Quel est le principe de fonctionnement d'un moteur à courant continu

Quel est le principe de fonctionnement d'un moteur à courant continu ?

Définition du moteur à courant continu

Un moteur à courant continu est défini comme un dispositif qui convertit l'énergie électrique directe en énergie mécanique en utilisant des champs magnétiques et des courants électriques.

Les moteurs à courant continu jouent un rôle crucial dans l'industrie moderne. Comprendre le principe de fonctionnement d'un moteur à courant continu, que nous explorerons dans cet article, commence par sa construction fondamentale à boucle unique.

La construction très basique d'un moteur à courant continu comprend un rotor conducteur de courant, connecté à la source d'alimentation via des segments de collecteur et des balais. Le rotor est placé entre le pôle nord et le pôle sud d'un aimant permanent ou d'un électroaimant, comme le montre le diagramme ci-dessus.

Lorsqu'un courant continu traverse le rotor, il subit une force mécanique provenant des aimants environnants. Pour bien comprendre le fonctionnement d'un moteur à courant continu, il est essentiel de comprendre la règle de la main gauche de Fleming, qui aide à déterminer la direction de la force sur le rotor.

Si un conducteur porteur de courant est placé perpendiculairement dans un champ magnétique, alors le conducteur subit une force dans la direction mutuellement perpendiculaire à la fois à la direction du champ et au conducteur porteur de courant.

La règle de la main gauche de Fleming peut déterminer la direction de rotation du moteur. Cette règle stipule que si nous étendons l'index, le majeur et le pouce de notre main gauche perpendiculairement les uns aux autres de telle manière que le majeur soit dans la direction du courant dans le conducteur, et l'index soit dans la direction du champ magnétique, c'est-à-dire du pôle nord au pôle sud, alors le pouce indique la direction de la force mécanique créée.

Pour comprendre clairement le principe du moteur à courant continu, nous devons déterminer l'amplitude de la force, en considérant le diagramme ci-dessous.

Nous savons que lorsqu'une charge infiniment petite dq est faite pour circuler à une vitesse 'v' sous l'influence d'un champ électrique E et d'un champ magnétique B, la force de Lorentz dF subie par la charge est donnée par :

Pour le fonctionnement du moteur à courant continu, en considérant E = 0.

C'est-à-dire que c'est le produit vectoriel de dq v et du champ magnétique B.

Où, dL est la longueur du conducteur porteur de charge q.

D'après le premier diagramme, on peut voir que la construction d'un moteur à courant continu est telle que la direction du courant à travers le conducteur du rotor est à tout instant perpendiculaire au champ. Ainsi, la force agit sur le conducteur du rotor dans la direction perpendiculaire à la fois au champ uniforme, et le courant est constant.

Ainsi, si nous prenons le courant du côté gauche du conducteur du rotor à être I, et le courant du côté droit du conducteur du rotor à être -I, car ils circulent dans des directions opposées l'un à l'autre.

Alors, la force sur le conducteur du rotor du côté gauche,

De même, la force sur le conducteur du côté droit,

Par conséquent, on peut voir que, à cette position, la force de chaque côté est égale en amplitude mais opposée en direction. Puisque les deux conducteurs sont séparés par une certaine distance w = largeur du tour de rotor, les deux forces opposées produisent une force de rotation ou un couple qui entraîne la rotation du conducteur du rotor.

Examinons maintenant l'expression du couple lorsque le tour de rotor crée un angle α (alpha) avec sa position initiale. Le couple produit est donné par,Le couple produit est donné par,

Ici, α (alpha) est l'angle entre le plan du tour de rotor et le plan de référence ou la position initiale du rotor qui est ici dans la direction du champ magnétique.

La présence du terme cosα dans l'équation du couple signifie très bien que, contrairement à la force, le couple n'est pas le même à toutes les positions. Il varie en fait avec la variation de l'angle α (alpha). Pour expliquer la variation du couple et le principe derrière la rotation du moteur, faisons une analyse étape par étape.

Étape 1 :

Initialement, en considérant que le rotor est à son point de départ ou position de référence où l'angle α = 0.

Puisque α = 0, le terme cos α = 1, ou la valeur maximale, donc le couple à cette position est maximal, donné par τ = BILw. Ce couple de démarrage élevé aide à surmonter l'inertie initiale du repos du rotor et le met en rotation.

Étape 2 :

Une fois que le rotor est en mouvement, l'angle α entre la position réelle du rotor et sa position de référence initiale augmente dans le chemin de sa rotation jusqu'à ce qu'il devienne 90 ^o de sa position initiale. Par conséquent, le terme cosα diminue ainsi que la valeur du couple.

Le couple dans ce cas est donné par τ = BILwcosα, qui est inférieur à BILw lorsque α est supérieur à 0^o.

Étape 3 :

Dans le parcours de rotation du rotor, un point est atteint où la position réelle du rotor est exactement perpendiculaire à sa position initiale, c'est-à-dire α = 90 ^o, et par conséquent, le terme cosα = 0.

Le couple agissant sur le conducteur à cette position est donné par,

c'est-à-dire quasiment aucun couple de rotation n'agit sur le rotor à cet instant. Cependant, le rotor ne s'arrête pas, car le fonctionnement du moteur à courant continu a été conçu de telle manière que l'inertie de mouvement à ce point est juste suffisante pour surmonter ce point de couple nul. 

Une fois que le rotor dépasse cette position, l'angle entre la position réelle du rotor et le plan initial diminue à nouveau et le couple recommence à agir dessus.