Constitution
Une machine à courant continu comporte trois parties principales : l’inducteur, l’induit et lecollecteur avec les balais.
Inducteur
L’inducteur produit le flux magnétique dans la machine. Il est constitué d’un électro-aimant qui engendre la force magnétomotrice nécessaire à la production du flux. Dans les machines bipolaires (à deux pôles) (fig.1.1) les bobines magnétisantes sont portées par deux noyaux polaires (fig.1.2). et le circuit magnétique est complété par deux demi-culasses. La culasse est généralement en fonte d’acier, tandis que les noyaux polaires sont formés de tôles d’acier doux. Les bobines magnétisantes sont alimentées encourant continu et le courant qui les traverse porte le nom de courant d’excitation. Quand l’inducteur est constitué d’un aimant permanent, la machine porte le nom de magnéto.
Le nombre de pôles que porte l’inducteur dépend surtout de la grosseur de la machine. Plus une machine est puissante et plus sa vitesse est basse, plus elle aura de pôles. En utilisant plus de deux pôles on réduit les dimensions et le coût des grandes machines.
Les bobines magnétisantes d’un inducteur multipolaire (qui comporte un nombre de pôles 2p supérieur à deux, mais nécessairement pair) sont connectées de façon à ce que les pôles adjacents aient des polarités magnétiques contraires (fig.1.3). Ces bobines sont composées de plusieurs centaines de spires et porte un courant relativement faible. Elles sont enveloppées de plusieurs couches de ruban de coton et bien isolé des noyaux polaires afin de réduire les risques de court-circuit.
Les lignes du champ magnétique produit par l’inducteur traversent deux fois l’entre fer qui sépare le rotor et le stator et se renferment par l’une des deux demi-culasses. L’entrefer est de l’ordre de 1,5 mm à 5 mm.
Comme l’induit et l’inducteur sont construits avec des matériaux possédant une bonne perméabilité, la majeur partie de la f.m.m. sertà produire le flux dans l’entrefer. Donc, en réduisant la longueur de celui-ci, on peut diminuer les dimensions des bobines magnétisantes. Sous les pôles, dans l’entrefer, les lignes de champ sont pratiquement radiales et le vecteur Ba une norme sensiblement constante (fig.1.4).
Remarquons que le rotor n’entraîne pas les lignes de champ dans son mouvement: la topographie du champ magnétique n’est pratiquement pas modifiée par la rotation de l’armature.
L’induit
L’induit constitue l’ensemble des conducteurs qui coupent le flux magnétique. Ces conducteurs sont enroulés sur une armature (noyau) magnétique(fig.1.5a) formée d’un assemblage de tôles en fer doux. Ces tôles sont isolées les unes des autres et portent des encoches destinées à recevoir les conducteurs (fig.1.5b).
Les conducteurs de l’induit sont parcourus par le courant débité par la machine. Ils sont isolés du noyau par plusieurs couches de papier ou de mica. Pour résister aux forces centrifuges, ils sont maintenus solidement en place dans les encoches au moyen de cales en fibre. Si le courant est faible, on emploie des conducteurs ronds, mais s’il dépasse une cinquantaine d’ampères, on se sert de conducteurs rectangulaires qui permettent une meilleure utilisation du volume de l’encoche.
L’induit est monté sur un arbre et tourne entre les pôles de l’inducteur.
Collecteur et balais
Le collecteur est un ensemble de lames(ou de segments) de cuivre isolées les unes des autres par des feuilles de mica et montées sur l’arbre de la machine, mais isolées de celui-ci (fig.1.6a). Les conducteurs de l’induit sont reliés aux lames en cuivre. Dans une génératrice bipolaire, deux balais fixes diamétralement opposés appuient sur le collecteur et assurent le contact électrique entre l’induit et un circuit extérieur.
L’ensemble des spires situées entre deux lames porte le nom de section; les conducteurs actifs, c’est-à-dire disposés dans les encoches, constituent deux faisceaux (numérotés 1et 2). Si N est le nombre total des conducteurs actifs de l’enroulement, chaque faisceau comporte N/2de ces conducteurs.
La construction du collecteur demande un soin considérable, car, s’il fallait qu’une des lames dépasse les autres d’une fraction de millimètre seulement, des étincelles seraient produites par le rebondissement des balais quand la machine est en charge. De telles étincelles rongeraient et détérioreraient les balais, tout en surchauffantet en carbonisant le collecteur, ce qui ne peut être toléré.
