Circuits magnétiques des machines 23/02/2002  Patrick ABATI 
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Machines ŕ courant continu
Transformateurs
Machines asynchrones
Machines synchrones


 Machines à courant continu 
    Le rôle du circuit magnétique est de canaliser le flux produit par les enroulements inducteurs supportés par les pôles principaux (stator), de façon à ce qu'il englobe un maximum de conducteurs de l'induit (rotor).

mcc

    Le rotor tourne dans un champ magnétique fixe: il doit être feuilleté pour limiter les pertes par hystérésis et courants de Foucault (tôles en acier au silicium, isolées les unes des autres).

rotor tôle

 
    Lors de la rotation de l'induit, les lignes de champ, qui ont tendance à se concentrer dans les dents (entrefer minimal), se déplacent autour d'une position moyenne: papillotement.

dents

    L'épanouissement polaire est le siège de courants de Foucault. Pour limiter leur action, il faut le feuilleter. Il est souvent plus économique de feuilleter l'ensemble du pôle. La carcasse est généralement en acier moulé.

épanouissement

Réaction d'induit:

réaction d'induit

    Il y a distorsion des lignes de champ dans le sens de la rotation du rotor et les variations de l'induction sont importantes, certaines parties de l'épanouissement polaire étant saturées, d'autres démagnétisées. Il y a une mauvaise répartition des différences de potentiel entre les lames du collecteur: risque d'arc. La f.e.m. diminue.

    Pour remédier à ce problème, un enroulement compensateur est placé dans des encoches de l'épanouissement polaire. Il est traversé par le courant d'induit. Les ampère-tours qu'il produit compensent ceux de la réaction d'induit et ceci pour toute valeur de la charge.

compensation

Commutation:

commutation

    La section d'enroulement reliée aux lames 4 et 5 du collecteur voit son courant s'inverser rapidement entre les phases 1 et 3. Lorsque la lame 4 quitte le balai, il y a naissance d'un arc (ouverture d'un circuit inductif) qui doit s'éteindre avant que la lame 5 ne quitte elle-même le balai, sous peine de s'étendre progressivement à toutes les lames du collecteur (court-circuit).

    L'amélioration de la commutation se fait en neutralisant la f.e.m. de commutation:
- par décalage des balais dans le sens de la rotation, avec pour inconvénients le sens de rotation et le mode de fonctionnement (moteur ou génératrice) imposés,
- par l'emploi de pôles auxiliaires de commutation, en série avec l'induit.

auxiliaires

    Les pôles auxiliaires doivent agir sur une zone limitée de l'induit: leur noyau est toujours étroit. L'entrefer est plus important qu'au niveau des pôles principaux. L'induction étant faible, le noyau peut être massif, en acier moulé, sans risque d'échauffement.


Cas particulier: moteur à entrefer plan (Axem).
    Le champ magnétique est axial (et non radial comme dans les machines ordinaires), le courant circule suivant le rayon du disque (et non parallèlement à l'axe de rotation).
    Il n'y a pas de réaction magnétique d'induit et la commutation est bonne. L'augmentation de l'entrefer lors d'un démontage entraîne une désaimantation importante.

plan

 

 Transformateurs 
    Le circuit magnétique d'un transformateur permet de canaliser le flux produit par l'enroulement primaire. Pour réduire l'échauffement par courant de Foucault, il est formé de tôles parallèles à la direction du flux et isolées les unes des autres (circuit magnétique feuilleté). Les tôles sont laminées à froid (tôles à cristaux orientés) et présentent une direction privilégiée du flux, dans le sens du laminage.

transfo

mono  

tri

 
    Le noyau (colonne) porte les bobinages qui sont circulaires de façon à mieux résister aux efforts électrodynamiques. La section du noyau doit donc s'inscrire dans un cercle, l'encombrement minimal étant obtenu pour une section circulaire.

noyau

    La culasse ne porte pas de bobines. Sa section est généralement plus simple que celle du noyau.


