Machine électrique

Une machine électrique est un système électromécanique donnant la possibilité la conversion d'énergie électrique en travail ou énergie mécanique.



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Différents types de moteurs

Une machine électrique est un système électromécanique donnant la possibilité la conversion d'énergie électrique en travail ou énergie mécanique. La majorité des machines électriques fonctionnent grâce au magnétisme, mais il existe aussi des machines électrostatiques ou utilisant l'effet piézoélectrique.

Les machines électriques produisant une énergie électrique à partir d'une énergie mécanique sont nommées dynamos, alternateurs ou générateurs suivant la technologie utilisée. Les machines électriques produisant une énergie mécanique à partir d'une énergie électrique sont nommées des moteurs. L'ensemble des machines électriques étant réversibles, la distinction moteur/générateur ne se fait que sur l'usage final de la machine. Les moteurs rotatifs produisent un couple par un déplacement angulaire alors que les moteurs linéaires produisent une force par un déplacement linéaire.

Historique

Le schéma de la roue de Barlow

En 1821, après la découverte du phénomène de l'électromagnétisme par le chimiste danois Ørsted, le physicien anglais Michæl Faraday construit deux appareils pour produire ce qu'il nomma une rotation électromagnétique : le mouvement circulaire continu d'une force magnétique autour d'un fil, en fait la démonstration du premier moteur électrique. Le premier brevet no 391968 du moteur électrique actuel, à courant alternatif, est déposé par le physicien d'origine serbe Nikola Tesla en 1887.

En 1822, Peter Barlow construit ce qui peut être reconnu comme le premier moteur électrique de l'histoire : la «roue de Barlow» qui est un simple disque métallique découpé en étoile et dont les extrémités plongent dans un godet contenant du mercure qui assure le passage du courant.

Le premier commutateur utilisable expérimentalement a été découvert en 1832 par William Sturgeon. Le premier moteur a courant continu fabriqué avec l'intention d'être commercialisé a été découvert par Thomas Davenport en 1834 puis breveté en 1837[1]. Ces moteurs n'ont pas connu de développement industriel à cause du coût des batteries à l'époque.

On doit la vérification pratique de la réversibilité des machines électriques au physicien italien Antonio Pacinotti en 1864[2].

En 1869, l'inventeur belge Zénobe Gramme rend envisageable la réalisation des génératrices à courant continu en imaginant le collecteur. Il perfectionne les premières versions archaïques d'alternateurs (1867) et devient célèbre en retrouvant le principe de l'induit en anneau de Pacinotti. En 1871, il présentera à l'Académie des sciences de Paris la première génératrice industrielle de courant continu, qu'on nomma machine de Gramme.

La paternité de la machine asynchrone est controversée entre trois inventeurs : en 1887, le physicien Nikola Tesla dépose un brevet sur la machine asynchrone [3], [4], puis en mai de l'année suivante cinq autres brevets. Au cours de la même période Galileo Ferraris publie des traités sur les machines tournantes, avec une expérimentation en 1885, puis une théorie sur le moteur asynchrone en avril 1888[5]. En 1889, Michail Ossipowitsch Doliwo-Dobrowolski, électricien allemand d'origine russe, invente le premier moteur asynchrone à courant triphasé à cage d'écureuil qui sera construit industriellement à partir de 1891[6].

Machines tournantes

Généralités sur les machines électriques

Machine à courant continu

Article détaillé : Machine à courant continu.
Description de la machine à courant continu
Un petit moteur à courant continu

Comme l'ensemble des machines tournantes, les machines électriques à courant continu sont constituées d'un stator et d'un rotor[7], [8]. Le stator crée une magnétisation longitudinale fixe avec enroulements (inducteur) ou d'aimants permanents[8]. Le rotor est constitué d'un ensemble de bobines reliées à un collecteur rotatif. Le collecteur rotatif sert à maintenir fixe la direction transversale de magnétisation du rotor quand celui ci tourne. Grâce à ce système, les magnétisations, rotorique et statorique, sont toujours décalées de façon optimale (en quadrature) [7], [8]. Ce décalage provoque un couple selon la loi du flux maximum (un pôle nord attire un pôle sud), provoquant ainsi la rotation du rotor.

L'avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens servant à régler ou de faire fluctuer leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse. Ou alors leur raccordement direct à la source d'énergie : batteries d'accumulateurs, piles, etc.

Le principal défaut de la machine à courant continu réside dans la totalité balais/collecteur rotatif qui s'use, est complexe à réaliser et consomme de l'énergie. Un autre problème limite les vitesses d'utilisation élevées de ces moteurs quand le rotor est bobiné, c'est le phénomène de «défrettage», la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage).

Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs «disques» ou les moteurs «cloches», qui néanmoins possèdent toujours des balais.

Les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur brushless, aussi dénommé «moteur à courant continu sans balais», ou moteur sans balais.

Machines à courant alternatif

Pour les applications de faible et moyenne puissance (jusqu'à quelques kilowatts), le réseau monophasé standard suffit. Pour des applications de forte puissance, les moteurs alternatifs sont le plus souvent alimentés par une source de courants polyphasés. Le dispositif généralement utilisé est alors le triphasé (phases décalées de 120°) utilisé par les distributeurs d'électricité.

Ces moteurs alternatifs se déclinent en trois types :

Ces deux dernières machines ne changent que par leur rotor.

Les moteurs universels

Article détaillé : Moteur universel.

Un moteur universel est un moteur électrique fonctionnant sur le même principe qu'une machine à courant continu à excitation série : le rotor est connecté en série avec l'enroulement inducteur. Le couple de cette machine indépendant du sens de circulation du courant est proportionnel au carré de son intensité. Il peut par conséquent être alimenté indifféremment en courant continu ou en courant alternatif, d'où son nom. Pour limiter les courants de Foucault qui apparaissent toujours dans l'ensemble des zones métalliques massives soumises à des champs magnétiques alternatifs, son stator et son rotor sont feuilletés.

Dans la pratique, ces moteurs ont un mauvais rendement, mais un coût de fabrication particulièrement réduit. Leur couple est faible, mais leur vitesse de rotation est importante. Lorsqu'il s sont utilisés dans des systèmes strict un couple important, ils sont associés à un réducteur mécanique.

Ils sont essentiellement utilisés dans l'électroménager, par exemple les aspirateurs, l'outillage électroportatif de faible puissance (jusqu'à à peu près 1 200 W) et de nombreuses applications domestiques. On règle aisément leur vitesse de rotation avec des systèmes électroniques peu coûteux tels que les gradateurs.

Les machines synchrones

Article détaillé : Machine synchrone.
Une génératrice synchrone de 2000 kVA datant de 1920

La machine synchrone est fréquemment utilisée comme génératrice. On l'appelle alors alternateur. Mis à part pour la réalisation de groupe électrogène de faible puissance, cette machine est le plus souvent triphasée. Pour la production d'électricité, les centrales électriques utilisent des alternateurs dont les puissances peuvent avoisiner les 1500 MW.

Comme le nom l'indique, la vitesse de rotation de ces machines est toujours proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent. Ce type de machine est parfois utilisé pour relever le facteur de puissance d'une installation. On nomme celle-ci un compensateur synchrone.

Les machines synchrones sont aussi utilisées dans les dispositifs de traction (tel le TGV). Ces machines sont associées à des onduleurs de courants, ce qui sert à fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle d'autopilotage (asservissement des courants statoriques comparé à la position du rotor).

Les moteurs sans balais
Article détaillé : Moteur sans balais.

Un moteur sans balais, ou «moteur brushless», est un moteur synchrone[9], dont le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et pourvu d'origine d'un capteur de position rotorique (capteur à effet Hall, synchro-résolver, codeur incrémental par exemple). Vu de l'extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation Brushless vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun balais. Par contre un dispositif électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques[10]. Ce système peut être soit intégré au moteur, pour les petites puissances, soit extérieur. Le rôle de la totalité capteur-électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage[11] du moteur c'est-à-dire le maintien de l'orthogonalité[11] du flux magnétique rotorique comparé au flux statorique[11], rôle jadis dévolu à la totalité balais-collecteur sur une machine à courant continu[11].

Les moteurs brushless équipent surtout les disques durs et les graveurs de DVD de nos ordinateurs. Ils sont aussi particulièrement utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères et de voitures mais aussi dans l'industrie, surtout dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique[12].

Les machines asynchrones

Article détaillé : machine asynchrone.
Machine asynchrone 8 kW
Ancien moteur à courant alternatif triphasé asynchrone à bagues, bobiné en anneau au stator, aux environs de 1910.

La machine asynchrone, connue aussi sous le terme «anglo-saxon» de machine à induction, est une machine à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n'est pas nécessairement proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent.

La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu'à l'avènement de l'électronique de puissance. On la retrouve actuellement dans de nombreuses applications, surtout dans le transport (métro, trains, propulsion des navires), de l'industrie (machines-outils), dans l'électroménager. Elles étaient à l'origine seulement utilisées en moteur mais, toujours grâce à l'électronique de puissance, elles sont de plus en plus fréquemment utilisées en génératrice. C'est par exemple le cas dans les éoliennes.

Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un dispositif de démarrage. Pour les applications de puissance, au-delà de quelques kilowatts, les moteurs asynchrones sont seulement alimentés par des dispositifs de courants triphasés

Les machines autosynchrones

Ce sont des machines synchrones dont le démarrage se fait en asynchrone et quand la fréquence de rotation est proche du synchronisme, le rotor s'accroche au champ statorique en se synchronisant sur la vitesse du champ magnétique. L'autopilotage (contrôle de la fréquence statorique selon la vitesse rotorique) tend à faire disparaître cette technologie.

Caractéristiques communes des machines à courant alternatif

Excepté pour le moteur universel, la vitesse des machines à courant alternatif est le plus souvent liée à la fréquence des courants qui traversent ces machines.

ll existe une grande variété de moteurs hybrides (par exemple «asynchrone synchronisé» dans les pompes de lave-vaisselle).

Moteurs pas à pas

Article détaillé : Moteur pas à pas.
Deux moteurs pas à pas

Un autre genre de moteur électrique est le moteur pas à pas. Un rotor interne contenant des aimants permanents est déplacé par un ensemble d'électroaimants positionnés dans le stator commutés par une électronique de puissance. L'alimentation ou non de chacun définit une position angulaire différente (l'enchaînement permet le mouvement). Les moteurs pas à pas simples ont un nombre limité de positions, mais les moteurs pas à pas à commande proportionnelle (alimentation variable des bobines) peuvent être extrêmement précis. On parle alors de «micro pas» puisque le moteur peut s'équilibrer entre deux pas.

Ces moteurs commandés par une électronique numérique sont une des formes les plus souples des dispositifs de positionnement, surtout dans les organes servocommandés numériquement : exemple, les moteurs de positionnement des têtes de lecture/écriture des disques durs d'ordinateur ont longtemps été situées par ce type de moteur, désormais trop lents pour cette application, ils ont été remplacés par des moteurs linéaires à impulsion bien plus rapides.

Moteurs linéaires

Les trains ART de Bombardier se déplacent grâce à la bande d'aluminium qu'on voit entre les rails

Un moteur linéaire est principalement un moteur électrique qui «a été déroulé» de sorte qu'au lieu de produire un couple (rotation), il produise une force linéaire sur sa longueur en installant un champ électromagnétique de déplacement. Ces moteurs se divisent en deux grands groupes :

Dans la même catégorie figurent les Pompes électromagnétiques à induction qui permettent de véhiculer un fluide conducteur. Les premiers essais de ce type de pompe ont été faits avec du mercure, puis du NaK (mélange de Sodium/Potassium). Les grandes réalisations industrielles concernent la circulation du sodium dans certains types de réacteurs nucléaires et des pompes doseuses d'aluminium liquide.

Articles connexes

Notes et références

  1. (en) Brevet U. S. 132
  2. Alfred Picard, Exposition universelle internationale de 1889 à Paris. Rapport général, vol.  7 : L'outillage et les procédés des industries mécaniques. L'électricité (suite) (groupe VI de l'Exposition universelle de 1889) , p.  page 300.
    Disponible en ligne sur le site du Conservatoire numérique des Arts & Métiers
  3. (en) Brevet U. S. 359748
  4. Voir histoire de l'électricité.
  5. (it) Museo Elettrico - Galileo Ferraris.
  6. Histoire de l'électricité 1880-1889, Association faîtière des entreprises électriques suisses.
  7. Ch. Harel, Machines électriques et essais de Machines, Entreprise française des électriciens – École supérieure d'électricité, Paris, 1960, p.  3 et 8.
  8. Mikhail Kostenko et Ludvik Piotrovski, Machines électriques, tomes I et II, Éditions de Moscou (Mir), 1969 (réédité en 1979), 1348 p.  ; tome I, p.  44-48.
  9. P. Zimmermann, «Electronically Commutated D. C. Feed Drives for Machines Tools», Robert Bosch GmbH – Geschäftsbereich Industrieaurüstung, Erbach, Germany, p.  69-86 in Prœeding of PCI Motorcon, septembre 1982, p.  72.
  10. P. Zimmermann, op.  cit. , p.  81.
  11. P. Zimmermann, op.  cit. , p.  78-81.
  12. P. Zimmermann, op.  cit. , p.  69.

Bibliographie

Annexes

  • Les machines :
  • Les inventeurs :
  • Liens externes


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