Les machines multipolaires ont autant de balais quede pôles et ces balais sont reliés entre eux en deux groupes distincts pour constituer deux bornes (fig.1.6c). Plus le courant venant du collecteur est grand, plus on connecte de balais en parallèle.
Les balais (fig.1.6b) sont faits en carbone car ce matériau possède à la fois une bonne conductivité thermique et électrique et il est assez doux pour ne pas user indûment le collecteur. Pour améliorer leur conductivité, on ajoute parfois au carbone une petite quantité de cuivre.
La pression des balais sur le collecteur peut être réglée à une valeur appropriée grâce à des ressorts ajustables. Si la pression est trop grande, le frottement provoque un échauffement excessif du collecteur et des balais. Par contre, si elle est trop faible, le contact imparfait peut produire des étincelles. La pression des balais sur le collecteur est généralement de l’ordre de1,5 N/cm²et la densité du courant qui les traverse est d’environ 10 A/cm².
Par exemple : un balai ayant une largeur de 3 cmet une épaisseur de 1 cmexerce une pression de 4,5 Nsur le collecteur et porte un courant de 30 A.
Enroulement imbriqué
Les bobines de l’induit peuvent être reliées entre elles et au collecteur de plusieurs manières; une des plus employées est l’enroulement imbriqué.
Afin de comprendre ce genre d’enroulement, considérons une simple bobine qui tourne entre les deux pôles d’un inducteur (fig.1.7a). Une tension alternative sera induite entre ses bornes (fig.1.7b).
La valeur instantanée de cette tension dépend de la position de la bobine (fig.1.7c).
Supposons que la tension maximale soit de 10 V.Sur la figure ci-dessous on peut voir les valeurs et les polarités des tensions pour les positions successives de la bobine (fig.1.7d).
Imaginons maintenant un induit possédant 8 bobines, identiques à la décrite (fig. 1.8). Les bobines sont distribuées uniformément autour de l’induit, à 45° les unes par rapport aux autres.Elles sont numérotées de 1 à 8 et logées dans 8 encoches.
Faisons tourner cet ensemble de 8 bobines à la même vitesse. Chaque bobine génère une tension et une polarité correspondant à sa position. Notons que les bobines 1,5sont logées dans les mêmes encoches; par conséquent, les tensions induites sont les mêmes, mais de polarités contraires. Il est de même pour les bobines 2,6; 3,7et 4,8.
Si l’on considère l’instant particulier où la bobine 1est à 0°, la tension dans cette bobine est nulle, et les tensions dans les autres bobines sonttelles que sur la figure. Un instant plus tard, lorsque l’induit tourne à 45°, la tension de la bobine 1est de + 7V, celle de bobine 2est nulle, celle de bobine 3est de - 7V, et ainsi de suite.
Si on relie les bobines pour créer une boucle fermée, comme les tensions induites dans les bobines logées dans les mêmes encoches s’annulent, la somme algébrique des tensions autour de la boucle est nulle à tout instant. Donc, aucun courant ne circule dans la boucle et les tensions restent les mêmes.
Si on connecte les bobines à un collecteur de 8 segments (fig.1.9), il est évident que la tension induite dans chaque bobine apparaît entre deux segments consécutifs. La tension Exyentre les balaisxet yest égale à la somme des tensions entre les segments:
Exy= + 7 + 10 + 7 = + 24 V
Étant donné que la somme des tensions On place les balais à l’endroit produisant
autour de la boucle est nulle, on peut la plus grande tension Exy
la fermer sans produire un courant de
circulation
Lorsque l’induit tourne de 45°, les tensions induites sont les mêmes, sauf qu’elles sont générées par un autre groupes de bobines. Il s’ensuit que la tension entre les balais demeure constante à 24 V et que le balai xdemeure toujours positif par rapport au balai y. Il faut noter que lorsque l’induit tourne de 22,5° par rapport à la position originale, il y a 4 bobines entres les balais (au lieu de 3), de sorte que la tension est légèrement différente de 24 V. La tension entre les balais fluctue donc autour d’une valeur moyenne de 24 V.
