ELEC 2753 : Électrotechnique
Semaine 11 : moteurs pas-à-pas
Guidance

Compte tenu de la grande diversité des structures possibles, la classification des moteurs pas à pas est difficile. Un critère objectif basé sur le comportement externe a été présenté plus haut. Du point de vue du comportement externe, l'angle de pas naturel (ou le nombre de pas par tour) est un autre aspect important. L'existence d'un couplage magnétique entre les phases a aussi une importance pour la conduite du moteur.

Ces critères correspondent souvent à des différences de structure interne que nous allons survoler dans cette section. Le lecteur gardera à l'esprit que certaines de ces structures peuvent être protégées par un brevet.

Le moteur décrit à la figure 7.3 du livre comporte une seule saillance magnétique par bobine. Comme le nombre de bobines est limité, pour des raisons énergétiques (les bobines de petite section ont une efficacité moindre) et pour des raisons constructives, il en est alors de même du nombre de saillances. Chaque saillance occupe alors une fraction importante de l'espace disponible ; on parle dans ce cas de moteur "à grosses dents".

Pour augmenter le nombre naturel de pas par tour sans augmenter le nombre de bobines, on utilise des saillances statoriques dentées. Le paragraphe 7.3.2. (figure 7.12) du livre donne un exemple de moteur "à petites dents".

Dans cet exemple, quand on alimente les bobines 1 et 1', les dents rotoriques tendent à s'aligner avec les dents statoriques associées à ces bobines. Quand on alimente les bobines 2 et 2', les dents rotoriques situées à proximité des dents relatives à ces bobines tendent à s'aligner sur ces dernières, ce qui produit une rotation d'un tiers du pas dentaire rotorique. Comme le rotor comporte 16 dents, on en déduit que le pas naturel est de

D q_mn = 360° / 16 / 3

ou que le nombre de pas naturels par tour est de 16 * 3 = 48 .

On parle de moteur "vernier" lorsque le dentelage est fin (nombre de pas naturel élevé).

La distinction concerne en fait la façon dont le flux magnétique circule entre deux traversées de l'entrefer. Il serait donc plus correct de parler de fermeture de flux plutôt que de flux, ce qui est fait au paragraphe 7.3.3. du livre. L'abus de langage commis en parlant d'enroulement ou même de machine à flux transversal est cependant fréquent et nous le commettrons dans la suite de ce texte.

La distinction peut être faite indépendamment pour le rotor et le stator, ce qui conduit à quatre classes de machines et non deux.

Les moteurs représentés aux figures 7.3 et 7.12 du livre sont des moteurs à flux longitudinal, en ce sens que les flux magnétiques des différentes phases, après traversée de l'entrefer, peuvent passer d'un pôle à l'autre en suivant une direction parallèle à la direction du mouvement (que nous désignerons dans cette section comme la direction longitudinale). Les flux n'y empruntent jamais la direction transversale (que nous définissons dans cette section comme la direction perpendiculaire à la direction longitudinale et à la normale à l'entrefer). On peut donc dire que les lignes de flux magnétique restent disposées dans un seul plan (défini par la normale à l'entrefer et la direction longitudinale).

Cette disposition constructive permet aux flux des différentes phases d'emprunter la même couronne magnétique, aussi bien au stator qu'au rotor, pour passer d'un pôle à l'autre. Les moteurs pas à pas à flux longitudinal sont donc souvent appelés moteurs à circuit magnétique simple.

Par contre, puisque la production de champ magnétique suppose que les conducteurs traversent le plan des lignes de flux, les enroulements comportent alors entre chaque couple de pôles (dentelés ou non) successif des conducteurs "perpendiculaires" au plan des lignes de flux. Ces conducteurs sont appelés "conducteurs actifs" par opposition aux conducteurs "passifs" (têtes de bobines) qui assurent la liaison entre les conducteurs actifs. Cette disposition conduit à munir chaque pôle d'une bobine. Les moteurs pas à pas à flux longitudinal sont donc aussi souvent appelés moteurs à enroulement réparti .

On parle d'enroulement à flux transversal lorsque le flux emprunte pour passer d'un pôle au pôle de nom contraire la direction transversale. Ce cas autorise une plus grande variété de structures. En utilisant un flux transversal aussi bien au rotor qu'au stator, on peut disposer les pôles de nom contraire sur deux entrefers distincts, comme le montre la figure 7.13 du livre. Dans ce paragraphe, on parle de fermeture axiale du flux plutôt que de fermeture transversale, ce qui est correct dans le cas de l'exemple qui y est considéré mais ne se généralise pas à certaines variantes géométriques rencontrées en pratique (à savoir les machines discoïdes et les machines linéaires à entrefer plan).

Le fait d'utiliser une structure à flux transversal augmente le volume des noyaux magnétiques. En revanche, les enroulements peuvent prendre la forme de bobines circulaires, ce qui simplifie leur construction, améliore leur qualité (on peut par exemple utiliser des conducteurs plats au lieu de conducteurs ronds) et leur fiabilité (enroulements plus simples et mieux protégés par le noyau magnétique). De plus, une seule bobine peut alimenter plusieurs paires de pôles. Pour cette raison, les moteurs pas à pas à flux transversal sont souvent appelés moteurs à enroulement centralisé.

