Electricité
Le moteur universel
Asynchrone
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Le moteur universel est le moteur le plus souvent utilisé pour les petites puissances.
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Moteur universel qui fonctionne également en dynamo
Il est facile d'ajouter un variateur de vitesse au moteur universel.


Moteur de commande des ascenseurs d'un charbonnage.


Moteur avec pôle de compensation en cours-circuit


Moteur à courant continu dans une commande de porte de garage.
Sur la seconde photo on voit les charbons (ou ce qui en reste) et le collecteur.


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Le moteur universel et la dynamo

Le moteur universel est un moteur asynchrone, c'est à dire qu'il n'est pas synchronisé à la fréquence du réseau. Même plus, ce moteur fonctionne également sur du continu (et même mieux: en continu il faut réduire la tension pour éviter qu'il ne s'emballe). Quand le moteur est entrainé, il fonctionne comme dynamo (pratiquement tous les moteurs fonctionnent comme générateur quand ils sont entrainés).

A droite un moteur série de la fin du 18° siècle (3 photos). La construction ne correspond pas encore aux moteurs série universels qu'on trouve dans les petits appareils ménagers. Le moteur a deux bobinages pour créer le champ fixe. Le stator est en fer doux en une pièce (et non en lamelles), ce qui indique que le moteur ne peut fonctionner que sur du continu. Il y avait des réseaux continus en Belgique jusqu'à le seconde guerre mondiale.

La plaque signalétique n'indique pas de fréquence, la tension est de 220V. La puissance est indiquée en chevaux, ce qui était courant à l'époque (PS = Pferdestärke). La vitesse de rotation est la vitesse en charge nominale, car ce type de moteur n'a pas une vitesse de rotation fixe.

Les "charbons" sont en fait des tresses de fil de cuivre. Plus tard on remplacera les tresses de cuivre par des tiges en carbone. Au contact du collecteur (en cuivre), le carbone s'use plus rapidement que le cuivre, ce qui permet de rallonger la durée de vie du collecteur (qui est pratiquement impossible à remplacer). Les tiges de carbone (les charbons) peuvent facilement être remplacés. Dans certaines applications à puissance élevée (par exemple dynamos fournissant de la basse tension), les tiges en carbone ont de fins brins de cuivre pour réduire la résistance. Ces dynamos tournent à basse vitesse pour réduire l'usure.

Le moteur universel se compose d'un rotor et d'un stator bobiné en série. Pour un fonctionnement universel les tôles sont faites de lamelles isolées les unes des autres pour limiter les pertes au fer (courants de Foucault). Ces moteurs peuvent tourner très vite, jusqu'à 25.000 tours/minute.

Le moteur tourne toujours dans le même sens, car quel que soit la polarité, le champ magnétique du rotor et du stator sont toujours dans le même sens (les deux changent en même temps). On peut donc alimenter le moteur en alternatif au lieu du continu (ces moteurs sont normalement conçus pour l'alternatif).

Il n'y a que les moteurs qui ont un aimant permanent dans le stator qui ont un sens de rotation qui dépend de la polarité. L'aimant remplace le champ magnétique produit par l'inducteur. Ce moteur n'est alors plus "universel".

Le moteur universel (pour le courant alternatif) est toujours bobiné en série (inducteur en série avec l'induit). Un moteur shunt a un couple plus constant mais n'est pas utilisé en pratique à cause des étincelles très présentes (déphasage du courant dans le rotor et le stator). Dans un moteur série, le courant est le même dans le stator et le rotor et le problème ne se pose pas.

Différence moteur alimenté en continu ou alternatif

Quand l'alimentation est en continu, le moteur ne doit pas nécessairement être branché en série. Voici les possibilités:
  • Inducteur et induit en parallèle: couple relativement constant et vitesse de rotation stable quel que soit la charge.

  • Branchement compound (inducteur double série et parallèle): couple de démarrage plus élevé mais vitesse moins constante.