Comme on voit sur la figure le balais xest en contact avec deux segments, mettant la bobine 1en court-circuit. De la même façon, le balai ycourt-circuite la bobine 5. Mais comme la tension induite dans ces bobines est nulle, ce court-circuit momentané n’a aucun effet. Par contre, si les balais sont déplacés de 45° dans le sens horaire, ils court-circuiteront les bobines 2 et 6. Mais la tension de 7 V générée par ces bobine donnera naissance à un courant de court-circuit important qui risque de produire des étincelles et de provoquer la destruction progressive des balais et de la surface du collecteur. On dit que ces étincelles sont dues à une mauvaise commutation.
Le déplacement des balais occasionne aussi une diminution de la tension entre les balais, même si la tension induite dans les bobines demeurent inchangées. En effet, si les balais sont déplacés de 45°, la tension Exy= 17 V au lieu de 24 V. Enfin, sil’on déplace les balais de 90°, la tension tombe à 0 V, mais les balais court-circuitent les deux bobines qui génèrent une tension de 10 V.
Si on représente le schéma panoramiquede l’enroulement (fig.1.10) qui est obtenu en développantsur un plan la surface latérale du rotor, ainsi que celle du collecteur et en disposant côte à côteles deux faisceaux superposésdans une même encoche (les faisceaux périphériques sont représentés par des segments droits et les faisceaux profonds par des pointilles), on voit que les sections apparaissent imbriquéesles unes dans les autres: ainsi cet enroulement est dit imbriqué.
En pratique, l’induit comporte beaucoup plus que8 bobines (par exemple, une génératrice de 250 kW, 250 V, 1200 tr/min peut contenir 240 bobines) et le collecteur respectivement est composés de même nombre de segments.
Zone neutre
Les zones neutres sont les endroits situés à la surface de l’induit où la densité du flux est nulle. Lorsque la génératrice fonctionne à vide, les zones neutres se trouvent exactement à mi-chemin entre les pôles. Aucune tension n’est induite dans une bobine traversant une zone neutre, c’est pourquoi on cherche à disposer les balais autour de collecteur afin qu’ils soient en contact avec les bobines franchissant ces zones neutres. On assure en même temps une tension maximale entre les balais.
Génératrices multipolaires
Lorsqu’une machine à courant continu doit avoir une puissance élevée (plusieurs kilowatts), elle n’est plus bipolaire. Son stator comporte un nombre de pôles 2psupérieur à deux (mais nécessairement pair); ces pôles alternativement Nord et Sud sont régulièrement disposés à la périphérie du rotor (fig. 1.11). Son enroulement d’induit présente alors 2a voies (nombre pair) en parallèle.
Les solutions technologiques retenues sont diverses mais les principes adoptés restent valables comme pour l’enroulement bipolaire à deux voies:
• Chaque encoche contient toujours deux faisceaux superposés;
• L’enroulement, fermé sur lui-même, est constitué de sections identiques connectées en série; chacune de ces sections comporte un faisceau périphérique dans une encoche et un faisceau profond dans l’autre, son entréesoudée à une lame du collecteur et sa sortieà une autre lame;
• L’ouverturedes sections est égale à l’angle séparant deux pôles successifs, c’est-à-dire égale au pas polaire π/ p; ainsi, pour chaque section, le faisceau périphérique d’une part et le faisceau profond d’autre part occupent, à tout instant, la même position par rapport au pôle en regard h les forces électromagnétiques s’exerçant sur les deux faisceaux sont constamment égales et de même sens par rapport au rotor.
Force électromotrice induite
Par suite de la rotation, les conducteurs actifs coupent les lignes du champ magnétique: ils sont donc siège de f.é.m. induites. Il est facile de constater que les f.é.m. induites dans tous les faisceaux appartenant à une même voies sont de même sens le long de cette voie: la f.é.m. E dans une voie est la somme des f.é.m. induites dans tous les conducteurs actifs de cette voie.
La f.é.m. d’une voie retrouve la même valeur lorsque le rotor a tourné d’un pas d’encoche: cette f.é.m. ondule très peu autour de sa valeur moyenne E(on confond désormais E et E).