Malheureusement, dans le cas d'un enroulement centralisé, il est pratiquement impossible de munir la structure de plusieurs phases, car cela entraînerait une imbrication de noyaux magnétiques de formes complexes, donc peu efficaces. Pour obtenir un moteur polyphasé à enroulements centralisés, on est dès lors amené à juxtaposer plusieurs moteurs monophasés (galettes) sur le même axe. Ces moteurs sont dès lors appelés moteurs à circuit magnétique multiple ou multicircuits, comme celui représenté à la figure 7.14. du livre.

Nous allons examiner successivement des structures relatives

- aux moteurs à réluctance pure (sans aimants) ;

- aux moteurs hybrides ;

- aux moteurs à comportement électrodynamique.

Les moteurs purement réluctants, comme ceux décrits aux figures 7.3 , 7.12 et 7.13 du livre, sont ceux qui ne comportent pas d'aimants. Le moteur synchrone sans aimant permanent à rotor non bobiné (chapitre 5) peut être considéré comme le prototype des machines de ce type.

Pour obtenir de bonnes performances de ces machines, il faut impérativement les réaliser avec un entrefer très petit (de l'ordre de la fraction de mm). Il faut donc apporter un soin tout particulier à la réalisation mécanique (précision de l'usinage, paliers à jeu réduit...). Cette condition impose pratiquement l'utilisation de noyaux magnétiques massifs, donc sujets à des courants de Foucault.

Pour un démarrage aisé, il est nécessaire de disposer d'au moins trois phases. En effet, dans le cas d'un moteur diphasé à réluctance variable, il existe toujours des positions pour lesquelles le couple est nul ou mal orienté quelle que soit la phase alimentée. Des structures diphasées ou même monophasées sont cependant possibles (figure S11.38) si le problème du démarrage est résolu de façon mécanique (dispositif auxiliaire de lancement) ou électrique (introduction d'une dissymétrie au niveau des courants de Foucault).

Figure S11.38 - Exemple de moteur monophasé à réluctance pure. Alimenté en 50 Hz, ce moteur tourne à 4 t/s .

Dans le cas des machines à enroulement réparti, une dissymétrie constructive entre les différentes phases est parfois utilisée, soit pour obtenir un nombre de pas spécial, soit pour obtenir un nombre de pas donné avec moins de phases ou de plots, ce qui est important du point de vue de la simplicité constructive et d'utilisation. Ainsi, les nombres de pas naturels 90 et 180 peuvent être obtenus à l'aide de machines pentaphasées symétriques (figure S11.39), mais aussi à l'aide de machines triphasées dissymétriques (figure S11.40).

La plupart des moteurs à réluctance pure peuvent être alimentés de façon unipolaire avec dans chacun des plots statoriques un flux magnétique dont le sens est invariable.

Il est alors naturel, du moins pour de petits moteurs, d'introduire dans la structure des aimants permanents pour renforcer l'action des enroulements. Le rotor, par contre, pourra rester purement réluctant.

Les moteurs ayant cette structure sont appelés moteurs hybrides.

Comme tous les moteurs à aimant, les moteurs hybrides sont affectés d'un couple de crantage.

Les phases non alimentées restent le siège d'un flux magnétique et produisent donc un couple indésirable (le plus souvent orienté dans le mauvais sens). La réduction du couple total qui en résulte est cependant compensée, et au-delà, par l'augmentation du couple associé à la phase alimentée, car le couple est une fonction quadratique du champ magnétique.

Le gain de couple est moins important que ce que l'on pourrait estimer sur base du raisonnement ci-dessus car, comme les aimants permanents ont une perméabilité magnétique relativement faible (inférieure à 10, et même proche de l'unité pour les aimants à haute performance), la réluctance des circuits magnétiques augmente et le courant des phases a une efficacité réduite pour l'obtention du champ magnétique.

L'augmentation de réluctance du circuit magnétique, bien que défavorable en soi, a cependant un effet heureux sur les contraintes constructives. La réluctance d'entrefer étant moins critique, on peut sans trop pénaliser les performances utiliser un entrefer plus épais, ce qui réduit les problèmes mécaniques.

La structure hybride décrite ci-dessus ne convient en principe pas aux enroulements bipolaires, car l'effet des aimants serait alors bénéfique pendant une alternance mais nuisible pendant l'autre. En pratique, il est cependant fréquent de connecter en série des enroulements jouant des rôles opposés (ce qui suppose un nombre pair de phases) de façon à obtenir un enroulement bipolaire : on réduit ainsi le nombre de circuits indépendants et les plots qui sont mal orientés pendant une alternance fournissent malgré tout un effet utile (réduit, bien que ces plots aient la même consommation électrique que les autres). Une façon d'obtenir le même effet tout en réduisant la résistance ohmique du bobinage, donc la consommation électrique, consiste à réaliser des enroulements qui encerclent deux plots voisins, mais jouant des rôles opposés.

