Évolution des moteurs
à courant continu en traction
07/01/2001  Pascal DEREUMAUX 
Liste des cours

    Dans un moteur, les forces qui s'exercent à la périphérie de l'induit sont proportionnelles à l'intensité dans les conducteurs de l'induit et à la valeur de l'induction dans l'entrefer. L'intensité fixe les dimensions du cuivre du bobinage, tandis que le flux fixe les sections de fer. Le couple à l'arbre (produit de la force exercée à la périphérie de l'induit par le rayon) dépend donc, presque en totalité, des dimensions géométriques du moteur.

La F.E.M. de la machine est: équation

avec:
N : nombre de conducteurs actifs
F  : flux moyen sous un pôle
n : vitesse en tr / s
2 . a : nombre de voies d'enroulement
2 . p : nombre de paires de pôles

 

La puissance transformée par la machine est: équation

 

et l'expression du flux moyen : équation

avec:
B : induction sous un pôle (tesla)
D : diamètre de l'induit
S : surface d'un pôle
t  : arc polaire
L : longueur de l'induit
b  : rapport arc polaire / distance polaire

 

Si on introduit A = densité périphérique de charge en ampères-conducteurs par m:

équation

équation avec: équation : courant dans un conducteur actif d'où: équation


et: équation


L'expression générale de la puissance d'un moteur est donc donnée par la formule :

équation

avec:


B dépend de la puissance de la machine (P > 500 kW ,B ~ 1 tesla).
b est de l'ordre de 0,5 à 0,75 selon que les machines sont munies ou non de pôles auxiliaires.
A est de l'ordre de 25000 à 65000 Af / m pour les machines avec pôles de commutation et enroulement de compensation.

On peut considérer l'induction moyenne B dans l'entrefer et le rendement comme des constantes. Il existe donc trois possibilités pour augmenter la puissance :

Nous allons voir comment chacune de ces possibilités permet d'accroître la puissance spécifique.



 1. Augmentation de la vitesse (Terme n) 

    La vitesse de rotation maximale du moteur est fixée par les diamètres de l'induit, du collecteur et par les considérations mécaniques : diamètre des roues de la locomotive et rapport d'engrenages. L'augmentation de cette vitesse est en grande partie limitée par les considérations d'ordre mécanique : résistance du rotor, du collecteur, des frettes. Les vitesses périphériques maximales d'induit pratiquées sont de l'ordre de 80 m/sec, et 55m/sec au collecteur. La connaissance de la vitesse permet de choisir le rapport de réduction, celle du couple permet de définir les dimensions des dentures.


 2. Augmentation des dimensions (Terme D²L) 

    Pour un type donné de locomotive, les limites d'encombrement du moteur sont imposées. Par exemple, dans le cas d'une locomotive BB à bogies monomoteur avec un empattement de 2,8m, on peut loger un moteur dont les dimensions maximales sont :

Si le diamètre augmente, le moment d'inertie augmente aussi. C'est le diamètre qui offre le plus de possibilité, d'autant qu'il intervient au carré. La locomotive BB 15000 est équipé d'un moteur dont le diamètre d'induit est de 1,18m.


 3. Augmentation de la charge linéique (Terme A) 

    La valeur de A (ampères-conducteurs par mètre de longueur à la périphérie de l'induit), dépend du diamètre de l'induit. Pour un moteur de diamètre donné et pour lequel le nombre de conducteurs d'induit se trouve également fixé, il n'y a qu'une possibilité pour augmenter A: augmenter l'intensité absorbée par le moteur. Ainsi la densité de courant dans les conducteurs et notamment dans les conducteurs d'induit se trouve augmentée. L'augmentation de A entraîne une augmentation des pertes: il faut donc améliorer la qualité des isolants (car la température augmente) et la qualité de la ventilation. On introduit souvent le paramètre A . d , produit de la charge linéique par la densité de courant. Ce produit, proportionnel aux pertes Joule rapportées à la surface de l'entrefer, caractérise, du point de vue calorifique, la charge de cuivre de l'induit. Les valeurs de A . d adoptées pour les moteurs de traction sont de plus en plus élevées ce qui implique :


 4. Évolution des pertes 

Le rendement, voisin de 0,95 pour les moteurs de traction, provient pour une part importante du fait que la classe d'isolation H permet de faire travailler le cuivre à température plus élevée, alors que les pertes Joule augmentent moins vite que la puissance. Les pertes à évacuer sur les moteurs modernes sont très importantes. A titre indicatif, pour un moteur de puissance 1500 kW les pertes s'élèvent à 120 kW !

On trouve ci-dessous les ordres de grandeur relatifs des pertes pour ce moteur, isolation classe H au régime continu :

Pertes frottements, paliers, etc.
4,75 %
Pertes dans le fer
14,25 %
Pertes Joule R.I ²
62 %
Pertes par chute de tension aux balais
3 %
Autres pertes
16 %
Total
100 %

    Il faut cependant noter que la répartition des pertes est différente suivant le régime du moteur. Au démarrage, à basse vitesse et forte intensité, les pertes cuivre sont voisines de 90 %, alors qu'à grande vitesse et faible intensité, les pertes fer et les pertes mécaniques atteignent 40 %.


 5. Conception électromagnétique 

    La méthode des éléments finis (FEM) pour le dimensionnement électromagnétique permet des calculs beaucoup plus précis que ceux effectués avec des programmes de calculs usuels. On peut déterminer la distribution de l'induction, ce qui permet d'optimiser les sections magnétiques. La répartition de la tension par spire, qui peut être également déterminée à partir du calcul du champ, renseigne sur la configuration du champ dans l'entrefer. A l'aide de ces calculs, on peut optimiser la répartition du champ nécessaire dans la zone de discontinuité magnétique des pôles principaux pour assurer une commutation impeccable. La vérification par des mesures pratiques illustre la justesse des calculs préalables.

  W3C W3C W3C