Les 2avoies de l’enroulement d’induit étant en parallèle, E est aussi la f.é.m; de la machine. Lorsqu’un conducteur actif passe d’une ligne neutre à la suivante, il coupe un flux Φ; si ∆test le temps correspondant, la f.é.m. e induite dans un tel conducteur a pour valeur moyenne
e = Φ/ ∆t
Or, si la fréquence de rotation est ntours/seconde, la durée de 1 tour a pour expression
1 seconde / n = 1 / n [s]
Le passage d’un conducteur sous un pôle étant 2pfois plus bref, l’intervalle de temps ∆test égal à
∆t = (1/n) / 2p = 1 / 2pn
d’où: e = Φ/ (1/2pn) = 2 p n Φ
Chacune des 2avoies comporte N / 2aconducteurs actifs, si bien que
E = (N / 2a) e = (N / 2a) 2p n Φ
E = p/a N Φn
où: Φen Wb; n en tr/s; Een V.
Réaction d’induit
Jusqu’à présent nous avons supposé que seule la f.m.m. de l’enroulement inducteur agissait sur le circuit magnétique d’une machine à courant continu. Cependant, le passage du courant dans les conducteurs de l’induit crée également force magnétomotrice qui a pour effet de déformer et d’affaiblir le flux provenant des pôles. L’action magnétique de la f.m.m. de l’induit est appelée réaction d’induit.
Pour comprendre la réaction d’induit, on doit connaître le sens des courants circulant dans les conducteurs de l’induit situés en dessous dechacun des pôles. On peut facilement le déterminer lorsqu’on connaît le sens de rotation de la machine. Il s’ensuit que les courants circulant dans les conducteurs doivent s’opposerau déplacement (la loi de Lenz).
Lorsqu’un générateur fonctionne à faible charge, le faible courant circulant dans l’induit ne modifie pas de façon appréciable le champ magnétique Φ1provenant des pôles (fig.1.12a).
Mais quand le courant dans l’induit devient important, il produit une f.m.m. élevée créant un champ magnétique Φ2(fig.1.12b). La somme des champs Φ1et Φ2donne le champ résultant Φ3.(fig.1.12c) On constate que la densité du flux augmente sous la moitié gauche du pôle, alors qu’elle diminue sous la moitié droite.
a) Champ dû à l’inducteur b) Champ dû au courant circulant c) Champ résultant dû à la
dans l’induit réaction d’induit
Ce phénomène a deux conséquences. D’abord, la zone neutre se déplace vers la gauche (avec le sens de rotation). Ensuite, à cause de la saturation de l’extrémité A du pôle, l’augmentation
de flux produite sous la partie gauche ne réussit pas à compenser la diminution sous la partie droite; le flux Φ3en charge est légèrement inférieur au flux Φ1à vide. Pour les gros générateur cette diminution peut être de l’ordre de 5%.
En outre, si l’on veut éviter une mauvaise commutation, on doit réajuster les balais sur la nouvelle zone neutre. Pour les génératrices les balais doivent être déplacés dans le sens derotation.
Une fois les balais déplacés, la commutation est bonne; cependant, si le courant diminue, la f.m.m. de l’induit baisse et le point neutreoccupe une nouvelle position située entre les deux positions précédentes. Il faut alors déplacer à nouveau les balais pour obtenir une commutation sans étincelles. Ce procédé est inacceptable lorsque le courant varie fréquemment et de façon très remarquée. Dans les générateurs de faible puissance (moins que 500 W), on peut se permettre de fixer les balaisà une position intermédiaire, ce qui assurera une commutation acceptable pour toutes les charges.
Pôles de commutation
Pour compenser l’effet de la réaction d’induit, on dispose entre les pôles ordinaires des machines à courant continu des pôles auxiliaires, ou pôles de commutation, calculés pour développer une f.m.m. égale et opposée en touttemps à la f.m.m. de l’induit (fig. 1.13).
L’enroulement des pôles de commutation est doncraccordé en série avec l’induit de façon à ce qu’il soit traversé par le même courant etqu’il développe une f.m.m. proportionnelle au courant d’induit.
On voit sur la figure que la f.m.m. des pôles de commutation s’oppose à la f.m.m. de l’induit, et annule ainsi l’effet de celle-ci. Par conséquent, les bobines court-circuitées par les balais se trouvent dans une zone où la densité du flux est nulle. Il n’est donc plus nécessaire de déplacer les balais.
Une machine à courant continu comporte trois parties principales : l’inducteur, l’induit et lecollecteur avec les balais.
