Machine électrique - Définition
Une machine électrique est un dispositif permettant la conversion d'énergie électrique en travail ou énergie mécanique :
- Produit d'un couple par un déplacement angulaire pour les moteurs rotatifs,
- Produit d'une force par un déplacement linéaire pour les moteurs linéaires.
Machines tournantes
Généralités sur les machines électriques
Machine à courant continu
Voir l'article de fond Machine à courant continu.
Un des premiers moteurs électromagnétiques a été fabriqué par Michael Faraday en 1821. Il était composé comme suit :
- Un fil électrique formant une boucle plonge dans un récipient de mercure.
- Un aimant permanent est placé au milieu du récipient.
- Quand le courant passe à travers le fil électrique, le fil tourne autour de l'aimant, démontrant que le courant génère un champ magnétique autour du fil électrique.
Ce moteur rudimentaire est toujours utilisé en démonstrations pendant les cours de physique, mais il pose un grave problème : il utilise du mercure qui est un métal très toxique.
Le premier vrai moteur électrique rotatif fut la roue de Barlow (1822).
La première dynamo industrielle, la " Machine de Gramme " de Zénobe Gramme, est présentée à l'académie des sciences en 1871. Hippolyte Fontaine, son financier, découvre sa réversibilité et donc, le premier moteur électrique industriel.
- Moteur à Courant Continu : Animation
- Génératrice à Courant Continu : Animation
- Machine à courant continu
- Modélisation d'un moteur à courant continu
- Régulation de vitesse d'un moteur à courant continu
- Moteur à entrefer plan
- Évolution des moteurs à courant continu en traction
Machines à courant alternatif
Les machines à courant alternatif sont reliées directement au réseau de distribution soit en monophasé soit en triphasé. Pour les applications de faible et moyenne puissance (jusqu'à quelques Ch) le réseau monophasé standard suffit. Pour des applications de forte puissance, les moteurs alternatifs sont généralement alimentés par une source de courants polyphasés. Le système le plus fréquemment utilisé est alors le triphasé (phases décalés de 120°) utilisé par les distributeurs d'électricité.
Ces moteurs alternatif se déclinent en trois types :
- Les moteurs universels;
- Les moteurs asynchrones;
- Les moteurs synchrones.
Ces deux dernières machines ne diffèrent que par leurs rotors.
Les moteurs universels
Voir l'article de fond : Moteur universel.
Ce sont en fait des machines à courant continu de type " série ", avec un stator feuilleté afin d'éviter que le courant statorique alternatif n'y induise trop de courants de Foucault. Ils sont utilisés dans des dispositifs exigeant un couple assez fort, tel qu'un robot de cuisine, l'outillage électroportatif de faible puissance (jusqu'à 1200 W) ou encore les aspirateurs. La vitesse de rotation de ces moteurs peut être facilement réglée par un dispositif peu coûteux tel qu'un gradateur (variateur servant à régler l'intensité lumineuse des luminaires).
Les moteurs Brushless
Un moteur brushless est un moteur synchrone, dont le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et auquel est adjoint un capteur de position rotorique (capteur à effet Hall, synchro-résolver, codeur incrémental par exemple). Vu de l'extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation Brushless vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun balais. Par contre un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques. Ce dispositif peut être soit intégré au moteur, pour les petites puissances, soit extérieur. Le rôle de l'ensemble capteur-électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage du moteur c'est-à-dire l'orthogonalité du flux rotorique par rapport au flux statorique, rôle autrefois dévolu à l'ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu.
Les moteurs Brushless équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD de nos ordinateurs. Il sont également très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères et de voitures.
Les machines synchrones
Voir l'article de fond : machine synchrone.
Générateur
La machine synchrone est souvent utilisée comme génératrice. On l'appelle alors alternateur. Mis à part pour la réalisation de groupe électrogène de faible puissance, cette machine est généralement triphasée. Pour la production d' électricité, les centrales électrique utilisent des alternateurs dont les puissances peuvent avoisiner les 1500 MW.
Comme le nom l'indique, la vitesse de rotation de ces machines est toujours proportionnelle à la fréquence des courants qui la traversent. Ce type de machine peut-être utilisé pour relever le facteur de puissance d'une installation. On appelle celle-ci un Compensateur synchrone.
Moteur
Les machines synchrones sont également utilisées dans les systèmes de traction (tel le TGV). Ces machines sont associées à des onduleurs de courants, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle d'autopilotage (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor).
Les machines asynchrones
Voir l'article de fond : machine asynchrone.
Inventée par Tesla, la machine asynchrone (ou machine à induction, ce dernier terme est plutôt " anglo-saxon "), est la machine électrique la plus répandue, car c'est actuellement celle qui offre le meilleur rapport qualité prix.
Comme le nom l'indique, la vitesse de ces machines n'est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui la traversent.
Ces machines étaient uniquement utilisées en moteur mais, grâce aux progrès de l'électronique de puissance, il est de plus en plus fréquent qu'elles puissent être utilisées en génératrice.
Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage. Pour des applications de forte puissance, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés
Les machines autosynchrones
Ce sont des machines synchrones dont le démarrage se fait en asynchrone et lorsque la fréquence de rotation est proche du synchronisme, le rotor s'accroche au champ statorique en se synchronisant sur la vitesse du champ magnétique.
Caractéristiques communes des machines à courant alternatif
Excepté pour le moteur universel, la vitesse des machines à courant alternatif est généralement liée à la fréquence des courants qui traversent la machine.
ll existe une grande variété de moteurs hybrides (par exemple " asynchrone synchronisé " dans les pompes de lave-vaisselle).
Moteurs pas à pas
Voir l'article de fond Moteur pas à pas.
Un autre genre de moteur électrique est le moteur pas à pas. Un rotor interne contenant des aimants permanents est déplacé par un ensemble d'électroaimants placés dans le stator commutés par une électronique de puissance. L'alimentation ou non de chacun définit une position angulaire différente. (L'enchaînement permet le mouvement.) Les moteurs pas à pas simples ont un nombre limité de positions, mais les moteurs pas à pas à commande proportionnelle (alimentation variable des bobines) peuvent être extrêmement précis. On parle alors de "demi-pas" puisque le moteur peut s'équilibrer entre deux pas.
Ces moteurs commandés par une électronique numérique sont une des formes les plus souples des systèmes de positionnement, en particulier dans les organes servocommandés numériquement : exemple, les moteurs de positionnement des têtes de lecture/écriture des disques dur d'ordinateur ont longtemps été positionnées par ce type de moteur, désormais trop lents pour cette application, ils ont été remplacés par des moteurs linéaires à impulsion beaucoup plus rapides.
Électronique de commande moteurs pas à pas
Moteurs linéaires
Un moteur linéaire est essentiellement un moteur électrique qui " a été déroulé " de sorte qu'au lieu de produire un couple (rotation), il produise une force linéaire sur sa longueur en installant un champ électromagnétique de déplacement. Ils se divisent en ceux à accélération faible utilisés dans le transport aussi bien le Transrapid que le SkyTrain, et ceux à accélération rapide dans les armes comme le canon magnétique et les engins spatiaux.
Dans la même catégorie figurent les Pompes électromagnétiques à induction qui permettent de véhiculer un fluide conducteur. Les premiers essais de ce type de machine ont été fait avec du mercure puis du NAK (mélange de Sodium/Potassium). Les grandes réalisations industrielles concernent la circulation du sodium dans certains types de réacteurs nucléaires et des pompes doseuses d'aluminium liquide.
- électro-aimant
- sustentation électromagnétique
- magnétohydrodynamique (MHD)