Moteur électrique

Un moteur électrique est une machine électrique qui convertit l’énergie électrique en énergie mécanique . La plupart des moteurs électriques fonctionnent grâce à l’interaction entre le champ magnétique du moteur et le courant électrique dans un enroulement de fil pour générer une force sous la forme d’un couple appliqué sur l’arbre du moteur. Un générateur électrique est mécaniquement identique à un moteur électrique, mais fonctionne avec un flux de puissance inversé, convertissant l’énergie mécanique en énergie électrique.

Animation montrant le fonctionnement d’un moteur électrique à courant continu à balais.

Les moteurs électriques peuvent être alimentés par des sources de courant continu (DC), telles que des batteries ou des Redresseurs , ou par des sources de courant alternatif (AC), telles qu’un réseau électrique, des onduleurs ou des générateurs électriques.

Les moteurs électriques peuvent être classés en fonction de considérations telles que le type de source d’alimentation, la construction, l’application et le type de sortie de mouvement. Ils peuvent être alimentés en courant alternatif ou continu, avec ou sans balais , monophasés , biphasés ou triphasés , à flux axial ou radial, et peuvent être refroidis par air ou par liquide.

Les moteurs standardisés fournissent une puissance mécanique pratique pour une utilisation industrielle. Les plus grands sont utilisés pour la propulsion des navires, la compression des pipelines et les applications de stockage par pompage avec une puissance supérieure à 100 mégawatts .

Les applications incluent les ventilateurs industriels, les soufflantes et les pompes, les machines-outils, les appareils électroménagers, les outils électriques, les véhicules et les lecteurs de disque. De petits moteurs peuvent être trouvés dans les montres électriques. Dans certaines applications, telles que le freinage régénératif avec des moteurs de traction , les moteurs électriques peuvent être utilisés en marche arrière comme générateurs pour récupérer l’énergie qui pourrait autrement être perdue sous forme de chaleur et de friction.

Les moteurs électriques produisent une force linéaire ou rotative ( couple ) destinée à propulser un mécanisme externe, tel qu’un ventilateur ou un ascenseur. Un moteur électrique est généralement conçu pour une rotation continue, ou pour un mouvement linéaire sur une distance importante par rapport à sa taille. Les solénoïdes magnétiques sont également des transducteurs qui convertissent l’énergie électrique en mouvement mécanique, mais ne peuvent produire un mouvement que sur une distance limitée.

Les moteurs électriques sont beaucoup plus efficaces que l’autre moteur principal utilisé dans l’industrie et les transports, le moteur à combustion interne (ICE) ; les moteurs électriques ont généralement un rendement supérieur à 95 %, tandis que les moteurs à combustion interne sont bien inférieurs à 50 %. Ils sont plus légers, physiquement plus petits, mécaniquement plus simples et moins chers à construire, plus durables, peuvent fournir un couple instantané et constant à n’importe quelle vitesse, peuvent fonctionner à l’électricité générée par des sources renouvelables et n’émettent pas de carbone dans l’atmosphère. Pour ces raisons, les moteurs électriques remplacent la combustion interne dans la plupart des applications.

Vue en coupe à travers le stator du moteur à induction.

Histoire

Premiers moteurs

Expérience électromagnétique de Faraday, 1821 ^[1]

Avant les moteurs électromagnétiques modernes, des moteurs expérimentaux fonctionnant par force électrostatique ont été étudiés. Les premiers moteurs électriques étaient de simples dispositifs électrostatiques décrits dans les expériences du moine écossais Andrew Gordon et de l’expérimentateur américain Benjamin Franklin dans les années 1740. ^{[2] [3]} Le principe théorique derrière eux, la loi de Coulomb , a été découvert mais non publié, par Henry Cavendish en 1771. Cette loi a été découverte indépendamment par Charles-Augustin de Coulomb en 1785, qui l’a publiée de sorte qu’elle est maintenant connue avec son nom. ^[4]En raison de la difficulté de générer les hautes tensions dont ils avaient besoin, les moteurs électrostatiques n’ont jamais été utilisés à des fins pratiques.

L’invention de la pile électrochimique par Alessandro Volta en 1799 ^[5] a rendu possible la production de courants électriques persistants. Hans Christian Ørsted a découvert en 1820 qu’un courant électrique crée un champ magnétique, qui peut exercer une force sur un aimant. Il n’a fallu que quelques semaines à André-Marie Ampère pour développer la première formulation de l’interaction électromagnétique et présenter la loi de la force d’Ampère , qui décrivait la production d’une force mécanique par l’interaction d’un courant électrique et d’un champ magnétique. ^[6] La première démonstration de l’effet avec un mouvement rotatif a été donnée par Michael Faradayen 1821. Un fil libre a été plongé dans une piscine de mercure, sur lequel un Aimant permanent (PM) a été placé. Lorsqu’un courant passait à travers le fil, le fil tournait autour de l’aimant, montrant que le courant provoquait un champ magnétique circulaire proche autour du fil. ^[7] Ce moteur est souvent démontré dans des expériences de physique, remplaçant la saumure par du mercure (toxique). La roue de Barlow était un premier raffinement de cette démonstration de Faraday, bien que ces moteurs homopolaires et similaires soient restés inadaptés à une application pratique jusqu’à la fin du siècle.

“L’auto-rotor électromagnétique” de Jedlik , 1827 (Musée des Arts Appliqués, Budapest). Le moteur historique fonctionne encore parfaitement aujourd’hui. ^[8] Un moteur électrique présenté à Kelvin par James Joule en 1842, Hunterian Museum, Glasgow

En 1827, le physicien hongrois Ányos Jedlik a commencé à expérimenter les bobines électromagnétiques . Après que Jedlik ait résolu les problèmes techniques de la rotation continue avec l’invention du collecteur , il a appelé ses premiers appareils “auto-rotors électromagnétiques”. Bien qu’ils n’aient été utilisés que pour l’enseignement, en 1828, Jedlik a présenté le premier appareil contenant les trois composants principaux des moteurs à courant continu pratiques : le stator , le rotor et le collecteur. L’appareil n’utilisait aucun Aimant permanent, car les champs magnétiques des composants fixes et tournants étaient produits uniquement par les courants circulant dans leurs enroulements. ^{[9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]}

Moteurs à courant continu

Le premier commutateur Un moteur électrique à courant continu capable de faire tourner des machines a été inventé par le scientifique britannique William Sturgeon en 1832. ^[16] Suite aux travaux de Sturgeon, un moteur électrique à courant continu de type collecteur a été construit par l’inventeur américain Thomas Davenport et sa femme, Emily Davenport , ^[17] qu’il a breveté en 1837. Les moteurs tournaient jusqu’à 600 tours par minute et alimentaient des machines-outils et une presse à imprimer. ^[18] En raison du coût élevé de l’alimentation par batterie primaire , les moteurs ont échoué commercialement et ont mis Davenport en faillite. Plusieurs inventeurs ont suivi Sturgeon dans le développement de moteurs à courant continu, mais tous ont rencontré les mêmes problèmes de coût de batterie. Comme nonsystème de distribution d’électricité était disponible à l’époque, aucun marché commercial pratique n’a émergé pour ces moteurs. ^[19]

Après de nombreuses autres tentatives plus ou moins réussies avec des appareils rotatifs et alternatifs relativement faibles, le prussien / russe Moritz von Jacobi a créé le premier véritable moteur électrique rotatif en mai 1834. Il a développé une puissance de sortie mécanique remarquable. Son moteur a établi un record du monde, que Jacobi a amélioré quatre ans plus tard en septembre 1838. ^[20] Son deuxième moteur était assez puissant pour conduire un bateau avec 14 personnes à travers une large rivière. C’est également en 1839/40 que d’autres développeurs réussirent à construire des moteurs aux performances similaires puis supérieures.

En 1855, Jedlik a construit un appareil utilisant des principes similaires à ceux utilisés dans ses auto-rotors électromagnétiques qui était capable de travail utile. ^{[9] [15]} Il a construit un modèle de véhicule électrique la même année. ^[21]

Un tournant majeur s’est produit en 1864, lorsque Antonio Pacinotti a décrit pour la première fois l’armature annulaire (bien qu’initialement conçue dans un générateur à courant continu, c’est-à-dire une dynamo). ^[6] Celui-ci comportait des bobines groupées symétriquement fermées sur elles-mêmes et connectées aux barres d’un commutateur, dont les balais délivraient un courant pratiquement non fluctuant. ^{[22] [23]} Les premiers moteurs à courant continu à succès commercial ont suivi les développements de Zénobe Gramme qui, en 1871, a réinventé la conception de Pacinotti et adopté certaines solutions de Werner Siemens .

Un avantage pour les machines à courant continu est venu de la découverte de la réversibilité de la machine électrique, qui a été annoncée par Siemens en 1867 et observée par Pacinotti en 1869 ^. connecté deux de ces appareils à courant continu jusqu’à 2 km l’un de l’autre, en utilisant l’un comme générateur et l’autre comme moteur. ^[24]

Le rotor à tambour a été introduit par Friedrich von Hefner-Alteneck de Siemens & Halske pour remplacer l’armature annulaire de Pacinotti en 1872, améliorant ainsi l’efficacité de la machine. ^[6] Le rotor feuilleté a été introduit par Siemens & Halske l’année suivante, obtenant des pertes de fer réduites et des tensions induites accrues. En 1880, Jonas Wenström a fourni au rotor des fentes pour loger l’enroulement, augmentant encore l’efficacité.