Inducteur
Fig. 1.1
Le nombre de pôles que porte l’inducteur dépend surtout de la grosseur de la machine. Plus une machine est puissante et plus sa vitesse est basse, plus elle aura de pôles. En utilisant plus de deux pôles on réduit les dimensions et le coût des grandes machines.
Fig. 1.2. Pôle d’inducteur
Fig. 1.3. Polarité magnétique
d’une génératrice à 6 pôles
d’une génératrice à 6 pôles
Les bobines magnétisantes d’un inducteur multipolaire (qui comporte un nombre de pôles 2p supérieur à deux, mais nécessairement pair) sont connectées de façon à ce que les pôles adjacents aient des polarités magnétiques contraires (fig.1.3). Ces bobines sont composées de plusieurs centaines de spires et porte un courant relativement faible. Elles sont enveloppées de plusieurs couches de ruban de coton et bien isolé des noyaux polaires afin de réduire les risques de court-circuit.
Les lignes du champ magnétique produit par l’inducteur traversent deux fois l’entre fer qui sépare le rotor et le stator et se renferment par l’une des deux demi-culasses. L’entrefer est de l’ordre de 1,5 mm à 5 mm.
Comme l’induit et l’inducteur sont construits avec des matériaux possédant une bonne perméabilité, la majeur partie de la f.m.m. sertà produire le flux dans l’entrefer. Donc, en réduisant la longueur de celui-ci, on peut diminuer les dimensions des bobines magnétisantes. Sous les pôles, dans l’entrefer, les lignes de champ sont pratiquement radiales et le vecteur Ba une norme sensiblement constante (fig.1.4).
Flux magnétique dans l’entrefer
Fig. 1.4
Fig. 1.4
Remarquons que le rotor n’entraîne pas les lignes de champ dans son mouvement: la topographie du champ magnétique n’est pratiquement pas modifiée par la rotation de l’armature.
L’induit
L’induit constitue l’ensemble des conducteurs qui coupent le flux magnétique. Ces conducteurs sont enroulés sur une armature (noyau) magnétique(fig.1.5a) formée d’un assemblage de tôles en fer doux. Ces tôles sont isolées les unes des autres et portent des encoches destinées à recevoir les conducteurs (fig.1.5b).
Les conducteurs de l’induit sont parcourus par le courant débité par la machine. Ils sont isolés du noyau par plusieurs couches de papier ou de mica. Pour résister aux forces centrifuges, ils sont maintenus solidement en place dans les encoches au moyen de cales en fibre. Si le courant est faible, on emploie des conducteurs ronds, mais s’il dépasse une cinquantaine d’ampères, on se sert de conducteurs rectangulaires qui permettent une meilleure utilisation du volume de l’encoche.
a) Le noyau d’induit composé d’un empillage
de tôles d’acier
de tôles d’acier
b) Les conducteurs retenus dans
les encoches par des cales en fibre
les encoches par des cales en fibre
Fig. 1.5
L’induit est monté sur un arbre et tourne entre les pôles de l’inducteur.
Collecteur et balais
Le collecteur est un ensemble de lames(ou de segments) de cuivre isolées les unes des autres par des feuilles de mica et montées sur l’arbre de la machine, mais isolées de celui-ci (fig.1.6a). Les conducteurs de l’induit sont reliés aux lames en cuivre. Dans une génératrice bipolaire, deux balais fixes diamétralement opposés appuient sur le collecteur et assurent le contact électrique entre l’induit et un circuit extérieur.
L’ensemble des spires situées entre deux lames porte le nom de section; les conducteurs actifs, c’est-à-dire disposés dans les encoches, constituent deux faisceaux (numérotés 1et 2). Si N est le nombre total des conducteurs actifs de l’enroulement, chaque faisceau comporte N/2de ces conducteurs.
La construction du collecteur demande un soin considérable, car, s’il fallait qu’une des lames dépasse les autres d’une fraction de millimètre seulement, des étincelles seraient produites par le rebondissement des balais quand la machine est en charge. De telles étincelles rongeraient et détérioreraient les balais, tout en surchauffantet en carbonisant le collecteur, ce qui ne peut être toléré.
