou d’aimants permanents. Le rotor est constitué d’un ensemble de bobines reliées à un collecteur rotatif. Le collecteur rotatif permet de maintenir fixe la direction transversale de magnétisation du rotor lorsque celui-ci tourne. Grâce à ce dispositif, les magnétisations, rotorique et statorique, sont toujours décalées de façon optimale (en quadrature). Ce décalage provoque un couple selon la loi du flux maximum (un pôle nord attire un pôle sud), provoquant ainsi la rotation du rotor.

L’avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse. Voire leur raccordement direct à la source d’énergie : batteries d’accumulateurs, piles, etc.

Le principal défaut de la machine à courant continu réside dans l’ensemble balais/ collecteur rotatif qui s’use, est complexe à réaliser et consomme de l’énergie. Un autre problème limite les vitesses d’utilisation élevées de ces moteurs lorsque le rotor est bobiné, c’est le phénomène de « défrettage », la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage).

Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs « disques » ou les moteurs « cloches », qui néanmoins possèdent toujours des balais.

Les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur brushless, aussi dénommé « moteur à courant continu sans balais », ou moteur sans balais.

Moteurs sans balais :

Un moteur sans balais, ou moteur « brushless », est un moteur synchrone, dont le rotor est constitué d’un ou de plusieurs aimants permanents et pourvu d’origine d’un capteur de position rotorique (capteur à effet Hall, synchro-résolver, codeur incrémental par exemple). Vu de l’extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation Brushless vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun balai. Par contre un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques. Ce dispositif peut être soit intégré au moteur, pour les petites puissances, soit extérieur. Le rôle de l’ensemble capteur-électronique de commande est d’assurer l’auto-pilotage du moteur c’est-à-dire le maintien de l’orthogonalité du flux magnétique rotorique par rapport au flux statorique, rôle autrefois dévolu à l’ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu.

Les moteurs brushless équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD de nos ordinateurs. Ils sont également très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d’avions, d’hélicoptères et de voitures ainsi que dans l’industrie, en particulier dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique.

Machines à courant alternatif :

Pour les applications de faible et moyenne puissance (jusqu’à quelques kilowatts), le réseau monophasé standard suffit. Pour des applications de forte puissance, les moteurs à courant alternatif sont généralement alimentés par une source de courants polyphasés. Le système le plus fréquemment utilisé est alors le triphasé (phases décalées de 120°) utilisé par les distributeurs d’électricité.

Ces moteurs alternatifs se déclinent en trois types :

les moteurs universels ;
les moteurs asynchrones ;
les moteurs synchrones.
Ces deux dernières machines ne diffèrent que par leur rotor.

Moteurs universels :

Un moteur universel est un moteur électrique fonctionnant sur le même principe qu’une machine à courant continu à excitation série : le rotor est connecté en série avec l’enroulement inducteur. Le couple de cette machine indépendant du sens de circulation du courant est proportionnel au carré de son intensité. Il peut donc être alimenté indifféremment en courant continu ou en courant alternatif, d’où son nom. Pour limiter les courants de Foucault qui apparaissent systématiquement dans toutes les zones métalliques massives soumises à des champs magnétiques alternatifs, son stator et son rotor sont feuilletés.

Dans la pratique, ces moteurs ont un mauvais rendement, mais un coût de fabrication très réduit. Leur couple est faible, mais leur vitesse de rotation est importante. Quand ils sont utilisés dans des dispositifs exigeant un couple important, ils sont associés à un réducteur mécanique.

Ils sont principalement utilisés dans l’électroménager, par exemple les aspirateurs, l’outillage électroportatif de faible puissance (jusqu’à environ 1 200 W) et de nombreuses applications domestiques. On règle facilement leur vitesse de rotation avec des dispositifs électroniques peu coûteux tels que les gradateurs.

Machines synchrones :

La machine synchrone est souvent utilisée comme génératrice. On l’appelle alors « alternateur ». Mis à part pour la réalisation de groupe électrogène de faible puissance, cette machine est généralement triphasée. Pour la production d’électricité, les centrales électriques utilisent des alternateurs dont les puissances peuvent avoisiner les 1 500 MW.