En 1886, Frank Julian Sprague a inventé le premier moteur à courant continu pratique, un dispositif anti-étincelles qui maintenait une vitesse relativement constante sous des charges variables. D’autres inventions électriques de Sprague à cette époque ont considérablement amélioré la distribution électrique du réseau (travaux antérieurs effectués alors qu’il était employé par Thomas Edison ), ont permis de renvoyer l’énergie des moteurs électriques au réseau électrique, ont prévu la distribution électrique aux chariots via des fils aériens et le poteau de chariot, et fourni des systèmes de contrôle pour les opérations électriques. Cela a permis à Sprague d’utiliser des moteurs électriques pour inventer le premier système de chariot électrique en 1887-1888 à Richmond, en Virginie., l’ascenseur électrique et le système de contrôle en 1892, et le métro électrique avec des voitures à commande centralisée à alimentation indépendante. Ces derniers ont été installés pour la première fois en 1892 à Chicago par le South Side Elevated Railroad , où ils sont devenus populaires sous le nom de « L ». Le moteur de Sprague et les inventions connexes ont conduit à une explosion d’intérêt et d’utilisation dans les moteurs électriques pour l’industrie. Le développement de moteurs électriques d’un rendement acceptable a été retardé de plusieurs décennies par la méconnaissance de l’extrême importance d’un entrefer entre le rotor et le stator. Les conceptions efficaces ont un entrefer relativement petit. ^{[25] [un]}Le moteur St. Louis, utilisé depuis longtemps dans les salles de classe pour illustrer les principes moteurs, est inefficace pour la même raison et n’a rien à voir avec un moteur moderne. ^[27]

Les moteurs électriques ont révolutionné l’industrie. Les processus industriels n’étaient plus limités par la transmission de puissance à l’aide d’arbres de transmission, de courroies, d’air comprimé ou de pression hydraulique. Au lieu de cela, chaque machine pourrait être équipée de sa propre source d’alimentation, offrant un contrôle facile au point d’utilisation et améliorant l’efficacité de la transmission de puissance. Les moteurs électriques appliqués dans l’agriculture ont éliminé la puissance musculaire humaine et animale de tâches telles que la manipulation du grain ou le pompage de l’eau. Les utilisations domestiques (comme dans les machines à laver, les lave-vaisselle, les ventilateurs, les climatiseurs et les réfrigérateurs (remplaçant les glacières )) des moteurs électriques ont réduit le travail pénible à la maison et rendu possibles des normes plus élevées de commodité, de confort et de sécurité. Aujourd’hui, les moteurs électriques consomment plus de la moitié de l’énergie électrique produite aux États-Unis. ^[28]

Moteurs à courant alternatif

En 1824, le physicien français François Arago a formulé l’existence de champs magnétiques rotatifs , appelés rotations d’Arago , qui, en allumant et éteignant manuellement les interrupteurs, Walter Baily a démontré en 1879 comme étant en fait le premier moteur à induction primitif . ^{[29] [30] [31] [32]} Dans les années 1880, de nombreux inventeurs essayaient de développer des moteurs à courant alternatif fonctionnels ^[33] parce que les avantages du courant alternatif dans la transmission haute tension longue distance étaient compensés par l’incapacité de faire fonctionner les moteurs sur le courant alternatif.

Le premier moteur à induction sans collecteur à courant alternatif a été inventé par Galileo Ferraris en 1885. Ferraris a pu améliorer sa première conception en produisant des configurations plus avancées en 1886. ^[34] En 1888, l’ Académie royale des sciences de Turin a publié les recherches de Ferraris détaillant le fondements du fonctionnement moteur, tout en concluant à l’époque que “l’appareil basé sur ce principe ne pouvait avoir aucune importance commerciale en tant que moteur”. ^{[32] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [ citations excessives ]}

Un développement industriel possible a été envisagé par Nikola Tesla , qui a inventé indépendamment son moteur à induction en 1887 et a obtenu un brevet en mai 1888. La même année, Tesla a présenté son article A New System of Alternate Current Motors and Transformers à l’ AIEE qui décrivait trois brevets brevetés . types de moteurs biphasés à quatre stator-pôles : l’un avec un rotor à quatre pôles formant un moteur à réluctance non auto-démarrant , un autre avec un rotor bobiné formant un moteur à induction auto-démarrant , et le troisième un véritable moteur synchrone avec séparément alimentation CC excitée à l’enroulement du rotor. Cependant, l’un des brevets déposés par Tesla en 1887 décrivait également un moteur à induction à rotor à enroulement court-circuité.George Westinghouse , qui avait déjà acquis les droits de Ferraris (1 000 $ US), acheta rapidement les brevets de Tesla (60 000 $ US plus 2,50 $ US par ch vendu, payé jusqu’en 1897), ^[34] employa Tesla pour développer ses moteurs et chargea CF Scott de l’aider . Tesla ; cependant, Tesla est parti pour d’autres activités en 1889. ^{[32] [40] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [ 54] [ citations excessives ]} Le moteur à induction à courant alternatif à vitesse constante s’est avéré ne pas convenir aux tramways, ^{[33]mais les ingénieurs de Westinghouse} l’ont adapté avec succès pour alimenter une exploitation minière à Telluride, Colorado en ^{1891 .} ces premiers moteurs Westinghouse étaient des moteurs biphasés à rotors bobinés. BG Lamme a développé plus tard un rotor d’enroulement à barres rotatives. ^[47]

Inébranlable dans sa promotion du développement triphasé, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky a inventé le moteur à induction triphasé en 1889, des deux types rotor à cage et rotor bobiné avec un rhéostat de démarrage, et le transformateur à trois branches en 1890. Après un accord entre AEG et Maschinenfabrik Oerlikon , Doliwo-Dobrowolski et Charles Eugene Lancelot Brown ont développé des modèles plus grands, à savoir une cage d’écureuil de 20 ch et un rotor bobiné de 100 ch avec un rhéostat de démarrage. Ce sont les premiers moteurs asynchrones triphasés adaptés à un fonctionnement pratique. ^[34]Depuis 1889, des développements similaires de machines triphasées ont été lancés Wenström. Lors de l’exposition électrotechnique internationale de Francfort de 1891, le premier système triphasé longue distance a été présenté avec succès. Il était évalué à 15 kV et s’étendait sur 175 km depuis la cascade de Lauffen sur le Neckar. La centrale de Lauffen comprenait un alternateur de 240 kW 86 V 40 Hz et un transformateur élévateur tandis qu’à l’exposition un transformateur abaisseur alimentait un moteur à induction triphasé de 100 ch qui alimentait une cascade artificielle, représentant le transfert de l’original source d’énergie. ^[34] L’induction triphasée est maintenant utilisée pour la grande majorité des applications commerciales. ^{[58] [59]} Mikhaïl Dolivo-Dobrovolskya affirmé que le moteur de Tesla n’était pas pratique à cause des pulsations biphasées, ce qui l’a incité à persister dans son travail triphasé. ^[60]

La General Electric Company a commencé à développer des moteurs à induction triphasés en 1891. ^[47] En 1896, General Electric et Westinghouse ont signé un accord de licence croisée pour la conception du rotor à enroulement de barre, appelé plus tard le rotor à cage d’écureuil . ^[47] Les améliorations des moteurs à induction découlant de ces inventions et innovations étaient telles qu’un moteur à induction de 100 chevaux a actuellement les mêmes dimensions de montage qu’un moteur de 7,5 chevaux en 1897. ^[47]

Vingt-et-unième siècle

En 2022, les ventes de moteurs électriques étaient estimées à 800 millions d’unités, en augmentation de 10 % par an. Les moteurs électriques consomment environ 50 % de l’électricité mondiale. ^[61]

Composants

Rotor de moteur électrique (gauche) et stator (droite)

Les deux parties mécaniques d’un moteur électrique sont le rotor, qui bouge, et le stator, qui ne bouge pas. Il comprend également deux parties électriques, un ensemble d’aimants et une armature, dont l’une est fixée au rotor et l’autre au stator, formant ensemble un circuit magnétique : ^[62]

• Aimants de champ – Les aimants créent un champ magnétique qui traverse l’armature. Ceux-ci peuvent être des électro -aimants ou des aimants permanents . L’aimant de champ est généralement sur le stator et l’induit sur le rotor, mais dans certains types de moteurs, ils sont inversés.

Roulements

Le rotor est soutenu par des roulements , qui permettent au rotor de tourner sur son axe. Les roulements sont à leur tour supportés par le carter du moteur. ^[63]

Rotor

Le rotor est la partie mobile qui délivre la puissance mécanique. Le rotor contient généralement des conducteurs qui transportent des courants, sur lesquels le champ magnétique du stator exerce une force pour faire tourner l’arbre. Alternativement, certains rotors portent des aimants permanents et le stator maintient les conducteurs. Les aimants permanents offrent un rendement élevé sur une plage de vitesse et de puissance de fonctionnement plus large. ^[64]

Un entrefer entre le stator et le rotor lui permet de tourner. La largeur de l’entrefer a un effet significatif sur les caractéristiques électriques du moteur. Il est généralement rendu aussi petit que possible, car un grand écart affaiblit les performances. C’est la principale source du faible facteur de puissance auquel les moteurs fonctionnent. Le courant magnétisant augmente et le facteur de puissance diminue avec l’entrefer, donc les entrefers étroits sont meilleurs. A l’inverse, des jeux trop petits peuvent poser des problèmes mécaniques en plus du bruit et des pertes.

L’arbre du moteur s’étend à travers les paliers jusqu’à l’extérieur du moteur, là où la charge est appliquée. Comme les forces de la charge s’exercent au-delà du palier le plus à l’extérieur, la charge est dite en porte-à-faux. ^[63]

Stator

Le stator entoure le rotor et contient généralement des aimants de champ, qui sont soit des électroaimants constitués d’enroulements de fil autour d’un noyau de fer ferromagnétique, soit des aimants permanents . Ceux-ci créent un champ magnétique qui traverse l’armature du rotor, exerçant une force sur les enroulements. Le noyau du stator est constitué de nombreuses tôles minces isolées les unes des autres, appelées tôles. Les tôles sont utilisées pour réduire les pertes d’énergie qui résulteraient de l’utilisation d’un noyau solide. Les moteurs en résine, utilisés dans les machines à laver et les climatiseurs, utilisent les propriétés d’amortissement de la résine (plastique) pour réduire le bruit et les vibrations. Ces moteurs encapsulent le stator dans du plastique . ^[65]

Rotor à pôles saillants

Armature

L’ armature est constituée d’enroulements de fils sur un noyau ferromagnétique . Le courant électrique traversant le fil amène le champ magnétique de l’aimant de champ à exercer une force ( force de Lorentz ) sur celui-ci, faisant tourner le rotor, qui délivre la sortie mécanique. Les enroulements sont des fils posés en bobines , généralement enroulés autour d’un laminé, doux, fer, noyau ferromagnétique de manière à former des pôles magnétiques lorsqu’il est alimenté en courant.

Les machines électriques sont disponibles dans des configurations à pôles saillants et non saillants. Dans un moteur à pôles saillants, les noyaux ferromagnétiques du rotor et du stator ont des projections appelées pôles se faisant face, avec un fil s’enroulant autour de chaque pôle sous la face polaire, qui deviennent les pôles nord ou sud du champ magnétique lorsque le courant circule à travers le fil . Dans un moteur à pôles non saillants (ou à champ distribué ou à rotor rond), le noyau ferromagnétique est un cylindre lisse, les enroulements étant répartis uniformément dans des fentes autour de la circonférence. L’alimentation en courant alternatif dans les enroulements crée des pôles dans le noyau qui tournent en permanence. ^[66] Un moteur à pôles ombrés a un enroulement autour d’une partie du pôle qui retarde la phase du champ magnétique pour ce pôle.