Les machines multipolaires ont autant de balais quede pôles et ces balais sont reliés entre eux en deux groupes distincts pour constituer deux bornes (fig.1.6c). Plus le courant venant du collecteur est grand, plus on connecte de balais en parallèle.
a) Collecteur avec la fixation des sections; b) Balais avec le porte-balais; c)Groupement des balais sur une machine à 6 pôles Fig. 1.6
Les balais (fig.1.6b) sont faits en carbone car ce matériau possède à la fois une bonne conductivité thermique et électrique et il est assez doux pour ne pas user indûment le collecteur. Pour améliorer leur conductivité, on ajoute parfois au carbone une petite quantité de cuivre.
La pression des balais sur le collecteur peut être réglée à une valeur appropriée grâce à des ressorts ajustables. Si la pression est trop grande, le frottement provoque un échauffement excessif du collecteur et des balais. Par contre, si elle est trop faible, le contact imparfait peut produire des étincelles. La pression des balais sur le collecteur est généralement de l’ordre de1,5 N/cm²et la densité du courant qui les traverse est d’environ 10 A/cm².
Par exemple : un balai ayant une largeur de 3 cmet une épaisseur de 1 cmexerce une pression de 4,5 Nsur le collecteur et porte un courant de 30 A.
Enroulement imbriqué
Les bobines de l’induit peuvent être reliées entre elles et au collecteur de plusieurs manières; une des plus employées est l’enroulement imbriqué.
Afin de comprendre ce genre d’enroulement, considérons une simple bobine qui tourne entre les deux pôles d’un inducteur (fig.1.7a). Une tension alternative sera induite entre ses bornes (fig.1.7b).
La valeur instantanée de cette tension dépend de la position de la bobine (fig.1.7c).
Supposons que la tension maximale soit de 10 V.Sur la figure ci-dessous on peut voir les valeurs et les polarités des tensions pour les positions successives de la bobine (fig.1.7d).
Fig. 1.7.
Faisons tourner cet ensemble de 8 bobines à la même vitesse. Chaque bobine génère une tension et une polarité correspondant à sa position. Notons que les bobines 1,5sont logées dans les mêmes encoches; par conséquent, les tensions induites sont les mêmes, mais de polarités contraires. Il est de même pour les bobines 2,6; 3,7et 4,8.
Induit portant 8 bobines. Les bobines logées dans
les mêmes encoches produisent des tensions
identiques mais de polarités contraires
les mêmes encoches produisent des tensions
identiques mais de polarités contraires
Vue instantanée des tensions induites
dans les 8 bobines
dans les 8 bobines
Fig. 1.8.
Si l’on considère l’instant particulier où la bobine 1est à 0°, la tension dans cette bobine est nulle, et les tensions dans les autres bobines sonttelles que sur la figure. Un instant plus tard, lorsque l’induit tourne à 45°, la tension de la bobine 1est de + 7V, celle de bobine 2est nulle, celle de bobine 3est de - 7V, et ainsi de suite.
Si on relie les bobines pour créer une boucle fermée, comme les tensions induites dans les bobines logées dans les mêmes encoches s’annulent, la somme algébrique des tensions autour de la boucle est nulle à tout instant. Donc, aucun courant ne circule dans la boucle et les tensions restent les mêmes.
Si on connecte les bobines à un collecteur de 8 segments (fig.1.9), il est évident que la tension induite dans chaque bobine apparaît entre deux segments consécutifs. La tension Exyentre les balaisxet yest égale à la somme des tensions entre les segments:
Exy= + 7 + 10 + 7 = + 24 V
Étant donné que la somme des tensions On place les balais à l’endroit produisant
autour de la boucle est nulle, on peut la plus grande tension Exy
la fermer sans produire un courant de
circulation
Fig. 1.9
Lorsque l’induit tourne de 45°, les tensions induites sont les mêmes, sauf qu’elles sont générées par un autre groupes de bobines. Il s’ensuit que la tension entre les balais demeure constante à 24 V et que le balai xdemeure toujours positif par rapport au balai y. Il faut noter que lorsque l’induit tourne de 22,5° par rapport à la position originale, il y a 4 bobines entres les balais (au lieu de 3), de sorte que la tension est légèrement différente de 24 V. La tension entre les balais fluctue donc autour d’une valeur moyenne de 24 V.