Beaucoup de moteurs hybrides sont à aimant centralisé. La technique de centralisation qui s'applique dans ce cas est identique à celle qui a été utilisée pour l'induit de la figure 7.13 du livre : le même aimant alimente deux galettes, chacune ne possédant que les pôles d'un même nom.

La figure S11.41 donne un exemple de moteur hybride à aimant centralisé.

Figure S11.41 : Exemple de moteur pas à pas hybride à aimant centralisé.

Comme dans le cas des moteurs à réluctance pure, la technique des plots dentelés permet d'obtenir de très grands nombres de pas.

Parmi les structures à réluctance pure examinées précédemment, il en est dont les dents rotoriques peuvent rester polarisées dans le même sens à chaque étape du mouvement (ce résultat n'est obtenu que si on alimente les enroulements de l'induit avec une polarité convenable, en général bipolaire). Dans ce cas, les flux magnétiques seront renforcés si l'on remplace chaque dent rotorique par un aimant permanent de polarité convenable (la même pour toutes les dents). Les encoches situées entre les pôles peuvent être remplacées par des aimants magnétisés dans la direction opposée des précédents.

Le moteur synchrone à aimant permanent (cf. section 5.2), peut être considéré comme le prototype des machines de ce type. C'est d'ailleurs ce moteur que nous avons utilisé pour introduire ce chapitre (figure 7.1 du livre).

Comme les moteurs hybrides, les moteurs pas à pas électrodynamiques sont affectés d'un couple de crantage. Les effets des aimants y sont encore plus prononcés, de sorte que les tolérances dimensionnelles sont moins critiques.

a) triphasée

b) monophasée à induit déporté (magnéto de vélo)

c) diphasée "tin can"

d) machine à pôles dentelés

Figure 7.42 - Exemples de moteurs pas à pas électrodynamiques

La figure S11.42 indique quelques structures de moteur électrodynamique. Le moteur de la figure S11.42a correspond à la figure 7.1 du livre. Les moteurs des figures S11.42b et S11.42c sont des machines à induit centralisé, qui ont pu être obtenues grâce à une technique en principe applicable aussi aux machines à réluctance pure, mais qui n'est pas mise en pratique pour ces dernières du fait de leurs tolérances dimensionnelles plus serrées. La machine S11.42d, au contraire, est un moteur à induit centralisé obtenu par la même technique que celle de la figure 7.13 du livre (fermeture transversale du flux).

Le rotor des machines ainsi obtenues est cependant moins robuste que celui des machines à réluctance pure, car les aimants de bonne qualité sont souvent des matériaux fragiles. En outre, il s'agit souvent d'un assemblage de plusieurs pièces.

On peut réaliser le rotor en une seule pièce en utilisant un matériau dur que l'on aimante de façon à réaliser le nombre de pôles voulu, mais les résultats sont moins bons magnétiquement à cause de la difficulté de réaliser une aimantation non uniforme et du fait que les aimants qui n'ont pas de direction d'aimantation privilégiée sont en général de moins bonne qualité.

Une autre façon de rendre le rotor plus robuste consiste à le réaliser sous la forme d'un inducteur centralisé : un seul aimant alimente tous les pôles.

Pour le type de machine examiné ici, la technique permettant de réaliser un inducteur centralisé est similaire à celle ("tin can") présentée pour l'induit à la figure S11.42c. La figure S11.43 décrit cette technique.

Figure S11.43 : inducteur à aimant centralisé

Il est facile d'étendre cette technique au cas d'une machine à plusieurs galettes. Les pièces polaires en contact peuvent alors être formées d'une seule pièce massive, ce qui rend l'ensemble encore plus robuste.

En combinant l'inducteur de la figure S11.43 avec l'induit de la figure S11.42, on obtient une machine dont l'induit et l'inducteur sont tous deux centralisés.

Dans le cas des machines à plots dentelés, une autre technique permettant de rendre le rotor plus robuste consiste à permuter les plots statoriques et les aimants rotoriques. La figure S11.42d conduit ainsi à celle de la figure S11.44. On remarque que le rotor est alors une pièce massive sans aimants, comme dans le cas des machines à réluctance variable pure.

Figure S11.44 : exemple de machine à aimants statoriques

Même lorsque les aimants ne sont pas centralisés, il est souhaitable que chaque aimant alimente plusieurs plots jouant des rôles opposés. De cette façon, le flux qui traverse l'aimant varie moins au cours du fonctionnement de la machine, ce qui protège l'aimant et évite des pertes magnétiques d'énergie inutiles. On parle souvent dans ce cas de machines à orientation de flux, ou encore de machines à flux oscillant. La figure S11.45 en donne un exemple.

Figure S11.45 : exemples de machines à flux oscillant

Enfin, notons qu'il existe des moteurs pas à pas monophasés de type électrodynamique. Dans ces moteurs, une dissymétrie est introduite entre l'axe magnétique du bobinage et les saillances magnétiques. La figure S11.46 en donne un exemple.

Dernière mise à jour le 19-04-2008