Commutateur

Commutateur dans un moteur universel d’un aspirateur. Pièces : (A) collecteur, (B) balai

Un commutateur est un interrupteur électrique rotatif qui fournit du courant au rotor. Il inverse périodiquement le flux de courant dans les enroulements du rotor lorsque l’arbre tourne. Il se compose d’un cylindre composé de plusieurs segments métalliques de contact sur l’ armature . Deux ou plusieurs contacts électriques appelés ” balais ” constitués d’un matériau conducteur souple comme le carbone pressent contre le collecteur. Les balais établissent un contact glissant avec les segments successifs du collecteur lors de sa rotation, fournissant du courant au rotor. Les enroulements du rotor sont connectés aux segments du collecteur. Le commutateur inverse périodiquement le courantsens dans les enroulements du rotor à chaque demi-tour (180°), de sorte que le couple appliqué au rotor est toujours dans le même sens. ^[67] Sans cette inversion de courant, la direction du couple sur chaque enroulement du rotor s’inverserait à chaque demi-tour, de sorte que le rotor s’arrêterait. Les commutateurs sont inefficaces et les moteurs commutés ont été pour la plupart remplacés par des moteurs à courant continu sans balais , des moteurs à aimants permanents et des moteurs à induction .

Alimentation et contrôle moteur

Alimentation moteur

Un moteur à courant continu est généralement alimenté par un collecteur à anneau fendu comme décrit ci-dessus.

La commutation des moteurs à courant alternatif peut être réalisée à l’aide d’un collecteur à bague collectrice ou d’une commutation externe. Il peut être de type à vitesse fixe ou à vitesse variable, et peut être synchrone ou asynchrone. Les moteurs universels peuvent fonctionner en courant alternatif ou en courant continu.

Contrôle moteur

Les moteurs à courant continu peuvent fonctionner à des vitesses variables en ajustant la tension appliquée aux bornes ou en utilisant la modulation de largeur d’impulsion (PWM).

Les moteurs à courant alternatif fonctionnant à vitesse fixe sont généralement alimentés directement à partir du réseau ou via des démarreurs progressifs .

Les moteurs à courant alternatif fonctionnant à des vitesses variables sont alimentés par diverses technologies d’onduleurs , de variateurs de fréquence ou de commutateurs électroniques.

Le terme collecteur électronique est généralement associé aux applications de moteurs à courant continu sans balais auto-commutés et de moteurs à réluctance commutée .

Les types

Les moteurs électriques fonctionnent selon l’un des trois principes physiques suivants : le magnétisme , l’électrostatique et la piézoélectricité .

Dans les moteurs magnétiques, des champs magnétiques se forment à la fois dans le rotor et dans le stator. Le produit entre ces deux champs donne naissance à une force, donc un couple sur l’arbre moteur. L’un de ces champs, ou les deux, doit changer avec la rotation du rotor. Cela se fait en allumant et en éteignant les bâtons au bon moment ou en faisant varier la force du bâton.

Les principaux types sont les moteurs à courant continu et les moteurs à courant alternatif ^[68] , ces derniers remplaçant les premiers. ^{[ citation nécessaire ]}

Les moteurs électriques à courant alternatif sont soit asynchrones, soit synchrones. ^[69]

Une fois démarré, un moteur synchrone nécessite une synchronisation avec la vitesse du champ magnétique en mouvement pour toutes les conditions de couple normales.

Dans les machines synchrones, le champ magnétique doit être fourni par des moyens autres que l’induction, tels que des enroulements excités séparément ou des aimants permanents.

Un moteur à puissance fractionnaire a soit une puissance nominale inférieure à environ 1 cheval-vapeur (0,746 kW), soit est fabriqué avec une taille de châssis standard inférieure à celle d’un moteur standard de 1 HP. De nombreux moteurs domestiques et industriels appartiennent à la classe des puissances fractionnaires.

Type de commutation moteur ^{[70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]}

Auto-commuté	Commutation externe
Commutateur mécanique	Commutateur électronique [76] [b]	Asynchrone	Synchrone 2
CA [78] [c]	CC	CA 5 , 6	CA 6
Universel (série de collecteur AC [75] ou AC/DC [74] ) 1 Répulsion	électriquement excité: excité séparément Séries Shunter Composé PM	Rotor PM : BLDC Rotor ferromagnétique : MRS	Trois phases: SCIM 3 , 8 WRIM 4 , 7 , 8 Biphasé (condenseur) Monophasé: Enroulement auxiliaire (phase divisée : démarrage par résistance ou condensateur) Ombragé-poteau Stator asymétrique	WRSM , PMSM ou BLAC : [76] IPMSM MSPS SyRM Hystérèse Hybride: Hybride SyRM-PM Hystérésis-réluctance Pas à pas
Électronique simple	Redresseur, transistor(s) linéaire(s) ou hacheur DC	Plus élaboré électronique	Le plus élaboré électronique ( VFD ), le cas échéant

Remarques:

• La rotation est indépendante de la fréquence de la tension alternative.
• La rotation est égale à la vitesse synchrone (vitesse moteur-stator-champ).
• Dans SCIM, la rotation de fonctionnement à vitesse fixe est égale à la vitesse synchrone, moins la vitesse de glissement.
• Dans les systèmes de récupération d’énergie antidérapants , WRIM est généralement utilisé pour le démarrage du moteur, mais peut être utilisé pour faire varier la vitesse de charge.
• Fonctionnement à vitesse variable.
• Alors que les entraînements à moteur à induction et synchrone sont généralement dotés d’une sortie à six étapes ou à forme d’onde sinusoïdale, les entraînements à moteur BLDC sont généralement dotés d’une forme d’onde de courant trapézoïdale; le comportement des machines PM sinusoïdales et trapézoïdales est cependant identique en termes d’aspects fondamentaux. ^[80]
• En fonctionnement à vitesse variable, WRIM est utilisé dans les applications de récupération d’énergie de glissement et de machines à induction à double alimentation.
• Un enroulement à cage est un rotor à cage d’écureuil court-circuité, un enroulement bobiné est connecté à l’extérieur par des bagues collectrices.
• Principalement Monophasé avec quelques triphasés.

Abréviations :

• BLAC – AC sans balais
• BLDC – CC sans balais
• BLDM – Moteur CC sans balais
• EC – Commutateur électronique
• PM – Aimant permanent
• IPMSM – Moteur synchrone intérieur à aimants permanents
• PMSM – Moteur synchrone à aimants permanents
• SPMSM – Moteur synchrone à aimants permanents de surface
• SCIM – Moteur à induction à cage d’écureuil
• SRM – Moteur à réluctance commutée
• SyRM – Moteur à réluctance synchrone
• VFD – Entraînement à fréquence variable
• WRIM – Moteur à induction à rotor bobiné
• WRSM – Moteur synchrone à rotor bobiné
• LRA – Ampères à rotor bloqué : le courant auquel vous pouvez vous attendre dans des conditions de démarrage lorsque vous appliquez la pleine tension. Il se produit instantanément lors du démarrage.
• RLA – Intensité de charge nominale : le courant maximal qu’un moteur doit tirer dans toutes les conditions de fonctionnement. Souvent appelés à tort ampères de charge de fonctionnement, ce qui amène les gens à croire, à tort, que le moteur doit toujours tirer ces ampères.
• FLA – Ampères à pleine charge : Changé en 1976 en “RLA – Ampères à charge nominale”.

Moteur auto-commuté

Moteur à courant continu brossé

La plupart des moteurs à courant continu sont de type à petits aimants permanents (PM). Ils contiennent une commutation mécanique interne brossée pour inverser le courant des enroulements du moteur en synchronisme avec la rotation. ^[81]

Moteur à courant continu à excitation électrique Fonctionnement d’un moteur électrique à balais avec rotor bipolaire et stator PM. (“N” et “S” désignent les polarités sur les faces intérieures des aimants ; les faces extérieures ont des polarités opposées.)

Un moteur à courant continu commuté comporte un ensemble d’enroulements rotatifs enroulés sur une armature montée sur un arbre rotatif. L’arbre porte également le collecteur. Ainsi, chaque moteur à courant continu à balais a un courant alternatif qui traverse ses enroulements. Le courant circule à travers une ou plusieurs paires de balais qui touchent le collecteur ; les balais relient une source externe d’énergie électrique à l’armature tournante.

L’armature rotative se compose d’une ou plusieurs bobines de fil enroulées autour d’un noyau ferromagnétique laminé magnétiquement “doux” . Le courant des balais traverse le collecteur et un enroulement de l’induit, ce qui en fait un aimant temporaire (un électroaimant ). Le champ magnétique produit interagit avec un champ magnétique stationnaire produit par des PM ou un autre enroulement (une bobine de champ), dans le cadre du châssis du moteur. La force entre les deux champs magnétiques fait tourner l’arbre. Le commutateur alimente les bobines lorsque le rotor tourne, empêchant les pôles de s’aligner complètement avec les pôles magnétiques du champ du stator, de sorte que le rotor continue de tourner tant que l’alimentation est appliquée.

De nombreuses limitations du moteur à courant continu à collecteur classique sont dues au besoin de balais pour maintenir le contact avec le collecteur, créant ainsi une friction. Les balais créent des étincelles en traversant les espaces isolants entre les sections du collecteur. Selon la conception du collecteur, les balais peuvent créer des courts-circuits entre les sections adjacentes et donc les extrémités des bobines. De plus, l’ inductance des bobines du rotor fait augmenter la tension aux bornes de chacune lorsque son circuit s’ouvre, ce qui augmente les étincelles. Cette étincelle limite la vitesse maximale de la machine, car une étincelle trop rapide surchauffera, érodera ou même fera fondre le collecteur. La densité de courant par unité de surface des balais, associée à leur résistivité , limite la puissance du moteur. Le franchissement des écarts génère égalementbruit électrique ; les étincelles génèrent RFI . Les balais finissent par s’user et doivent être remplacés, et le collecteur lui-même est sujet à l’usure et à l’entretien ou au remplacement. L’assemblage du collecteur sur un gros moteur est un élément coûteux, nécessitant un assemblage de précision de nombreuses pièces. Sur les petits moteurs, le collecteur est généralement intégré de manière permanente dans le rotor, donc son remplacement nécessite généralement le remplacement du rotor.

Alors que la plupart des commutateurs sont cylindriques, certains sont des disques plats et segmentés montés sur un isolateur.

Les grandes brosses créent une grande surface de contact, ce qui maximise la puissance du moteur, tandis que les petites brosses ont une faible masse pour maximiser la vitesse à laquelle le moteur peut fonctionner sans étincelles excessives. (Les petites brosses sont souhaitables pour leur moindre coût.) Des ressorts de brosse plus rigides peuvent être utilisés pour faire fonctionner les brosses d’une masse donnée à une vitesse plus élevée, malgré des pertes de frottement plus importantes (efficacité moindre) et une usure accélérée des brosses et du collecteur. Par conséquent, la conception des balais de moteur à courant continu implique un compromis entre la puissance de sortie, la vitesse et l’efficacité/l’usure.

Les machines à courant continu sont définies comme suit : ^[82]

• Circuit d’induit – Un enroulement qui supporte la charge, qu’il soit fixe ou en rotation.
• Circuit de champ – Un ensemble d’enroulements qui produit un champ magnétique.
• Commutation : Une technique mécanique dans laquelle la rectification peut être réalisée, ou à partir de laquelle le courant continu peut être dérivé.