Comme on voit sur la figure le balais xest en contact avec deux segments, mettant la bobine 1en court-circuit. De la même façon, le balai ycourt-circuite la bobine 5. Mais comme la tension induite dans ces bobines est nulle, ce court-circuit momentané n’a aucun effet. Par contre, si les balais sont déplacés de 45° dans le sens horaire, ils court-circuiteront les bobines 2 et 6. Mais la tension de 7 V générée par ces bobine donnera naissance à un courant de court-circuit important qui risque de produire des étincelles et de provoquer la destruction progressive des balais et de la surface du collecteur. On dit que ces étincelles sont dues à une mauvaise commutation.
Le déplacement des balais occasionne aussi une diminution de la tension entre les balais, même si la tension induite dans les bobines demeurent inchangées. En effet, si les balais sont déplacés de 45°, la tension Exy= 17 V au lieu de 24 V. Enfin, sil’on déplace les balais de 90°, la tension tombe à 0 V, mais les balais court-circuitent les deux bobines qui génèrent une tension de 10 V.
Si on représente le schéma panoramiquede l’enroulement (fig.1.10) qui est obtenu en développantsur un plan la surface latérale du rotor, ainsi que celle du collecteur et en disposant côte à côteles deux faisceaux superposésdans une même encoche (les faisceaux périphériques sont représentés par des segments droits et les faisceaux profonds par des pointilles), on voit que les sections apparaissent imbriquéesles unes dans les autres: ainsi cet enroulement est dit imbriqué.
Schéma panoramique d’enroulement imbriqué
Fig. 1.10.
Fig. 1.10.
En pratique, l’induit comporte beaucoup plus que8 bobines (par exemple, une génératrice de 250 kW, 250 V, 1200 tr/min peut contenir 240 bobines) et le collecteur respectivement est composés de même nombre de segments.
Zone neutre
Les zones neutres sont les endroits situés à la surface de l’induit où la densité du flux est nulle. Lorsque la génératrice fonctionne à vide, les zones neutres se trouvent exactement à mi-chemin entre les pôles. Aucune tension n’est induite dans une bobine traversant une zone neutre, c’est pourquoi on cherche à disposer les balais autour de collecteur afin qu’ils soient en contact avec les bobines franchissant ces zones neutres. On assure en même temps une tension maximale entre les balais.
Génératrices multipolaires
Lorsqu’une machine à courant continu doit avoir une puissance élevée (plusieurs kilowatts), elle n’est plus bipolaire. Son stator comporte un nombre de pôles 2psupérieur à deux (mais nécessairement pair); ces pôles alternativement Nord et Sud sont régulièrement disposés à la périphérie du rotor (fig. 1.11). Son enroulement d’induit présente alors 2a voies (nombre pair) en parallèle.
Les solutions technologiques retenues sont diverses mais les principes adoptés restent valables comme pour l’enroulement bipolaire à deux voies:
• Chaque encoche contient toujours deux faisceaux superposés;
• L’enroulement, fermé sur lui-même, est constitué de sections identiques connectées en série; chacune de ces sections comporte un faisceau périphérique dans une encoche et un faisceau profond dans l’autre, son entréesoudée à une lame du collecteur et sa sortieà une autre lame;
• L’ouverturedes sections est égale à l’angle séparant deux pôles successifs, c’est-à-dire égale au pas polaire π/ p; ainsi, pour chaque section, le faisceau périphérique d’une part et le faisceau profond d’autre part occupent, à tout instant, la même position par rapport au pôle en regard h les forces électromagnétiques s’exerçant sur les deux faisceaux sont constamment égales et de même sens par rapport au rotor.
Génératrice multipolaire
Fig. 1.11.
Fig. 1.11.
Force électromotrice induite
Par suite de la rotation, les conducteurs actifs coupent les lignes du champ magnétique: ils sont donc siège de f.é.m. induites. Il est facile de constater que les f.é.m. induites dans tous les faisceaux appartenant à une même voies sont de même sens le long de cette voie: la f.é.m. E dans une voie est la somme des f.é.m. induites dans tous les conducteurs actifs de cette voie.
La f.é.m. d’une voie retrouve la même valeur lorsque le rotor a tourné d’un pas d’encoche: cette f.é.m. ondule très peu autour de sa valeur moyenne E(on confond désormais E et E).