Les joints:
    Le problème est de raccorder les noyaux sur les culasses, au moyen d'un joint aussi simple que possible, avec des pertes minimales.
    Le joint plan facilite le montage et le démontage des bobinages. Les parties des noyaux et culasse à assembler sont usinées. Un joint isolant est nécessaire pour éviter les courts-circuits magnétiques.

joint

    Le joint enchevêtré est la solution classique. Le montage est fait tôle par tôle. Les qualités magnétiques du joint sont meilleures.

enchevêtré

    La qualité du joint peut être encore améliorée par les coupes obliques à 45° permettant une meilleure circulation du flux dans le sens du laminage.

oblique

 

 Machines asynchrones 
    Le stator est alimenté par des tensions triphasées de fréquence f. Il produit un champ tournant de fréquence de rotation f/p (p: nombre de paires de pôles statoriques) et doit donc être feuilleté. L'enroulement rotorique est fermé sur lui-même. Il est traversé par les seuls courants de Foucault induits par la rotation du champ statorique. Le rotor tourne moins vite que le champ tournant: il est placé dans un champ tournant par rapport à lui-même et doit être feuilleté. Stator et rotor sont constitués de tôles empilées, en acier au silicium, laminées à chaud, isolées les unes des autres.

mas

    Afin d'éviter les "points morts" et de régulariser le couple, le nombre de dents rotoriques est choisi différent de celui du stator et ses encoches sont inclinées (montage des tôles sur un mandrin avec jonc hélicoïdal).

rotor

    Le rotor bobiné présente un couple de démarrage élevé avec un appel de courant réduit.

    Le moteur à double cage arrive à concilier la simplicité et la robustesse du moteur à cage et les qualités du rotor bobiné.
    Le rotor possède deux cages concentriques:
- la cage externe, de grande résistance (barres de laiton),
- la cage interne, en cuivre, plus inductive parce qu'entourée de fer.
    Au démarrage, la fréquence des courants rotoriques est élevée. La grande réactance de la cage interne, combinée à l'effet pelliculaire, favorise le passage du courant dans la cage externe. A la vitesse nominale, la fréquence rotorique étant faible, seule la cage interne, de faible résistance est active.

double cage

    Le moteur à encoches profondes utilise l'effet pelliculaire. A 50 Hz, l'épaisseur de pénétration dans le cuivre est de 1 cm environ. Quand la vitesse du moteur croît, la fréquence des courants rotoriques diminue, l'épaisseur de pénétration augmente et la résistance de la cage diminue sans aucune intervention extérieure.

encoches profondes

 

 Machines synchrones 
    Le circuit magnétique canalise le flux entre les pôles. Il est constitué de deux parties:
- circuit tournant (rotor), portant les pôles inducteurs, produisant le champ magnétique,
- circuit fixe (stator), portant les bobinages induits.
    Le stator est identique à celui d'une machine asynchrone. Il est soumis à un flux tournant et doit être feuilleté. La partie tournante est alimentée en courant continu et tourne à la même vitesse que le champ statorique. Il n'est donc pas nécessaire de la feuilleter. Pour des raisons économiques, elle est souvent constituée de tôles épaisses.

synchrone

lisse

 

    Dans le cas de l'alternateur, le nombre de pôles est fixé par la vitesse de la turbine qui l'entraîne: (n=60f/p, n vitesse de rotation, f fréquence 50Hz, p paires de pôles)
- turbine à vapeur: la vitesse doit être aussi élevée que possible (3000 tr/mn, machine à pôles lisses, turbo - alternateur 2 pôles),
- turbine hydraulique: la vitesse est fixée par la hauteur de chute d'eau:
    - centrale de haute chute: usine de Villarodin, hauteur de chute 882m, vitesse de rotation des turbines 375 tr/mn, alternateur à pôles saillants 16 pôles.
    - centrale de basse chute : usine de Rhinau, hauteur de chute 50m, vitesse de rotation des turbines 75 tr/mn, alternateur à pôles saillants 80 pôles.

    Une augmentation de la vitesse doit correspondre à une diminution du diamètre, sinon la vitesse tangentielle atteint une valeur telle que le rotor ne résiste pas à l'action de la force centrifuge. Pour une puissance comparable, on trouve des alternateurs de grand diamètre et de faible épaisseur (basse vitesse), ou de faible diamètre et de grande longueur (vitesse élevée). Étant donné que le diamètre du rotor et son nombre de pôles varient dans le même sens, le montage des pôles ne pose pas de problème particulier au niveau de l'encombrement.


Enroulement amortisseur:
    Il intervient chaque fois que le champ tournant subit une variation (variation rapide de la charge, pulsation dans le couple moteur). Des courants induits naissent dans l'amortisseur et produisent un couple qui atténue les oscillations et maintient le synchronisme. Il est constitué de barres de cuivre, logées dans les pôles, parallèlement à l'axe de rotation et réunies entre elles par deux anneaux (cage d'écureuil). Cet enroulement est parfois utilisé pour démarrer un moteur synchrone en asynchrone.

amortisseur

 

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