A : shunt B : série C : composé f = bobine de champ

Les cinq types de moteur à courant continu à balais sont :

• Enroulé par shunt
• Enroulé en série
• Composé (deux configurations) :
  • Composé cumulatif
  • Composé différentiellement
• Aimant permanent (non illustré)
• Excité séparément (non représenté).

Aimant permanent

Un moteur à Aimant permanent (PM) n’a pas d’Enroulement de champ sur le châssis du stator, s’appuyant plutôt sur les PM pour fournir le champ magnétique. Des enroulements de compensation en série avec l’induit peuvent être utilisés sur les gros moteurs pour améliorer la commutation sous charge. Ce champ est fixe et ne peut pas être ajusté pour le contrôle de la vitesse. Les champs PM (stators) sont pratiques dans les moteurs miniatures pour éliminer la consommation d’énergie de l’Enroulement de champ. La plupart des moteurs à courant continu plus gros sont du type “dynamo”, qui ont des enroulements de stator. Historiquement, on ne pouvait pas faire en sorte que les PM conservent un flux élevé s’ils étaient démontés ; les enroulements de champ étaient plus pratiques pour obtenir le flux nécessaire. Cependant, les grands PM sont coûteux, dangereux et difficiles à assembler ; cela favorise les champs de bobinage pour les grosses machines.

Pour minimiser le poids et la taille globaux, les moteurs PM miniatures peuvent utiliser des aimants à haute énergie fabriqués avec du néodyme ; la plupart sont en alliage néodyme-fer-bore. Avec leur densité de flux plus élevée, les machines électriques à PM à haute énergie sont au moins compétitives avec toutes les machines électriques synchrones et à induction à alimentation unique conçues de manière optimale. Les moteurs miniatures ressemblent à la structure de l’illustration, sauf qu’ils ont au moins trois pôles de rotor (pour assurer le démarrage, quelle que soit la position du rotor) et leur boîtier extérieur est un tube en acier qui relie magnétiquement les extérieurs des aimants à champ incurvé.

Commutateur électronique (EC)

CC sans balais

Certains des problèmes du moteur CC à balais sont éliminés dans la conception BLDC. Dans ce moteur, le “commutateur rotatif” mécanique ou commutateur est remplacé par un commutateur électronique externe synchronisé sur la position du rotor. Les moteurs BLDC sont généralement efficaces à plus de 85 %, atteignant jusqu’à 96,5 % ^[83] , tandis que les moteurs à courant continu à balais ont généralement une efficacité de 75 à 80 %.

La forme d’onde caractéristique de la force contre-électromotrice trapézoïdale (CEMF) du moteur BLDC est dérivée en partie de la répartition uniforme des enroulements du stator et en partie du placement des aimants permanents du rotor. Également connus sous le nom de moteurs à courant continu ou à courant continu à commutation électronique, les enroulements de stator des moteurs trapézoïdaux BLDC peuvent être monophasés, biphasés ou triphasés et utiliser des capteurs à effet Hall montés sur leurs enroulements pour la détection de la position du rotor et la fermeture à faible coût. -Commande de commutateur de boucle .

Les moteurs BLDC sont couramment utilisés lorsqu’un contrôle précis de la vitesse est nécessaire, comme dans les lecteurs de disque d’ordinateur ou les magnétoscopes. Les broches des lecteurs de CD, de CD-ROM (etc.) et les mécanismes des produits de bureau, tels que les ventilateurs, les imprimantes laser et les photocopieurs. Ils présentent plusieurs avantages par rapport aux moteurs conventionnels :

• Ils sont plus efficaces que les ventilateurs CA utilisant des moteurs à pôles ombrés, fonctionnant beaucoup plus froid que les équivalents CA. Cette opération froide améliore considérablement la durée de vie des roulements du ventilateur.
• Sans collecteur, la durée de vie d’un moteur BLDC peut être considérablement plus longue par rapport à un moteur CC à balais avec collecteur. La commutation a tendance à provoquer des bruits électriques et RF ; sans commutateur ni balais, un moteur BLDC peut être utilisé dans des appareils électriquement sensibles tels que des équipements audio ou des ordinateurs.
• Les mêmes capteurs à effet Hall qui assurent la commutation peuvent fournir un signal de tachymètre pratique pour les applications de contrôle en boucle fermée (asservi). Dans les ventilateurs, le signal du tachymètre peut être utilisé pour dériver un signal “ventilateur OK” ainsi que pour fournir un retour de vitesse de fonctionnement.
• Le moteur peut être synchronisé sur une horloge interne ou externe, permettant un contrôle précis de la vitesse.
• Les moteurs BLDC ne produisent pas d’étincelles, ce qui les rend mieux adaptés aux environnements contenant des produits chimiques et des carburants volatils. Les étincelles génèrent également de l’ozone, qui peut s’accumuler dans les bâtiments mal ventilés.
• Les moteurs BLDC sont généralement utilisés dans les petits équipements tels que les ordinateurs et sont généralement utilisés dans les ventilateurs pour évacuer la chaleur.
• Ils font peu de bruit, ce qui est un avantage dans les équipements affectés par les vibrations.

Les moteurs BLDC modernes ont une puissance allant d’une fraction de watt à plusieurs kilowatts. De plus gros moteurs BLDC d’une puissance allant jusqu’à environ 100 kW sont utilisés dans les véhicules électriques. Ils trouvent également une utilisation dans les modèles réduits d’avions électriques .

Moteur à réluctance commutée Moteur à réluctance commuté 6/4 pôles

Le moteur à réluctance commutée (SRM) n’a pas de balais ou d’aimants permanents, et le rotor n’a pas de courants électriques. Le couple provient d’un léger désalignement des pôles du rotor avec les pôles du stator. Le rotor s’aligne avec le champ magnétique du stator, tandis que les enroulements de champ du stator sont alimentés séquentiellement pour faire tourner le champ du stator.

Le flux magnétique créé par les enroulements de champ suit le chemin le moins magnétique envoyant le flux à travers les pôles du rotor qui sont les plus proches des pôles sous tension du stator, magnétisant ainsi ces pôles du rotor et créant un couple. Lorsque le rotor tourne, différents enroulements sont alimentés, ce qui maintient le rotor en rotation.

Les SRM sont utilisés dans certains appareils ^[84] et véhicules. ^[85]

Moteur AC/DC universel

Moteur universel moderne à faible coût, d’un aspirateur. Les enroulements de champ sont de couleur cuivre foncé, vers l’arrière, des deux côtés. Le noyau feuilleté du rotor est gris métallique, avec des fentes sombres pour enrouler les bobines. Le commutateur (en partie caché) est devenu sombre à cause de l’utilisation ; c’est vers l’avant. La grande pièce en plastique moulé marron au premier plan supporte les guides de brosse et les brosses (des deux côtés), ainsi que le roulement du moteur avant.

Un moteur commuté, excité électriquement, en série ou en parallèle est appelé moteur universel car il peut être conçu pour fonctionner sur une alimentation CA ou CC. Un moteur universel peut bien fonctionner en courant alternatif car le courant dans le champ et les bobines d’induit (et donc les champs magnétiques résultants) inversent la polarité de manière synchrone, et donc la force mécanique résultante se produit dans un sens de rotation constant.

Fonctionnant à des fréquences de ligne électriques normales , les moteurs universels sont souvent utilisés dans des applications inférieures au kilowatt. Les moteurs universels ont constitué la base du moteur de traction ferroviaire traditionnel dans les chemins de fer électriques . Dans cette application, l’utilisation du courant alternatif sur un moteur conçu pour fonctionner en courant continu entraînerait des pertes d’efficacité dues au chauffage par courants de Foucault de leurs composants magnétiques, en particulier les pièces polaires de champ du moteur qui, pour le courant continu, auraient utilisé du solide (non laminé) le fer. Ils sont désormais peu utilisés.

Un avantage est que l’alimentation CA peut être utilisée sur des moteurs qui ont spécifiquement un couple de démarrage élevé et une conception compacte si des vitesses de fonctionnement élevées sont utilisées. En revanche, la maintenance est plus élevée et les durées de vie sont raccourcies. Ces moteurs sont utilisés dans des appareils qui ne sont pas très utilisés et qui ont des exigences élevées en matière de couple de démarrage. Plusieurs prises sur la bobine de champ fournissent un contrôle de vitesse échelonné (imprécis). Les mélangeurs domestiques qui annoncent de nombreuses vitesses combinent généralement une bobine de champ avec plusieurs prises et une diode qui peut être insérée en série avec le moteur (ce qui fait que le moteur fonctionne sur du courant alternatif redressé à demi-onde). Les moteurs universels se prêtent également au contrôle électronique de la vitesseet, en tant que tels, sont un choix pour des appareils tels que les machines à laver domestiques. Le moteur peut agiter le tambour (à la fois vers l’avant et vers l’arrière) en commutant l’Enroulement de champ par rapport à l’induit.

Alors que les SCIM ne peuvent pas faire tourner un arbre plus rapidement que ne le permet la fréquence de la ligne électrique, les moteurs universels peuvent fonctionner à des vitesses beaucoup plus élevées. Cela les rend utiles pour les appareils tels que les mélangeurs, les aspirateurs et les sèche-cheveux où une vitesse élevée et un poids léger sont souhaitables. Ils sont également couramment utilisés dans les outils électriques portatifs, tels que les perceuses, les ponceuses, les scies circulaires et les scies sauteuses, où les caractéristiques du moteur fonctionnent bien. De nombreux moteurs d’aspirateurs et de désherbeurs dépassent 10 000 tr/min , tandis que les broyeurs miniatures peuvent dépasser 30 000 tr/min .

Machine AC à commutation externe

Les moteurs à induction et synchrones CA sont optimisés pour fonctionner sur une alimentation monophasée ou polyphasée sinusoïdale ou quasi-sinusoïdale, telle que celle fournie pour les applications à vitesse fixe par le réseau électrique CA ou pour les applications à vitesse variable à partir de contrôleurs d’entraînement à fréquence variable (VFD) .

Moteur à induction

Un moteur à induction est un moteur à courant alternatif asynchrone dans lequel la puissance est transférée au rotor par induction électromagnétique, un peu comme l’action d’un transformateur. Un moteur à induction ressemble à un transformateur rotatif, car le stator (partie fixe) est essentiellement le côté primaire du transformateur et le rotor (partie rotative) est le côté secondaire. Les moteurs à induction polyphasés sont largement utilisés dans l’industrie.