Les 2avoies de l’enroulement d’induit étant en parallèle, E est aussi la f.é.m; de la machine. Lorsqu’un conducteur actif passe d’une ligne neutre à la suivante, il coupe un flux Φ; si ∆test le temps correspondant, la f.é.m. e induite dans un tel conducteur a pour valeur moyenne
e = Φ/ ∆t
Or, si la fréquence de rotation est ntours/seconde, la durée de 1 tour a pour expression
1 seconde / n = 1 / n [s]
Le passage d’un conducteur sous un pôle étant 2pfois plus bref, l’intervalle de temps ∆test égal à
∆t = (1/n) / 2p = 1 / 2pn
d’où: e = Φ/ (1/2pn) = 2 p n Φ
Chacune des 2avoies comporte N / 2aconducteurs actifs, si bien que
E = (N / 2a) e = (N / 2a) 2p n Φ
E = p/a N Φn
où: Φen Wb; n en tr/s; Een V.
Réaction d’induit
Jusqu’à présent nous avons supposé que seule la f.m.m. de l’enroulement inducteur agissait sur le circuit magnétique d’une machine à courant continu. Cependant, le passage du courant dans les conducteurs de l’induit crée également force magnétomotrice qui a pour effet de déformer et d’affaiblir le flux provenant des pôles. L’action magnétique de la f.m.m. de l’induit est appelée réaction d’induit.
Pour comprendre la réaction d’induit, on doit connaître le sens des courants circulant dans les conducteurs de l’induit situés en dessous dechacun des pôles. On peut facilement le déterminer lorsqu’on connaît le sens de rotation de la machine. Il s’ensuit que les courants circulant dans les conducteurs doivent s’opposerau déplacement (la loi de Lenz).
Lorsqu’un générateur fonctionne à faible charge, le faible courant circulant dans l’induit ne modifie pas de façon appréciable le champ magnétique Φ1provenant des pôles (fig.1.12a).
Mais quand le courant dans l’induit devient important, il produit une f.m.m. élevée créant un champ magnétique Φ2(fig.1.12b). La somme des champs Φ1et Φ2donne le champ résultant Φ3.(fig.1.12c) On constate que la densité du flux augmente sous la moitié gauche du pôle, alors qu’elle diminue sous la moitié droite.
a) Champ dû à l’inducteur b) Champ dû au courant circulant c) Champ résultant dû à la
dans l’induit réaction d’induit
Réaction d’induit
Fig. 1.12.
Fig. 1.12.
Ce phénomène a deux conséquences. D’abord, la zone neutre se déplace vers la gauche (avec le sens de rotation). Ensuite, à cause de la saturation de l’extrémité A du pôle, l’augmentation
de flux produite sous la partie gauche ne réussit pas à compenser la diminution sous la partie droite; le flux Φ3en charge est légèrement inférieur au flux Φ1à vide. Pour les gros générateur cette diminution peut être de l’ordre de 5%.
En outre, si l’on veut éviter une mauvaise commutation, on doit réajuster les balais sur la nouvelle zone neutre. Pour les génératrices les balais doivent être déplacés dans le sens derotation.
Une fois les balais déplacés, la commutation est bonne; cependant, si le courant diminue, la f.m.m. de l’induit baisse et le point neutreoccupe une nouvelle position située entre les deux positions précédentes. Il faut alors déplacer à nouveau les balais pour obtenir une commutation sans étincelles. Ce procédé est inacceptable lorsque le courant varie fréquemment et de façon très remarquée. Dans les générateurs de faible puissance (moins que 500 W), on peut se permettre de fixer les balaisà une position intermédiaire, ce qui assurera une commutation acceptable pour toutes les charges.
Pôles de commutation
Pour compenser l’effet de la réaction d’induit, on dispose entre les pôles ordinaires des machines à courant continu des pôles auxiliaires, ou pôles de commutation, calculés pour développer une f.m.m. égale et opposée en touttemps à la f.m.m. de l’induit (fig. 1.13).
L’enroulement des pôles de commutation est doncraccordé en série avec l’induit de façon à ce qu’il soit traversé par le même courant etqu’il développe une f.m.m. proportionnelle au courant d’induit.
On voit sur la figure que la f.m.m. des pôles de commutation s’oppose à la f.m.m. de l’induit, et annule ainsi l’effet de celle-ci. Par conséquent, les bobines court-circuitées par les balais se trouvent dans une zone où la densité du flux est nulle. Il n’est donc plus nécessaire de déplacer les balais.
Les pôles de commutation produisent une f.m.m. égale et opposée à la f.m.m. de l’induit
Fig. 1.13.
Fig. 1.13.
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