Les moteurs à courant continu sont des machines omniprésentes dans divers équipements électroniques utilisés dans diverses applications.

En règle générale, ces moteurs sont déployés dans des équipements nécessitant une certaine forme de commande rotative ou produisant un mouvement.Les moteurs à courant continu sont des composants essentiels dans de nombreux projets d'électrotechnique.Avoir une bonne compréhension du fonctionnement des moteurs à courant continu et de la régulation de la vitesse du moteur permet aux ingénieurs de concevoir des applications permettant un contrôle de mouvement plus efficace.

Cet article examinera de près les types de moteurs à courant continu disponibles, leur mode de fonctionnement et comment réaliser un contrôle de vitesse.

Que sont les moteurs à courant continu ?

CommeMoteurs à courant alternatif, les moteurs à courant continu convertissent également l’énergie électrique en énergie mécanique.Leur fonctionnement est l’inverse d’un générateur DC qui produit un courant électrique.Contrairement aux moteurs à courant alternatif, les moteurs à courant continu fonctionnent avec une alimentation CC, c'est-à-dire une alimentation unidirectionnelle et non sinusoïdale.

Construction de base

Bien que les moteurs à courant continu soient conçus de différentes manières, ils contiennent tous les éléments de base suivants :

• Rotor (la partie de la machine qui tourne ; également appelée « armature »)
• Stator (les enroulements de champ, ou partie « stationnaire » du moteur)
• Collecteur (peut être avec ou sans balais, selon le type de moteur)
• Aimants de champ (fournissent le champ magnétique qui fait tourner un essieu connecté au rotor)

En pratique, les moteurs à courant continu fonctionnent sur la base d'interactions entre les champs magnétiques produits par un induit tournant et celui du stator ou du composant fixe.

Un contrôleur de moteur DC sans balais sans capteur.Image utilisée avec l'aimable autorisation deKenzi Mudge.

Principe de fonctionnement

Les moteurs à courant continu fonctionnent selon le principe électromagnétique de Faraday qui stipule qu'un conducteur porteur de courant subit une force lorsqu'il est placé dans un champ magnétique.Selon la « règle de gauche pour les moteurs électriques » de Fleming, le mouvement de ce conducteur se fait toujours dans une direction perpendiculaire au courant et au champ magnétique.

Mathématiquement, nous pouvons exprimer cette force sous la forme F = BIL (où F est la force, B est le champ magnétique, I représente le courant et L est la longueur du conducteur).

Types de moteurs à courant continu

Les moteurs à courant continu se répartissent en différentes catégories, selon leur construction.Les types les plus courants incluent les modèles à balais ou sans balais, à aimant permanent, en série et en parallèle.

Moteurs brossés et sans balais

Un moteur DC à balaisutilise une paire de balais en graphite ou en carbone qui servent à conduire ou à délivrer le courant à partir de l'armature.Ces balais sont généralement conservés à proximité immédiate du collecteur.D'autres fonctions utiles des balais dans les moteurs à courant continu incluent la garantie d'un fonctionnement sans étincelle, le contrôle de la direction du courant pendant la rotation et le maintien de la propreté du collecteur.

Moteurs CC sans balaisne contiennent pas de balais en carbone ou en graphite.Ils contiennent généralement un ou plusieurs aimants permanents qui tournent autour d'une armature fixe.Au lieu des balais, les moteurs à courant continu sans balais utilisent des circuits électroniques pour contrôler le sens de rotation et la vitesse.

Moteurs à aimant permanent

Les moteurs à aimants permanents sont constitués d'un rotor entouré de deux aimants permanents opposés.Les aimants fournissent un flux de champ magnétique lors du passage du courant continu, ce qui fait tourner le rotor dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, selon la polarité.Un avantage majeur de ce type de moteur est qu’il peut fonctionner à vitesse synchrone avec une fréquence constante, permettant une régulation optimale de la vitesse.

Moteurs à courant continu en série

Les moteurs en série ont leurs enroulements de stator (généralement constitués de barres de cuivre) et leurs enroulements de champ (bobines de cuivre) connectés en série.Par conséquent, le courant d’induit et les courants de champ sont égaux.Un courant élevé circule directement de l'alimentation vers les enroulements de champ qui sont plus épais et moins nombreux que dans les moteurs shunt.L'épaisseur des enroulements de champ augmente la capacité de charge du moteur et produit également de puissants champs magnétiques qui confèrent aux moteurs à courant continu en série un couple très élevé.

Moteurs à courant continu shunt

Un moteur à courant continu shunt a son induit et ses enroulements de champ connectés en parallèle.Grâce à la connexion en parallèle, les deux enroulements reçoivent la même tension d'alimentation, bien qu'ils soient excités séparément.Les moteurs shunt ont généralement plus de tours sur les enroulements que les moteurs en série, ce qui crée de puissants champs magnétiques pendant le fonctionnement.Les moteurs shunt peuvent avoir une excellente régulation de vitesse, même avec des charges variables.Cependant, ils n'ont généralement pas le couple de démarrage élevé des moteurs de série.

Un circuit de contrôle de moteur et de vitesse installé dans une mini perceuse.Image utilisée avec l'aimable autorisation deDilshan R. Jayakody

Contrôle de la vitesse du moteur à courant continu

Il existe trois manières principales de réguler la vitesse dans les moteurs à courant continu en série : le contrôle du flux, le contrôle de la tension et le contrôle de la résistance d'induit.

1. Méthode de contrôle du flux

Dans la méthode de contrôle de flux, un rhéostat (un type de résistance variable) est connecté en série avec les enroulements de champ.Le but de ce composant est d'augmenter la résistance série dans les enroulements, ce qui réduira le flux, augmentant ainsi la vitesse du moteur.

2. Méthode de régulation de tension

La méthode de régulation variable est généralement utilisée dans les moteurs à courant continu shunt.Il existe, encore une fois, deux manières de réaliser un contrôle de régulation de tension :

• Connecter le champ shunt à une tension d'excitation fixe tout en fournissant à l'armature différentes tensions (c'est-à-dire un contrôle de tension multiple)
• Faire varier la tension fournie à l'armature (alias la méthode Ward Leonard)

3. Méthode de contrôle de la résistance de l’armature

Le contrôle de la résistance d'induit est basé sur le principe selon lequel la vitesse du moteur est directement proportionnelle à la force contre-électromotrice.Ainsi, si la tension d'alimentation et la résistance d'induit sont maintenues à une valeur constante, la vitesse du moteur sera directement proportionnelle au courant d'induit.