Grand moteur à induction à courant alternatif de 4 500 ch. Cage et rotor bobiné

Les moteurs à induction peuvent être divisés en moteurs à induction à cage d’écureuil (SCIM) et moteurs à induction à rotor bobiné (WRIM). Les SCIM ont un enroulement lourd constitué de barres pleines, généralement en aluminium ou en cuivre, reliées électriquement par des anneaux aux extrémités du rotor. Les barres et les anneaux dans leur ensemble ressemblent beaucoup à la cage d’exercice rotative d’un animal.

Les courants induits dans cet enroulement fournissent le champ magnétique du rotor. La forme des barres du rotor détermine les caractéristiques vitesse-couple. Aux basses vitesses, le courant induit dans la cage d’écureuil est proche de la fréquence de ligne et a tendance à rester dans les parties extérieures de la cage. Au fur et à mesure que le moteur accélère, la fréquence de glissement diminue et plus de courant atteint l’intérieur. En façonnant les barres pour modifier la résistance des parties d’enroulement dans les parties intérieure et extérieure de la cage, une résistance variable est effectivement insérée dans le circuit du rotor. Cependant, la plupart de ces moteurs utilisent des barres uniformes.

Dans un WRIM, l’enroulement du rotor est constitué de plusieurs spires de fil isolé et est relié à des bagues collectrices sur l’arbre du moteur. Une résistance externe ou un autre dispositif de contrôle peut être connecté au circuit du rotor. Les résistances permettent de contrôler la vitesse du moteur, bien que dissipant une puissance importante. Un convertisseur peut être alimenté à partir du circuit du rotor et renvoyer la puissance de fréquence de glissement qui serait autrement gaspillée dans le système d’alimentation via un onduleur ou un moteur-générateur séparé.

Les WRIM sont principalement utilisés pour démarrer une charge à forte inertie ou une charge qui nécessite un couple de démarrage élevé sur toute la plage de vitesse. En sélectionnant correctement les résistances utilisées dans la résistance secondaire ou le démarreur à bague collectrice, le moteur est capable de produire un couple maximal à un courant d’alimentation relativement faible de la vitesse nulle à la pleine vitesse.

La vitesse du moteur peut être modifiée car la courbe de couple du moteur est effectivement modifiée par la quantité de résistance connectée au circuit du rotor. L’augmentation de la résistance diminue la vitesse du couple maximal. Si la résistance est augmentée au-delà du point où le couple maximal se produit à vitesse nulle, le couple est encore réduit.

Lorsqu’il est utilisé avec une charge dont la courbe de couple augmente avec la vitesse, le moteur fonctionne à la vitesse à laquelle le couple développé par le moteur est égal au couple de charge. La réduction de la charge fait accélérer le moteur, tandis que l’augmentation de la charge fait ralentir le moteur jusqu’à ce que la charge et le couple moteur soient à nouveau égaux. Ainsi opérées, les pertes par glissement sont dissipées dans les résistances secondaires et peuvent être importantes. La régulation de la vitesse et l’efficacité nette sont médiocres.

Moteur couple

Un moteur couple peut fonctionner indéfiniment alors qu’il est calé, c’est-à-dire avec le rotor bloqué de tourner, sans subir de dommages. Dans ce mode de fonctionnement, le moteur applique un couple constant à la charge.

Une application courante est les moteurs de bobine débitrice et réceptrice dans un lecteur de bande. Dans cette application, entraînée par une basse tension, les caractéristiques de ces moteurs appliquent une légère tension constante à la bande, que le cabestan fasse ou non avancer la bande devant les têtes de bande. Entraînés à partir d’une tension plus élevée (délivrant un couple plus élevé), les moteurs couples peuvent réaliser une opération d’avance rapide et de rembobinage sans nécessiter de mécanismes supplémentaires tels que des engrenages ou des embrayages. Dans le monde du jeu vidéo, les moteurs couple sont utilisés dans les volants à retour de force.

Une autre application courante consiste à contrôler l’accélérateur d’un moteur à combustion interne avec un régulateur électronique. Le moteur fonctionne contre un ressort de rappel pour déplacer la manette des gaz en accord avec la sortie du régulateur. Ce dernier surveille la vitesse du moteur en comptant les impulsions électriques du système d’allumage ou d’un capteur magnétique et, en fonction de la vitesse, apporte de petits ajustements à la quantité de courant. Si le moteur ralentit par rapport à la vitesse souhaitée, le courant augmente, produisant plus de couple, tirant contre le ressort de rappel et ouvrant l’accélérateur. Si le moteur tourne trop vite, le régulateur réduit le courant, permettant au ressort de rappel de se retirer et de réduire l’accélérateur.

Moteur synchrone

Un moteur électrique synchrone est un moteur à courant alternatif. Il comprend un rotor tournant avec des bobines passant des aimants à la même fréquence que le courant alternatif et produit un champ magnétique pour l’entraîner. Il n’a aucun glissement dans des conditions de fonctionnement typiques. En revanche, les moteurs à induction doivent patiner pour produire un couple. Un type de moteur synchrone ressemble à un moteur à induction, sauf que le rotor est excité par un champ continu. Les bagues collectrices et les balais conduisent le courant vers le rotor. Les pôles du rotor se connectent les uns aux autres et se déplacent à la même vitesse. Un autre type, pour un faible couple de charge, a des méplats rectifiés sur un rotor à cage d’écureuil conventionnel pour créer des pôles discrets. Encore un autre, comme fabriqué par Hammond pour ses horloges d’avant la Seconde Guerre mondiale, et dans les orgues Hammond plus anciens, n’a pas d’enroulements de rotor et de pôles discrets. Il n’est pas auto-démarrant. L’horloge nécessite un démarrage manuel par un petit bouton à l’arrière, tandis que les anciens orgues Hammond avaient un moteur de démarrage auxiliaire relié par un interrupteur à ressort à commande manuelle.

Les moteurs synchrones à hystérésis sont généralement (essentiellement) des moteurs biphasés avec un condensateur de déphasage pour une phase. Ils démarrent comme des moteurs à induction, mais lorsque le taux de glissement diminue suffisamment, le rotor (un cylindre lisse) devient temporairement magnétisé. Ses pôles répartis le font agir comme un moteur synchrone à aimants permanents. Le matériau du rotor, comme celui d’un clou ordinaire, reste magnétisé, mais peut être démagnétisé sans difficulté. Une fois en marche, les pôles du rotor restent en place ; ils ne dérivent pas.

Les moteurs de synchronisation synchrones de faible puissance (tels que ceux des horloges électriques traditionnelles) peuvent avoir des rotors à coupelles externes à aimants permanents multipolaires et utiliser des bobines d’ombrage pour fournir un couple de démarrage. Les moteurs d’horloge Telechron ont des pôles ombragés pour le couple de démarrage et un rotor annulaire à deux branches qui fonctionne comme un rotor bipolaire discret.

Machine électrique à double alimentation

Les moteurs électriques à double alimentation ont deux ensembles d’enroulements multiphasés indépendants, qui contribuent à la puissance active (c’est-à-dire de travail) au processus de conversion d’énergie, avec au moins un des ensembles d’enroulements contrôlé électroniquement pour un fonctionnement à vitesse variable. Deux ensembles d’enroulements multiphasés indépendants (c’est-à-dire, double armature) sont le maximum fourni dans un seul boîtier sans duplication de topologie. Les moteurs électriques à double alimentation ont une plage de vitesse effective à couple constant qui est deux fois la vitesse synchrone pour une fréquence d’excitation donnée. C’est le double de la plage de vitesse à couple constant des machines électriques à alimentation unique, qui n’ont qu’un seul jeu d’enroulements actifs.

Un moteur à double alimentation permet un convertisseur électronique plus petit, mais le coût de l’enroulement du rotor et des bagues collectrices peut compenser l’économie des composants électroniques de puissance. Les difficultés affectent le contrôle de la vitesse à proximité des applications de limitation de vitesse synchrones. ^[86]

Moteurs magnétiques spéciaux

Rotatif

Moteur à rotor sans fer ou sans noyau Un moteur miniature sans noyau

Le moteur à courant continu sans noyau ou sans fer est un moteur à courant continu à Aimant permanent spécialisé. ^[81] Optimisé pour une accélération rapide , le rotor est construit sans noyau de fer. Le rotor peut prendre la forme d’un cylindre rempli d’enroulement, ou d’une structure autoportante ne comprenant que du fil et du matériau de liaison. Le rotor peut s’adapter à l’intérieur des aimants du stator ; un cylindre stationnaire magnétiquement doux à l’intérieur du rotor fournit un chemin de retour pour le flux magnétique du stator. Un deuxième agencement a le panier d’enroulement du rotor entourant les aimants du stator. Dans cette conception, le rotor s’adapte à l’intérieur d’un cylindre magnétiquement doux qui peut servir de carter de moteur et fournit un chemin de retour pour le flux.

Parce que le rotor a une masse beaucoup plus faible qu’un rotor conventionnel, il peut accélérer beaucoup plus rapidement, atteignant souvent une constante de temps mécanique inférieure à une milliseconde. Cela est particulièrement vrai si les enroulements utilisent de l’aluminium plutôt que du cuivre (plus lourd). Le rotor n’a pas de masse métallique pour agir comme dissipateur thermique; même les petits moteurs doivent être refroidis. La surchauffe peut être un problème pour ces conceptions.

L’ alerte vibrante des téléphones cellulaires peut être générée par des moteurs cylindriques à aimants permanents ou des types en forme de disque dotés d’un aimant de champ de disque multipolaire mince et d’une structure de rotor en plastique moulé intentionnellement déséquilibrée avec deux bobines sans noyau liées. Des balais métalliques et un commutateur plat alimentent les bobines du rotor.

Les actionneurs à course limitée associés n’ont pas de noyau et une bobine liée placée entre les pôles d’aimants permanents minces à flux élevé. Ce sont les positionneurs de tête rapides pour les lecteurs de disque rigide (“disque dur”). Bien que la conception contemporaine diffère considérablement de celle des haut-parleurs, elle est encore vaguement (et à tort) appelée structure de “bobine mobile”, car certaines têtes à disque rigide antérieures se déplaçaient en lignes droites et avaient une structure d’entraînement un peu comme celle d’un haut-parleur.

Moteur crêpe ou rotor axial

L’induit imprimé ou le moteur à crêpes a des enroulements en forme de disque fonctionnant entre des réseaux d’aimants à flux élevé. Les aimants sont disposés en cercle face au rotor espacés pour former un entrefer axial. ^[87] Cette conception est communément connue sous le nom de moteur à crêpes en raison de son profil plat.

L’armature (formée à l’origine sur une carte de circuit imprimé) est fabriquée à partir de feuilles de cuivre perforées qui sont laminées ensemble à l’aide de composites avancés pour former un disque mince et rigide. L’induit n’a pas de collecteur annulaire séparé. Les brosses se déplacent directement sur la surface de l’armature, ce qui rend l’ensemble de la conception compacte.

