ELEC 2753 Electrotechnique (travaux pratiques)

Nous nous limiterons à l'étude des machines DC comportant un grand nombre de lames de collecteur.
En régime, le champ magnétique de ces machines est pratiquement constant. On pourrait donc les classer parmi les machines à champ tournant, car on peut décrire l'essentiel de leur comportement dans le cadre d'un modèle qui suppose que, en régime permanent, le champ magnétique présent dans la machine

• est une fonction périodique de la coordonnée angulaire (on suppose ici que l'on a affaire à une machine rotative),
• reste constant, à une rotation d'ensemble près.

La périodicité du champ est de 360°/p , où p est un nombre entier appelé "nombre de paires de pôles".

De fait, les machines DC présentent de fortes analogies avec les machines synchrones

• Comme les machines synchrones, elles présentent un inducteur, fixe par rapport au champ, qui comporte soit un enroulement parcouru par un courant continu, soit des aimants permanents ;
• Comme les machines synchrones, elles comportent un induit formé de plusieurs enroulements (que l'on appelle "sections" dans ce contexte) et qui sont le siège de tensions et de courants alternatifs.

Le fonctionnement de l'induit est cependant différent de celui d'une machine synchrone. Cela provient de ce que l'induit est relié à un circuit extérieur à courant continu. Pour que ce soit possible, l'induit est muni d'un dispositif nommé "collecteur", formé de lames conductrices et de balais, qui assure l'adaptation des grandeurs alternatives internes à l'induit aux grandeurs DC du circuit extérieur. Le collecteur est en quelque sorte un "convertisseur AC-DC" dont le fonctionnement repose sur l'établissement et la rupture, selon un cycle approprié, de contacts électriques entre les lames du collecteur et les balais.

Contrairement à ce qui se passe dans les machines synchrones, la constance du champ ne provient pas de la superposition de grandeurs sinusoïdales, mais du nombre élevé des sections et des lames de collecteur auxquelles ces sections sont reliées. Il n'est dès lors plus utile de rendre les grandeurs internes à l'induit sinusoïdales. Les répartitions spatiales de conducteurs et de champ magnétique ne sont pas non plus sinusoïdales.

Pour que le collecteur puisse remplir son rôle, il faut que les lames de collecteur tournent, par rapport aux balais, à la même vitesse que le rotor. Ceci est obtenu dans les machines classiques en laissant les balais fixes (ce qui est la solution la plus simple puisque ces balais doivent être connectés au circuit extérieur) et en plaçant l'induit (sections et lames de collecteur) au rotor.

Ainsi donc, dans une machine DC classique, la configuration est à l'opposé de celle d'une machine synchrone ordinaire, puisque

• L'induit se trouve au rotor ;
• L'inducteur se trouve au stator.

Le champ magnétique d'une machine DC classique est donc immobile.

On remarque aussi que c'est l'enroulement qui échange le plus de puissance avec l'extérieur (l'induit) qui se trouve au rotor, ce qui entraîne un dimensionnement plus grand du dispositif (le collecteur dans le cas des machines DC) qui réalise les contacts électriques entre le rotor et le circuit extérieur (Cet inconvénient disparaît dans le cas des machines à collecteur électronique, dont l'induit peut être placé au stator comme dans le cas des machines synchrones).

Nous allons examiner à l'aide de quelques exercices les implications de cette structure.

Exercice proposé S07-1 : Structure des sections.

Exercice proposé S07-2 : Lien entre les nombres de pôles et de sections.

Exercice proposé S07-3 : Rotor universel.

Exercice proposé S07-4 : Structure du stator.

Les sections rotoriques (induit) sont le siège de flux alternatifs, et donc aussi de tensions induites alternatives, dont la fréquence est égale au produit du nombre de paires de pôles p de la machine par la vitesse de l'induit (il n'est plus nécessaire de préciser par rapport au champ magnétique puisque celui-ci est fixe).

Par contre, le circuit statorique (inducteur) est le siège d'un flux magnétique constant en régime. Il n'y a donc pas de tension induite dans ce circuit.

Exercice proposé S07-5 : Estimation de la tension statorique.

Dernière mise à jour le 26-03-2003