  • Excitation indépendante: permet une commande plus précise du moteur, le courant dans l'induit détermine la vitesse de rotation et le courant dans l'inducteur le couple.

  • Branchement anticompound: permet une vitesse très stable quel que soit la charge.
Le stator peut être réalisé en un bloc de métal et non plus réalisé à partir de lamelles isolées puisque le champ statorique est constant. Pour le rotor il faut évidemment toujours utiliser des lamelles, puisque le champs change avec la rotation du moteur.

Avantages du moteur universel

Le moetur universel fonctionne aussi bien avec du continu qu'avec de l'alternatif (il fonctionne mieux sur du continu). Il n'a pas besoin de courant triphasé ou d'un montage déphaseur. Le moteur a un meilleur facteur de puissance qu'un moteur asynchrone.

Le moteur a une puissance plus élevée par unité de poids ou de volume: le moteur peut donc être plus petit pour une puissance donnée. Le couple est maximal à basse vitesse (ce qui est souvent recherché) et le moteur tourne à vitesse très élevée. Le couple décroit assez linéairement avec la vitesse de rotation, ce qui est très interessant pour de nombreuses applications.

Force contre-électromotrice

A l'arrêt, le courant est limité uniquement par la résistance des bobinages. Le couple au démarrage est de ce fait très élevé. L'appel de courant peut donc être très important s'il n'est pas limité dans les gros moteurs. Quand le moteur prend de la vitesse, une force contre-électromotrice apparait dans le rotor (induit), cette tension correspond à la tension que le moteur aurait produit en fonctionnement dynamo. Cette tension est dans le sens contraire à la tension d'alimentation et réduit ainsi le courant, et donc également le couple du moteur.

Comme le courant diminue quand la vitesse augmente, le champ magnétique diminue et la force contre-électromotrice diminue également. Pour avoir une force contre-électromotrice suffisante, le moteur-série doit tourner plus vite pour produire suffisament de force contre-électromotrice, et de plus en plus vite, jusqu'à l'emballement s'il tourne à vide.

Ces moteurs sont caractérisés par un couple de démarrage élevé mais le moteur à tendance à s'emballer à vide. C'est pour cela qu'on monte toujours un petit ventilateur sur l'axe. Ce ventilateur à pales radiales (c'est mal foutu et c'est fait express) oppose un couple qui augmente fortement avec la vitesse de rotation.

A droite: moteur de commande des cages d'un charbonnage.
Ce moteur doit à la fois permettre un mouvement rapide des cages pour remonter le personnel d'une profondeur de mille mètres, mais doit également permettre un positionnement exact des cages pour permettre le déchargement des wagonnets. Ce moteur tourne à 46 tours minutes et le stator et le rotor sont alimentés séparément.

Utilisation

On l'utilise dans les appareils ménagers, du moulin à café à la foreuse, mais également dans les machines à laver où il peut tourner lentement dans les deux sens (lavage) mais également à haute vitesse (essorage).

Ce moteur est également utilisé avec un stator composé d'un aimant permanent pour les petites puissances (alimentation en continu uniquement): commande de porte de garage, commandes mécaniques (ouverture/ferméture de volets), jouets alimentés par piles ou accus, et ceci grâce à sa simplicité de mise en œuvre: il suffit de rabaisser la tension et de la rectifier, le sens de rotation du moteur est déterminé par la polarité. Il est plus difficile de changer le sens de rotation d'un petit moteur asynchrone.

Si on est passé assez rapidement aux moteurs asynchrones pour les applications génériques de puissance supérieure à 1kW (avec éventuellement des systèmes de limitation de l'appel de courant), pour les applications pointues on en est resté aux moteurs universels jusqu'à l'apparition de circuits hacheurs à thyristors (dans les années 1980) qui permettent de varier la vitesse des moteurs asynchrones par changement de la fréquence.

Une utilisation était par exemple la commande d'ascenseurs, la commande précise de machines, le suivi du radar (radar de poursuite), etc. Le moteur était alors souvent associé à une commande Ward Leonard à courant continu. Ces moteurs ont également été utilisés dans les trains à cause de leur fort couple au démarrage.