Une conception alternative consiste à utiliser du fil de cuivre enroulé posé à plat avec un collecteur conventionnel central, en forme de fleur et de pétale. Les enroulements sont généralement stabilisés avec des systèmes électriques d’enrobage époxy. Ce sont des époxy chargés qui ont une viscosité modérée et mixte et un long temps de gel. Ils sont mis en évidence par un faible retrait et une faible exothermie, et sont généralement reconnus par la norme UL 1446 comme un composé d’enrobage isolé à 180 °C (356 °F), classe H.

L’avantage unique des moteurs à courant continu sans fer est l’absence de cogging (variations de couple causées par le changement d’attraction entre le fer et les aimants). Les courants de Foucault parasites ne peuvent pas se former dans le rotor car il est totalement sans fer, bien que les rotors en fer soient laminés. Cela peut grandement améliorer l’efficacité, mais les contrôleurs à vitesse variable doivent utiliser un taux de commutation plus élevé (> 40 kHz) ou CC en raison de la diminution de l’induction électromagnétique .

Ces moteurs ont été inventés pour entraîner le ou les cabestans des lecteurs de bande magnétique, où un temps minimal pour atteindre la vitesse de fonctionnement et une distance d’arrêt minimale étaient critiques. Les moteurs Pancake sont largement utilisés dans les systèmes servocommandés hautes performances, les systèmes robotiques, l’automatisation industrielle et les dispositifs médicaux. En raison de la variété des constructions désormais disponibles, la technologie est utilisée dans des applications allant des applications militaires à haute température aux pompes à faible coût et aux servos de base.

Une autre approche (Magnax) consiste à utiliser un seul stator pris en sandwich entre deux rotors. L’une de ces conceptions a produit une puissance de pointe de 15 kW/kg, une puissance soutenue d’environ 7,5 kW/kg. Ce moteur à flux axial sans culasse offre un chemin de flux plus court, gardant les aimants plus éloignés de l’axe. La conception permet un surplomb d’enroulement nul ; 100 % des enroulements sont actifs. Ceci est renforcé par l’utilisation de fil de cuivre à section rectangulaire. Les moteurs peuvent être empilés pour fonctionner en parallèle. Les instabilités sont minimisées en s’assurant que les deux disques de rotor exercent des forces égales et opposées sur le disque de stator. Les rotors sont reliés directement les uns aux autres via une bague d’arbre, annulant les forces magnétiques. ^[88]

Les moteurs Magnax varient en taille de 0,15 à 5,4 mètres (5,9 pouces – 17 pieds 8,6 pouces) de diamètre. ^[88]

Servomoteur

Un servomoteurest un moteur utilisé dans un système de rétroaction de contrôle de position ou de contrôle de vitesse. Les servomoteurs sont utilisés dans des applications telles que les machines-outils, les traceurs à plume et d’autres systèmes de processus. Les moteurs destinés à être utilisés dans un servomécanisme doivent avoir des caractéristiques prévisibles de vitesse, de couple et de puissance. La courbe vitesse/couple est importante et est un rapport élevé pour un servomoteur. Les caractéristiques de réponse dynamique telles que l’inductance de l’enroulement et l’inertie du rotor sont importantes ; ces facteurs limitent les performances. De grandes boucles d’asservissement puissantes mais à réponse lente peuvent utiliser des moteurs à courant alternatif ou à courant continu conventionnels et des systèmes d’entraînement avec retour de position ou de vitesse. À mesure que les exigences de réponse dynamique augmentent, des conceptions de moteur plus spécialisées telles que des moteurs sans noyau sont utilisées. Les caractéristiques supérieures de densité de puissance et d’accélération des moteurs à courant alternatif ont tendance à favoriser la synchronisation à Aimant permanent,^[87]

Un système d’asservissement diffère de certaines applications de moteur pas à pas en ce que le retour de position est continu pendant que le moteur tourne. Un système pas à pas fonctionne intrinsèquement en boucle ouverte – en s’appuyant sur le moteur pour ne pas “manquer de pas” pour une précision à court terme – avec toute rétroaction telle qu’un commutateur “home” ou un encodeur de position externe au système moteur. ^[89]

Moteur pas à pas Un moteur pas à pas avec un rotor en fer doux, avec des enroulements actifs illustrés. En ‘A’, les enroulements actifs ont tendance à maintenir le rotor en position. Dans ‘B’, un ensemble différent d’enroulements transporte un courant, qui génère un couple et une rotation.

Les moteurs pas à pas sont généralement utilisés pour fournir des rotations précises. Un rotor interne contenant des aimants permanents ou un rotor magnétiquement doux avec des pôles saillants est commandé par un ensemble d’aimants externes commutés électroniquement. Un moteur pas à pas peut également être considéré comme un croisement entre un moteur électrique à courant continu et un solénoïde rotatif. Lorsque chaque bobine est alimentée à son tour, le rotor s’aligne sur le champ magnétique produit par l’Enroulement de champ alimenté. Contrairement à un moteur synchrone, le moteur pas à pas peut ne pas tourner en continu ; au lieu de cela, il se déplace par étapes – en commençant puis en s’arrêtant – avançant d’une position à la suivante lorsque les enroulements de champ sont alimentés et désactivés en séquence. Selon la séquence, le rotor peut tourner vers l’avant ou vers l’arrière, et il peut changer de direction, s’arrêter, accélérer ou ralentir à tout moment.

De simples pilotes de moteur pas à pas alimentent entièrement ou désexcitent entièrement les enroulements de champ, amenant le rotor à “cog” à un nombre limité de positions. Les pilotes de micropas peuvent contrôler proportionnellement la puissance des enroulements de champ, permettant aux rotors de se positionner entre les points de dent et de tourner en douceur. Les moteurs pas à pas commandés par ordinateur sont l’un des systèmes de positionnement les plus polyvalents, en particulier dans le cadre d’un système numérique asservi .

Les moteurs pas à pas peuvent être facilement tournés selon un angle spécifique par étapes discrètes. Par conséquent, les moteurs pas à pas sont utilisés pour le positionnement de la tête de lecture/écriture dans les premiers lecteurs de disque , où la précision et la vitesse qu’ils offraient pouvaient positionner correctement la tête de lecture/écriture. Au fur et à mesure que la densité des disques augmentait, les limitations de précision et de vitesse les rendaient obsolètes pour les disques durs – la limitation de précision les rendait inutilisables et la limitation de vitesse les rendait non compétitifs – ainsi les nouveaux disques durs utilisent des systèmes d’actionneur de tête à bobine mobile. (Le terme “bobine mobile” à cet égard est historique ; il fait référence à la structure d’un haut- parleur de type conique .)

Les moteurs pas à pas sont souvent utilisés dans les imprimantes informatiques, les scanners optiques et les photocopieurs numériques pour déplacer l’élément actif, le chariot de la tête d’impression ( imprimantes à jet d’encre ) et la platine ou les rouleaux d’alimentation.

Les montres-bracelets analogiques dites à quartz contiennent les plus petits moteurs pas à pas courants; ils ont une bobine, consomment peu d’énergie et ont un rotor à Aimant permanent. Le même type de moteur entraîne des horloges à quartz alimentées par batterie. Certaines de ces montres, comme les chronographes , contiennent plus d’un moteur pas à pas.

De conception étroitement liée aux moteurs synchrones triphasés à courant alternatif, les moteurs pas à pas et les SRM sont classés comme des moteurs à réluctance variable. ^[90]

Moteur linéaire

Un moteur linéaire est essentiellement un moteur électrique qui a été “déroulé” de sorte qu’au lieu de produire un couple (rotation), il produit une force linéaire sur sa longueur.

Les moteurs linéaires sont le plus souvent des moteurs à induction ou des moteurs pas à pas. Les moteurs linéaires se trouvent couramment dans les montagnes russes où le mouvement rapide du wagon sans moteur est contrôlé par le rail. Ils sont également utilisés dans les trains maglev , où le train “vole” au-dessus du sol. À plus petite échelle, le traceur à stylet HP 7225A de 1978 utilisait deux moteurs pas à pas linéaires pour déplacer le stylet le long des axes X et Y. ^[91]

