Armature : Définition, Fonction et Composants

Qu'est-ce qu'un armature ?

Un armature est le composant d'une machine électrique (c'est-à-dire un moteur ou un générateur) qui transporte du courant alternatif (CA). L'armature conduit du CA même sur les machines à courant continu (CC) via le collecteur (qui inverse périodiquement la direction du courant) ou en raison de la commutation électronique (par exemple, dans un moteur sans balais à courant continu).

L'armature fournit un logement et un support au enroulement d'armature, qui interagit avec le champ magnétique formé dans l'entrefer entre le stator et le rotor. Le stator peut être soit une partie rotative (rotor), soit une partie fixe (stator).

Le terme "armature" a été introduit au 19ème siècle comme un terme technique signifiant "garde d'un aimant".

Comment fonctionne un armature dans un moteur électrique ?

Un moteur électrique transforme l'énergie électrique en énergie mécanique par induction électromagnétique. Cela se produit lorsque un conducteur porteur de courant à l'intérieur d'un champ magnétique est forcé de se déplacer, comme l'explique la règle de la main gauche de Fleming.

Dans un moteur électrique, le stator produit un champ magnétique tournant en utilisant des aimants permanents ou des électroaimants. L'armature, qui est généralement le rotor, porte l'enroulement d'armature qui est connecté au collecteur et aux balais. Le collecteur inverse la direction du courant dans l'enroulement d'armature pendant sa rotation afin qu'il s'aligne toujours avec le champ magnétique.

L'interaction entre le champ magnétique et l'enroulement d'armature génère un couple qui fait tourner l'armature. L'arbre attaché à l'armature transmet la puissance mécanique à d'autres dispositifs.

Comment fonctionne un armature dans un générateur électrique ?

Un générateur électrique convertit l'énergie mécanique en énergie électrique en utilisant le principe de l'induction électromagnétique. Lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ magnétique, il induit une force électromotrice (FEM) selon la loi de Faraday.

Dans un générateur électrique, l'armature est généralement le rotor qui est entraîné par un moteur principal, tel qu'un moteur diesel ou une turbine. L'armature porte l'enroulement d'armature qui est connecté au collecteur et aux balais. Le stator produit un champ magnétique stationnaire en utilisant des aimants permanents ou des électroaimants.

Le mouvement relatif entre le champ magnétique et l'enroulement d'armature induit une FEM dans l'enroulement d'armature, ce qui entraîne un courant électrique à travers le circuit externe. Le collecteur inverse la direction du courant dans l'enroulement d'armature pendant sa rotation afin de produire un courant alternatif (CA).

Composants et diagramme de l'armature

L'armature est composée de quatre composants essentiels : le noyau, l'enroulement, le collecteur et l'arbre. Voici un diagramme illustrant ces parties.

Pertes de l'armature

L'armature dans les machines électriques subit plusieurs pertes, diminuant son efficacité et ses performances. Ces pertes incluent :

• Perte cuivre : Il s'agit de la perte de puissance due à la résistance de l'enroulement d'armature. Elle est proportionnelle au carré du courant d'armature et peut être réduite en utilisant des fils plus épais ou des chemins parallèles. La perte cuivre peut être calculée en utilisant la formule :

où Pc est la perte cuivre, Ia est le courant d'armature, et Ra est la résistance d'armature.

Perte par courants de Foucault : Il s'agit de la perte de puissance due aux courants induits dans le noyau de l'armature. Ces courants sont causés par la variation du flux magnétique et produisent de la chaleur et des pertes magnétiques. La perte par courants de Foucault peut être réduite en utilisant des matériaux de noyau laminés ou en augmentant l'entrefer. La perte par courants de Foucault peut être calculée en utilisant la formule :

où Pe est la perte par courants de Foucault, ke est une constante dépendant du matériau et de la forme du noyau, Bm est la densité de flux maximale, f est la fréquence de renversement du flux, t est l'épaisseur de chaque lamelle, et V est le volume du noyau.

• Perte par hystérésis : Il s'agit de la perte de puissance due à la magnétisation et à la démagnétisation répétées du noyau de l'armature. Ce processus provoque des frottements et de la chaleur dans la structure moléculaire du matériau du noyau. La perte par hystérésis peut être réduite en utilisant des matériaux magnétiques doux à faible coercivité et haute perméabilité. La perte par hystérésis peut être calculée en utilisant la formule :

où Ph est la perte par hystérésis, kh est une constante dépendant du matériau du noyau, Bm est la densité de flux maximale, f est la fréquence de renversement du flux, et V est le volume du noyau.

La perte totale de l'armature peut être obtenue en additionnant ces trois pertes :

L'efficacité de l'armature peut être définie comme le rapport de la puissance de sortie à la puissance d'entrée de l'armature :

où ηa est l'efficacité de l'armature, Po est la puissance de sortie, et Pi est la puissance d'entrée de l'armature.

Conception de l'armature

La conception de l'armature est cruciale pour la performance et l'efficacité de la machine électrique, influencée par plusieurs facteurs clés :

• Le nombre de fentes : Les fentes sont utilisées pour accueillir l'enroulement d'armature et fournir un support mécanique. Le nombre de fentes dépend du type d'enroulement, du nombre de pôles et de la taille de la machine. Généralement, plus de fentes entraînent une meilleure distribution du flux et du courant, une réactance et des pertes plus faibles, et un couple plus lisse. Cependant, plus de fentes augmentent également le poids et le coût de l'armature, réduisent l'espace pour l'isolation et le refroidissement, et augmentent le flux de fuite et la réaction de l'armature.

• La forme des fentes : Les fentes peuvent être ouvertes ou fermées, selon qu'elles sont exposées à l'entrefer ou non. Les fentes ouvertes sont plus faciles à enrouler et à refroidir, mais elles augmentent la réticence et le flux de fuite dans l'entrefer. Les fentes fermées sont plus difficiles à enrouler et à refroidir, mais elles réduisent la réticence et le flux de fuite dans l'entrefer.

• Le type d'enroulement : L'enroulement peut être enroulé en lap ou en onde, selon la façon dont les bobines sont connectées aux segments du collecteur. L'enroulement en lap est adapté aux machines à haut courant et basse tension, car il fournit plusieurs chemins parallèles pour le flux de courant. L'enroulement en onde est adapté aux machines à faible courant et haute tension, car il fournit une connexion en série des bobines et ajoute les tensions.

• La taille du conducteur : Le conducteur est utilisé pour transporter le courant dans l'enroulement d'armature. La taille du conducteur dépend de la densité de courant, qui est le rapport du courant à la section transversale. Une densité de courant plus élevée entraîne une perte cuivre et une élévation de température plus importantes, mais un coût et un poids de conducteur plus faibles. Une densité de courant plus faible entraîne une perte cuivre et une élévation de température plus faibles, mais un coût et un poids de conducteur plus importants.

• La longueur de l'entrefer : L'entrefer est la distance entre les pôles du stator et du rotor. La longueur de l'entrefer affecte la densité de flux, la réticence, le flux de fuite et la réaction de l'armature dans la machine. Un entrefer plus petit entraîne une densité de flux plus élevée, une réticence plus faible, un flux de fuite plus faible et une réaction de l'armature plus importante. Un entrefer plus grand entraîne une densité de flux plus faible, une réticence plus élevée, un flux de fuite plus important et une réaction de l'armature plus faible.