Points faibles

Le point faible de ce type de moteur est les charbons. Tout le courant doit passer par les charbons, qui appuient fortement sur le collecteur et doivent être remplacés toutes les 500 heures environ (pour vous donner un ordre de grandeur). On peut réduire les parasites de commutation grâce à l'utilisation de petits condensateurs et de selfs sur les cables des charbons.

L'appel de courant est très important lors de la mise en route, souvent plus important que l'appel de courant d'un moteur asynchrone de même puissance. Un système de limitation n'est normalement pas prévu parce que les moteurs ne sont utilisés que pour de basses puissances.

Le moteur produit également un couple variable qui dépend de la position actuelle du rotor et de la fréquence du réseau (ces moteurs sont toujours monophasés et ce réseau produit une pulsation de 100Hz). Ce moteur produit donc plus de vibrations et de bruit qu'un moteur asynchrone.

Ce qu'on sait moins c'est que ces moteurs ont également un moins bon rendement que les moteurs asynchrones (cage d'écureuil) et synchrones.

La raison de ce mauvais rendement est le fait que la réaction d'induit fait se déplacer la ligne neutre selon le courant dans l'induit. Pour réduire les étincelles aux balais et augmenter le rendement, certains moteurs ont des pôles de compensation

  • soit alimentés en série avec l'induit (le fonctionnement est identique aux pôles de compensation des dynamos),

  • soit en cours-circuit, le champ produit dans le bobinage correspond au champ dans l'induit et à cause du cours circuit le champ est déphasé (représentation schématique à droite).
Ce type de moteur n'est plus fabriqué: pour les puissances plus élevées on préfère actuellement les moteurs asynchrones à cage d'écureuil. Les petits moteurs n'ont pas cette compensation et les balais sont calés dans une position moyenne.

Le rendement d'un moteur compensé peut être très bon, mais celui d'un moteur non-compensé est d'environ 30%. Cela veut dire que pour un moteur d'aspirateur de 1000W, environ 700W sont dissipés en chaleur. Il est donc absolument nécessaire que la circulation d'air ne soit pas interrompue!

Moteurs à aimants permanents

Avec l'apparition d'aimants puissants, on trouve de plus en plus de moteurs dont le rotor est remplacé par des aimants permanents. L'avantage d'un tel moteur est que le couple est assez constant et la vitesse de rotation dépend de la tension appliquée.

Ce type de "moteur série" est principalement utilisé là où il n'y a que du continu: le démarreur, le moteur des essuie-glaces, celui des vitres électrique est un moteur de ce type.

Le moteur de porte de garage est également un moteur à aimants permanents. Il permet de modifier le sens de rotation par inversion de la polarité. C'est le système le plus simple pour inverser le sens de la marche. Ces moteurs sont alimentés en 24V redressé.

Comme on utilise des aimants permanents pour le stator, la dénomination "moteur série" n'est plus correcte. Ces moteurs à aimant permanent ne peuvent pas être utilisés avec de l'alternatif, ce qui fait qu'il ne s'agit pas de "moteurs universels" non plus. La dénomination correcte est moteur à courant continu et aimants permanents.

Démarreur

Le démarreur électrique d'un moteur à explosion est en fait un moteur universel alimenté en continu (12 ou 24V). L'inducteur et l'induit sont bobinés en série et il s'agit de très gros fil. Entre chaque lamelle du collecteur, le bobinage ne se compose que d'une spire, voir l'exemple. Entre les deux balais placés à 180° il y a deux fois 10 spires en série.

Le rotor montré ici aurait tout aussi bien pu être celui d'une dynamo: la construction en est pratiquement identique, mais on ne fabrique plus de dynamos, leur rendement étant trop faible en comparaison des alternateurs modernes. C'est la présence d'un gros engrenage typique qui indique qu'il s'agit d'un moteur de démarreur.

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