Comparaison par grandes catégories

Comparaison des types de moteurs

Taper	Avantages	Désavantages	Application typique	Entraînement typique, sortie
Moteurs auto-commutés
CC brossé	Contrôle simple de la vitesse Faible coût initial	Entretien (pinceaux) Durée de vie moyenne Collecteur et balais coûteux	Aciéries Machines à papier Tapis roulants Accessoires automobiles	Redresseur, transistor(s) linéaire(s) ou contrôleur de hacheur CC. [92]
Moteur BrushlessDC (BLDC) ou (BLDM)	Longue durée de vie Peu d’entretien Haute efficacité	Coût initial plus élevé Nécessite un contrôleur EC avec contrôle en boucle fermée	Disques durs (“durs”) Lecteurs CD/DVD Véhicules électriques Véhicules RC UAV	Synchrone; Monophasé ou triphasé avec rotor PM et enroulement stator trapézoïdal ; VFD généralement de type onduleur VS PWM . [87] [93] [94]
Moteur à réluctance commuté (SRM)	Longue durée de vie Peu d’entretien Haute efficacité Pas d’aimants permanents Faible coût Construction simple	Résonance mécanique possible Pertes fer élevées Impossible : * Commande ouverte ou vectorielle * Fonctionnement en parallèle Nécessite un régulateur EC [90]	appareils électroménagers Véhicules électriques Usines textiles Applications aéronautiques	PWM et divers autres types de lecteurs, qui ont tendance à être utilisés dans des applications spécialisées / OEM . [95] [96]
Moteur universel	Couple de démarrage élevé, compact, grande vitesse.	Entretien (pinceaux) Durée de vie plus courte Habituellement acoustiquement bruyant Seuls les petits calibres sont économiques	Outils électriques portatifs, mélangeurs, aspirateurs, ventilateurs d’isolation	Contrôle d’angle de phase CA Monophasé variable, demi-onde ou pleine onde avec triac(s); contrôle en boucle fermée en option. [92]
Moteurs asynchrones à courant alternatif
AC polyphasé moteur à induction à cage d’écureuil ou à rotor bobiné (SCIM) ou (WRIM)	Auto-démarrage Évaluations fiables et robustes à faible coût pour les types standardisés de 1+ MW.	Courant de démarrage élevé Efficacité inférieure en raison du besoin de magnétisation.	À vitesse fixe, traditionnellement, le SCIM est le cheval de bataille mondial, en particulier dans les applications à faible performance de tous types Pompes, ventilateurs, soufflantes et compresseurs à couple variable et à vitesse variable traditionnellement peu performants. À vitesse variable, de plus en plus, d’autres charges hautes performances à couple constant et à puissance constante ou dynamiques.	Applications à vitesse fixe et à faible performance de tous types. Entraînements WRIM à vitesse variable ou VSD à vitesse fixe contrôlés par V/Hz. VSD à vitesse variable, de plus en plus à commande vectorielle , déplaçant les entraînements de moteurs à induction CC, WRIM et CA monophasés.
AC SCIM démarrage par condensateur à phase divisée	Haute puissance couple de démarrage élevé	Vitesse légèrement inférieure au synchronisme Commutateur de démarrage ou relais requis	appareils électroménagers Outils électriques fixes	AC Monophasé fixe ou variable, la vitesse variable étant généralement dérivée d’une commande d’angle de phase pleine onde avec triac(s); contrôle en boucle fermée en option. [92]
AC SCIM condensateur à phase divisée	Puissance modérée Couple de démarrage élevé Pas d’interrupteur de démarrage Durée de vie relativement longue	Vitesse légèrement inférieure au synchronisme Légèrement plus cher	Souffleurs industriels Machinerie industrielle
AC SCIM phase auxiliaire, enroulement de démarrage auxiliaire	Puissance modérée Couple de démarrage faible	Vitesse légèrement inférieure au synchronisme Commutateur de démarrage ou relais requis	appareils électroménagers Outils électriques fixes
Pôle ombragé à induction CA moteur	Faible coût Longue vie	Vitesse légèrement inférieure au synchronisme Couple de démarrage faible Petites cotes faible rendement	Ventilateurs, appareils électroménagers, tourne-disques
Moteurs synchrones à courant alternatif
Moteur synchrone à rotor bobiné (WRSM)	Vitesse synchrone Moteur à induction intrinsèquement plus efficace, faible facteur de puissance	Plus coûteux	Moteurs industriels	Vitesse fixe ou variable, triphasé ; VFD généralement de type onduleur à commutation de charge CS à six étapes ou de type onduleur VS PWM. [92] [94]
Moteur à hystérésis	Contrôle précis de la vitesse Faible bruit Aucune vibration Couple de démarrage élevé	Efficacité très faible	Horloges, minuteries, matériel de production ou d’enregistrement sonore, disque dur, cabestan	Moteur à courant alternatif Monophasé, biphasé à démarrage par condensateur [97] [98]
Moteur à réluctance synchrone (SyRM)	Équivalent à SCIM sauf plus robuste, plus efficace, fonctionne plus frais, encombrement réduit Concurrence avec le moteur synchrone PM sans problèmes de démagnétisation	Nécessite un contrôleur Pas largement disponible Coût élevé	appareils électroménagers Véhicules électriques Usines textiles Applications aéronautiques	Le VFD peut être de type DTC standard ou de type PWM à onduleur VS. [99]
Moteurs spécialisés
Moteurs à crêpes ou axiaux [87]	Design compact Contrôle simple de la vitesse	Coût moyen Durée de vie moyenne	Équipement de bureau Ventilateurs/Pompes, servos industriels et militaires rapides	Les variateurs peuvent généralement être de type CC avec balais ou sans balais. [87]
Moteur pas à pas	Positionnement de précision Couple de maintien élevé	Certains peuvent être coûteux Nécessite un contrôleur	Positionnement dans les imprimantes et les lecteurs de disquettes ; machines-outils industrielles	Pas un VFD. La position du stepper est déterminée par le comptage des impulsions. [100] [101]

Électromagnétisme

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Force et couple

L’objectif fondamental des moteurs électriques mondiaux est d’induire électromagnétiquement un mouvement relatif dans un entrefer entre un stator et un rotor pour produire une force.

Selon la loi de force de Lorentz, la force d’un conducteur d’enroulement peut être donnée simplement par :

F = I l × B {displaystyle mathbf {F} =I{boldsymbol {ell }}times mathbf {B} ,!}

ou plus généralement, pour manipuler des conducteurs de toute géométrie :

F = J × B {displaystyle mathbf {F} =mathbf {J} times mathbf {B} }

Les approches les plus générales pour calculer les forces dans les moteurs utilisent des tenseurs. ^[102]

Pouvoir

Où tr/min est la vitesse de l’arbre et T est le couple, la puissance de sortie mécanique d’un moteur P _em est donnée par, ^[103]

en unités impériales avec T exprimé en pieds-livres,

P e m = r p m × T 5252 {displaystyle P_{em}={frac {rpmtimes T}{5252}}} (chevaux-vapeur), et,

en unités SI avec vitesse angulaire de l’ arbre exprimée en radians par seconde, et T exprimé en newton-mètres,

P e m = a n g u l a r s p e e d × T {displaystyle P_{em}={vitesse angulairefois T}} (Watt).

Pour un moteur linéaire, avec une force F exprimée en newtons et une vitesse v exprimée en mètres par seconde,

P e m = F × v {displaystyle P_{em}=Ffois {v}} (Watt).

Dans un moteur asynchrone ou à induction, la relation entre la vitesse du moteur et la puissance de l’entrefer est, en négligeant l’ effet de peau , donnée par :

P a i r g a p = R r s ∗ I r 2 {displaystyle P_{airgap}={frac {R_{r}}{s}}*I_{r}^{2}} , où R _r – résistance du rotor I _r ² – carré du courant induit dans le rotor s – glissement du moteur ; c’est-à-dire la différence entre la vitesse synchrone et la vitesse de glissement, qui fournit le mouvement relatif nécessaire à l’induction de courant dans le rotor.

CEM arrière

Le mouvement des enroulements d’induit d’un moteur à courant continu ou universel à travers un champ magnétique induit une tension en eux. Cette tension a tendance à s’opposer à la tension d’alimentation du moteur et est donc appelée « force contre-électromotrice (emf) ». La tension est proportionnelle à la vitesse de fonctionnement du moteur. La force contre-électromotrice du moteur, plus la chute de tension à travers la résistance interne de l’enroulement et les balais, doit être égale à la tension aux balais. Cela fournit le mécanisme fondamental de régulation de la vitesse dans un moteur à courant continu. Si la charge mécanique augmente, le moteur ralentit ; il en résulte une force électromotrice inférieure et davantage de courant est tiré de l’alimentation. Ce courant accru fournit le couple supplémentaire pour équilibrer la charge. ^[104]

Dans les machines à courant alternatif, il est parfois utile de considérer une source de force contre-électromotrice dans la machine ; ceci est particulièrement préoccupant pour la régulation de vitesse proche des moteurs à induction sur VFD. ^[104]

Pertes

Les pertes du moteur sont principalement dues à des pertes résistives dans les enroulements, des pertes dans le noyau et des pertes mécaniques dans les paliers, et des pertes aérodynamiques, en particulier en présence de ventilateurs de refroidissement, se produisent également.

Des pertes se produisent également lors de la commutation, des étincelles de commutateurs mécaniques; commutateurs électroniques et dissipent également la chaleur.

Efficacité

Pour calculer le rendement d’un moteur, la puissance de sortie mécanique est divisée par la puissance d’entrée électrique :

η = P m P e {displaystyle eta ={frac {P_{m}}{P_{e}}}} ,

où η {displaystyle eta } est le rendement de conversion d’énergie , P e {displaystyle P_{e}} est la puissance d’entrée électrique, et P m {displaystyle P_{m}} est la puissance de sortie mécanique :

P e = I V {displaystyle P_{e}=IV} P m = T ω {displaystyle P_{m}=Tomega }

où V {style d’affichage V} est la tension d’entrée, I {displaystyle I} est le courant d’entrée, T {displaystyle T} est le couple de sortie, et ω {displaystyle oméga} est la vitesse angulaire de sortie. Il est possible de dériver analytiquement le point d’efficacité maximale. Il est généralement inférieur à la moitié du couple de décrochage . ^{[ citation nécessaire ]}

Diverses autorités réglementaires nationales ont promulgué des lois pour encourager la fabrication et l’utilisation de moteurs à haut rendement. Les moteurs électriques ont des rendements allant d’au moins 15 % pour les moteurs à pôles ombragés, jusqu’à 98 % pour les moteurs à aimants permanents, ^{[105] [106]} , le rendement dépendant également de la charge. L’efficacité maximale est généralement de 75 % de la charge nominale. Ainsi (à titre d’exemple), un moteur de 10 CV est le plus efficace lorsqu’il entraîne une charge nécessitant 7,5 CV. ^[107] L’efficacité dépend également de la taille du moteur ; les gros moteurs ont tendance à être plus efficaces. ^[108] Certains moteurs ne peuvent pas fonctionner en continu pendant plus d’une période de temps spécifiée (par exemple pendant plus d’une heure par course) ^[109]

Facteur de bonté

Eric Laithwaite ^[110] a proposé une métrique pour déterminer la « qualité » d’un moteur électrique : ^[111] G = ω r e s i s t a n c e × r e l u c t a n c e = ω μ σ A m A e l m l e {displaystyle G={frac {omega }{résistancefois réticence}}={frac {omega mu sigma A_{m}A_{e}}{l_{m}l_{e}}} }

Où:

G {displaystyle G} est le facteur de qualité (les facteurs supérieurs à 1 sont susceptibles d’être efficaces) A m , A e {displaystyle A_{m},A_{e}} sont les sections transversales du circuit magnétique et électrique l m , l e {displaystyle l_{m},l_{e}} sont les longueurs des circuits magnétique et électrique μ {displaystylemu} est la perméabilité du noyau ω {displaystyle oméga} est la fréquence angulaire à laquelle le moteur est entraîné

À partir de là, il a montré que les moteurs les plus efficaces sont susceptibles d’avoir des pôles magnétiques relativement grands. Cependant, l’équation ne concerne directement que les moteurs non PM.

Paramètres de performance

Couple

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Les moteurs électromagnétiques dérivent le couple du produit vectoriel des champs en interaction. Le calcul du couple nécessite la connaissance des champs dans l’entrefer. Une fois ceux-ci établis, le couple est l’intégrale de tous les vecteurs de force multipliée par le rayon du vecteur. Le courant circulant dans l’enroulement produit les champs. Pour un moteur utilisant un matériau magnétique le champ n’est pas proportionnel au courant.

Un chiffre reliant le courant au couple peut éclairer la sélection du moteur. Le couple maximal pour un moteur dépend du courant maximal, en l’absence de considérations thermiques.

Lorsqu’ils sont conçus de manière optimale dans une contrainte de saturation du noyau donnée et pour un courant actif donné (c’est-à-dire le courant de couple), une tension, un nombre de paires de pôles, une fréquence d’excitation (c’est-à-dire une vitesse synchrone) et une densité de flux d’entrefer, toutes les catégories de moteurs électriques / Les générateurs présentent pratiquement le même couple d’arbre continu maximal (c’est-à-dire le couple de fonctionnement) dans une zone d’entrefer donnée avec des fentes d’enroulement et une profondeur de contre-fer, ce qui détermine la taille physique du noyau électromagnétique. Certaines applications nécessitent des rafales de couple au-delà du maximum, telles que des rafales pour accélérer un véhicule électrique à partir de l’arrêt. Toujours limité par la saturation du noyau magnétique ou la température de fonctionnement sûrede montée et de tension, la capacité de sursauts de couple au-delà du maximum diffère considérablement d’un type de moteur/générateur à l’autre.