Comme le nom l’indique, la vitesse de rotation de ces machines est toujours proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent. Ce type de machine peut être utilisé pour relever le facteur de puissance d’une installation. On appelle celle-ci un « compensateur synchrone ».

Les machines synchrones sont également utilisées comme moteurs dans les systèmes de traction (comme la deuxième génération de TGV) ; dans ce cas, elles sont souvent associées à des onduleurs de courant, ce qui permet de contrôler le couple moteur avec un minimum de courant. On parle d’« autopilotage » (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor).

Machines asynchrones :

La machine asynchrone, connue également sous le terme d’origine anglo-saxonne de « machine à induction », est une machine à courant alternatif sans alimentation électrique du rotor. Le terme anglais provient des courants induits dans le rotor par induction électromagnétique. Le terme « asynchrone » provient du fait que la vitesse de ces machines n’est pas forcément synchronisée avec la fréquence des courants qui les traversent.

La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu’à l’avènement de l’électronique de puissance. On la retrouve aujourd’hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains, propulsion des navires), de l’industrie (machines-outils), dans l’électroménager, etc. Elles étaient à l’origine uniquement utilisées en moteur mais, toujours grâce à l’électronique de puissance, elles sont de plus en plus souvent utilisées en génératrice par exemple dans les éoliennes.

En 2018, une équipe d’inventeurs bulgares dirigée par Alexander Hristov a développé une version plus efficace des moteurs asynchrones, dans laquelle la partie extérieure du rotor avec des enroulements électriques est séparée du noyau ferromagnétique. La partie ferromagnétique intérieure du rotor est montée au moyen de roulements sur l’arbre du moteur et peut tourner séparément de la partie extérieure du rotor. Ainsi, la partie extérieure du rotor avec l’arbre tourne de manière asynchrone comme dans les moteurs asynchrones traditionnels, et la partie intérieure du rotor tourne de manière synchrone avec le champ magnétique généré par le stator, c’est-à-dire comme le rotor d’un moteur synchrone. De cette manière, cela réduit les pertes dues à la génération de courants de Foucault et à la magnétisation continue du noyau ferromagnétique du rotor.

Pour fonctionner en monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage, condensateur en série sur l’un des enroulements (P max. 6 kW) ou bague de démarrage (P max. 400 W). Les moteurs à bague de démarrage sont employés dans les hottes aspirantes, pompes de vidange de machine à laver et ventilateurs car le couple de démarrage est extrêmement faible. Pour les applications de puissance, au-delà de 6 kW, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés.

Machines autosynchrones :

Ce sont des machines synchrones dont le démarrage se fait en asynchrone et lorsque la fréquence de rotation est proche du synchronisme, le rotor s’accroche au champ statorique en se synchronisant sur la vitesse du champ magnétique.

L’autopilotage (contrôle de la fréquence statorique en fonction de la vitesse rotorique) tend à faire disparaître cette technologie.

Caractéristiques communes des machines à courant alternatif :

Excepté pour le moteur de type universel, la vitesse de rotation des machines à courant alternatif est généralement liée à la fréquence des courants qui traversent ces machines.

Il existe une grande variété de moteurs hybrides (par exemple « asynchrone synchronisé » dans les pompes de lave-vaisselle).

Moteurs pas à pas :

Un autre genre de moteur électrique est le moteur pas à pas. Un rotor interne contenant des aimants permanents est déplacé par un ensemble d’électroaimants placés dans le stator commutés par une électronique de puissance. L’alimentation ou non de chacun définit une position angulaire différente (l’enchaînement permet le mouvement). Les moteurs pas à pas simples ont un nombre limité de positions, mais les moteurs pas à pas à commande proportionnelle (alimentation variable des bobines) peuvent être extrêmement précis. On parle alors de « micro pas » puisque le moteur peut s’équilibrer entre deux pas.

Ces moteurs commandés par une électronique numérique sont une des formes les plus souples des systèmes de positionnement, en particulier dans les organes servocommandés numériquement : exemple, les moteurs de positionnement des têtes de lecture/écriture des disques durs d’ordinateur ont longtemps été positionnées par ce type de moteur, désormais trop lents pour cette application, ils ont été remplacés par des moteurs linéaires à impulsion beaucoup plus rapides.