Il ne faut pas confondre la capacité de rafales de couple avec la capacité d’affaiblissement de champ. L’affaiblissement du champ permet à une machine électrique de fonctionner au-delà de la fréquence d’excitation conçue. L’affaiblissement du champ se produit lorsque la vitesse maximale ne peut pas être atteinte en augmentant la tension appliquée. Cela s’applique aux moteurs avec des champs contrôlés en courant et ne peut donc pas être atteint avec des moteurs à aimants permanents.

Les machines électriques sans topologie de circuit de transformateur, comme celle des WRSM ou des PMSM, ne peuvent pas fournir de rafales de couple sans saturer le noyau magnétique. À ce stade, le courant supplémentaire ne peut pas augmenter le couple. De plus, l’ensemble d’aimants permanents des PMSM peut être irrémédiablement endommagé.

Les machines électriques avec une topologie de circuit de transformateur, telles que les machines à induction, les machines électriques à double alimentation par induction et les machines à double alimentation par induction ou à rotor bobiné synchrone (WRDF), permettent des rafales de couple parce que le courant actif induit par la fem de chaque côté du transformateur s’opposent et ne contribuent donc en rien à la densité de flux du noyau magnétique couplé au transformateur, évitant ainsi la saturation du noyau.

Les machines électriques qui reposent sur des principes d’induction ou asynchrones court-circuitent un port du circuit du transformateur et, par conséquent, l’impédance réactive du circuit du transformateur devient dominante à mesure que le glissement augmente, ce qui limite l’amplitude du courant actif (c’est-à-dire réel). Des rafales de couple deux à trois fois supérieures au couple maximal de conception sont réalisables.

La machine à double alimentation synchrone à rotor bobiné sans balai (BWRSDF) est la seule machine électrique avec une topologie de circuit de transformateur à double port (c’est-à-dire, les deux ports excités indépendamment sans port court-circuité). ^[112]La topologie du circuit de transformateur à double port est connue pour être instable et nécessite un ensemble multiphase à bague collectrice et balai pour propager une puissance limitée à l’ensemble d’enroulement du rotor. Si un moyen de précision était disponible pour contrôler instantanément l’angle de couple et le glissement pour un fonctionnement synchrone pendant le fonctionnement tout en fournissant simultanément une alimentation sans balais à l’ensemble d’enroulements du rotor, le courant actif de la machine BWRSDF serait indépendant de l’impédance réactive du circuit du transformateur et des rafales de un couple nettement supérieur au couple de fonctionnement maximal et bien au-delà de la capacité pratique de tout autre type de machine électrique serait réalisable. Des coups de couple supérieurs à huit fois le couple de fonctionnement ont été calculés.

Densité de couple continue

La densité de couple continue des machines électriques conventionnelles est déterminée par la taille de la zone d’entrefer et la profondeur du contre-fer, qui sont déterminées par la puissance nominale du jeu d’enroulements d’induit, la vitesse de la machine et l’air réalisable. densité de flux de gap avant saturation du cœur. Malgré la coercivité élevée des aimants permanents au néodyme ou au samarium -cobalt, la densité de couple continue est pratiquement la même parmi les machines électriques avec des ensembles d’enroulements d’induit conçus de manière optimale. La densité de couple continue se rapporte à la méthode de refroidissement et à la période de fonctionnement autorisée avant la destruction par surchauffe des enroulements ou endommagement de l’Aimant permanent.

D’autres sources indiquent que diverses topologies de machines électroniques ont une densité de couple différente. Une source montre ce qui suit : ^[113]

Type de machine électrique	Densité de couple spécifique (Nm/kg)
SPM – courant alternatif sans balais, conduction de courant à 180 °	1.0
SPM – courant alternatif sans balais, conduction de courant à 120 °	0,9–1,15
IM, machine asynchrone	0,7–1,0
IPM, machine intérieure à aimants permanents	0,6–0,8
VRM, machine à réluctance doublement saillante	0,7–1,0

où—la densité de couple spécifique est normalisée à 1,0 pour l’Aimant permanent de surface (SPM)—courant alternatif sans balais, conduction de courant à 180°.

La densité de couple est environ quatre fois supérieure pour les moteurs refroidis par liquide, par rapport à ceux qui sont refroidis par air.

Une source comparant les moteurs à courant continu, à induction (IM), PMSM et SRM a montré : ^[114]

Caractéristique	cc	JE SUIS	PMSM	MRS
Densité de couple	3	3.5	5	4
La densité de puissance	3	4	5	3.5

Une autre source note que les PMSM jusqu’à 1 MW ont une densité de couple considérablement plus élevée que les machines à induction. ^[115]

Densité de puissance continue

La densité de puissance continue est déterminée par le produit de la densité de couple continu et de la plage de vitesse de couple constant. Les moteurs électriques peuvent atteindre des densités allant jusqu’à 20 KW/KG, soit 20 kilowatts de puissance de sortie par kilogramme. ^[116]

Bruit acoustique et vibrations

Le bruit acoustique et les vibrations sont généralement classés en trois sources :

• sources mécaniques (par exemple dues aux roulements )
• sources aérodynamiques (par exemple dues à des ventilateurs montés sur arbre )
• sources magnétiques (par exemple dues à des forces magnétiques telles que les forces de Maxwell et de magnétostriction agissant sur les structures du stator et du rotor)

Cette dernière source, qui peut être responsable du “bruit sifflant” des moteurs électriques, est appelée bruit acoustique induit électromagnétiquement .

Normes

Voici les principales normes de conception, de fabrication et d’essai couvrant les moteurs électriques :

• American Petroleum Institute : API 541 Moteurs à induction à cage d’écureuil à enroulement formel – 375 kW (500 chevaux) et plus
• American Petroleum Institute : Machines synchrones sans balais API 546 – 500 kVA et plus
• American Petroleum Institute : API 547 Moteurs à induction à cage d’écureuil à enroulement à usage général – 250 ch et plus
• Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens : Procédure de test standard IEEE Std 112 pour les moteurs et générateurs à induction polyphasés
• Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens : IEEE Std 115 Guide for Test Procedures for Synchronous Machines
• Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens : Norme IEEE Std 841 pour l’industrie pétrolière et chimique – Moteurs à induction à cage d’écureuil entièrement fermés et refroidis par ventilateur (TEFC) à haut rendement – Jusqu’à 370 kW (500 Hp)
• Commission Electrotechnique Internationale : CEI 60034 Machines Electriques Tournantes
• Commission Electrotechnique Internationale : CEI 60072 Dimensions et séries de puissance pour les machines électriques tournantes
• Association nationale des fabricants d’électricité : moteurs et générateurs MG-1
• Underwriters Laboratories : UL 1004 – Norme pour les moteurs électriques
• Norme indienne : IS : 12615-2018 – Moteurs à courant alternatif triphasés alimentés en ligne (IE CODE) “Classes d’efficacité et spécifications de performance” (troisième révision)

Moteurs non magnétiques

Un moteur électrostatique est basé sur l’attraction et la répulsion d’une charge électrique. Habituellement, les moteurs électrostatiques sont le double des moteurs à bobine conventionnels. Ils nécessitent généralement une alimentation haute tension, bien que les petits moteurs utilisent des tensions plus faibles. Les moteurs électriques conventionnels utilisent à la place l’attraction et la répulsion magnétiques et nécessitent un courant élevé à basse tension. Dans les années 1750, les premiers moteurs électrostatiques ont été développés par Benjamin Franklin et Andrew Gordon. Les moteurs électrostatiques sont fréquemment utilisés dans les systèmes microélectromécaniques ( MEMS ) où leurs tensions d’entraînement sont inférieures à 100 volts et où les plaques chargées mobiles sont beaucoup plus faciles à fabriquer que les bobines et les noyaux de fer. La machinerie moléculaire qui fait fonctionner les cellules vivantes est souvent basée sur des moteurs électrostatiques linéaires et rotatifs. ^{[citation nécessaire ]}

Un moteur piézoélectrique ou un moteur piézoélectrique est un type de moteur électrique basé sur le changement de forme d’un matériau piézoélectrique lorsqu’un champ électrique est appliqué. Les moteurs piézoélectriques utilisent l’effet piézoélectrique inverse par lequel le matériau produit des vibrations acoustiques ou ultrasonores pour produire un mouvement linéaire ou rotatif. ^[117] Dans un mécanisme, l’allongement dans un seul plan est utilisé pour effectuer une série d’étirements et de prises de position, similaires à la façon dont une chenille se déplace. ^[118]

Un système de propulsion de vaisseau spatial à propulsion électrique utilise la technologie du moteur électrique pour propulser le vaisseau spatial dans l’espace. La plupart des systèmes sont basés sur des propulseurs accélérant électriquement à grande vitesse, tandis que certains systèmes sont basés sur des principes de propulsion électrodynamiques par câble à la magnétosphère . ^[119]

Voir également

• Portail électronique
• Portail de l’énergie

• Générateur électrique
• Frein régénératif
• Facteur de bonté
• Condensateur moteur
• Moteur de traction
• Dispositif de commande de moteur

Remarques

1. ↑ Ganot fournit une superbe illustration d’un de ces premiers moteurs électriques conçu par Froment. ^[26]
2. ^ Le terme “ moteur à collecteur électronique ” (ECM) est identifié avec l’industrie du chauffage, de la ventilation et de la climatisation (HVAC), la distinction entre BLDC et BLAC étant dans ce contexte considérée comme une fonction du degré de complexité du lecteur ECM avec les lecteurs BLDC étant généralement avec une simple sortie de forme d’onde de courant trapézoïdale régulée en tension à commande scalaire monophaséeimpliquant une construction de moteur PM de surface et des entraînements BLAC tendant vers une forme d’onde sinusoïdale régulée en courant triphasée à commande vectorielle plus complexe impliquant une construction de moteur PM intérieur. ^[77]
3. ^ Les moteurs universels et à répulsion font partie d’une classe de moteurs connus sous le nom de moteurs à collecteur à courant alternatif, qui comprend également les types de moteurs désormais largement obsolètes suivants : Monophasé – moteurs série droits et compensés, moteur ferroviaire ; triphasé – divers types de moteurs à répulsion, moteur série à changement de balais, shunt polyphasé à changement de balais ou moteur Schrage, moteur Fynn-Weichsel. ^[79]

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External links

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• SparkMuseum: Early Electric Motors
• The Invention of the Electric Motor 1800 to 1893, hosted by Karlsrushe Institute of Technology’s Martin Doppelbauer
• MAS.865 2018 Comment faire quelque chose qui fait (presque) n’importe quoi , des gifs au ralenti et des oscillogrammes pour de nombreux types de moteurs.

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