Le moteur synchrone
1) Principe de fonctionnement du moteur synchrone :
Expérience 1 :
Lorsque l'on fait tourner un aimant, on crée un champ magnétique tournant. Si on place une aiguille aimantée dans ce champ magnétique tournant, alors l'aiguille se met à tourner à la même vitesse que le champ magnétique. On appelle cela un moteur asynchrone car l'aiguille aimantée tourne à la même fréquence que le champ tournant (synchronisme).
Création du champ tournant :
Le champ tournant des moteurs synchrones est crée exactement de la même façon que celui des moteurs asynchronnes. Il faut alimenter un ou plusieurs jeux de 3 bobines placées sur des axes à 120° les uns des autres par un système de tensions sinusoïdales triphasées.
Rappel : Un système de tensions sinusoïdales triphasées est composé de 3 tensions sinusoïdales décalées dans le temps de 1/3 de période les unes par rapport aux autres (c'est à dire de 120°).
Expérience 2 :
Une aiguille aimantée est placée dans un champ tourant crée par 3 bobines placées à 120° les unes par rapport aux autres et alimantées par un système de tensions triphasées 50Hz.
A la fin de la vidéo, le disque est éclairé par une lumière stroboscopique de 50Hz et on remarque que l'on voit l'aiguille toujours au même endroit => le champ tournant et l'aiguille aimantée tournent à la même vitesse.
2) Constitution d'un moteur synchrone :
Le stator :
Le stator du moteur synchronne s'apparente à celui du moteur asynchronne. Il reçoit les bobinages qui créent le champ tournant. On peut placer plusieurs jeux de 3 bobine :
- Si le stator est composé d'un jeu de 3 bobines alors le champ tournant a une paire de pôles et sa fréquence est celle de la tension d'alimentation des bobines.
- Si le stator est composé de 2 jeux de 3 bobines alors le champ tournant a deux paires de pôles et sa fréquence vaut la moitié de celle de la tension d'alimentation des bobines.
- Si le stator est composé de 3 jeux de 3 bobines alors le champ tournant a trois paires de pôles et sa fréquence vaut le tiers de celle de la tension d'alimentation des bobines.
- ...
Le rotor :
Afin de tourner à la même fréquence que le champ tournant, le rotor doit générer un champ magnétique fixe. Pour cela, nous avons 2 possibilités , soit il est constitué :
- d'un aimant permanant, il est alors inutile de l'alimenter.
- de bobines qu'il faut alors alimenter.
Dans le cas d'un rotor bobiné, son alimentation peut se faire de 2 manières :
- Le rotor dispose sur son arbre de bagues sur lesquelles frottent des balais venant du stator. L'alimentation des balais du stator assure alors celle des bobinages du rotor.
- Le stator dispose d'une bobine suplémentaire alimentée par une tension continu => elle crée donc un champ magnétique fixe. Du point de vue du rotor (qui tourne) ce champ magnétique est vu comme un champ tournant. Sur le rotor est placé un système de bobines qui va transformer ce champ magnétique tournant en un jeu de tensions alternatives (cf fonctionement en alternateur plus bas), puis ce jeu de tensions alternatives est redressé par un pont de diodes (toujours intégré au rotor) et c'est cette tension redressée qui alimentera les bobinage rotoriques.
Remarque : Les moteurs synchrones ont des rotors plus légers que ceux des moteurs asynchrones, il auront donc des temps de réponse plus faibles.
3) Les moteurs synchrone à rotors externes :
Le rotor est autour du stator. Cette configuration est intéressante en terme de couple moteur.
4) Les moteurs brushless :
Un moteur brushless et son controleur.
Le moteur brushless (appelés aussi moteurs autopilotés à aimant permanant) est un moteur synchrone à aimant permanant qui associé à un circuit de commande électronique (appelé aussi controleur) a le même comportement qu'un moteur à courant continu (sans les inconvénients du système balais-collecteurs, d'où le nom de moteur brushless).
Ce circuit de commande va (en fonction de la position du rotor) alimenter successivement les bobines du stator.
Pour fonctionner correctement la commande doit connaitre la position du rotor, pour cela, il y a 2 possibiltés :
- Soit le moteur dispose d'un capteur donnant la position du rotor (souvent il s'agit d'un capteur à effet hall).
- Soit le circuit de commande déduit la position du rotor grâce à la messure de la force contre-électromorice générée par le rotor.
-
Pour les petites puissances, le controleur peut même être directement intégré au moteur. De l'extérieur, c'est comme si nous avions un moteur à courant continu (mais sans balais).
5) Réversibilité : L'alternateur
Le moteur synchrone est complétement réversible. Si on fait tourner le rotor, on obtient au niveau des bobinages statoriques un tension dont la fréquence est sous multiple de celle du rotor.
Dans le cas ou l'on se sert de la machine synchrone pour produire de l'électricité, on la nomme alternateur.
Explication :
Notion de flux magnétique :
Le flux magnétique correspond à une quantité de champ magnétique qui traverse une surface.
On a : Φ=B.S.cos θ
Avec :
- Φ : Flux magnétique en weber (wb).
- B : Champ magnétique en Tesla (T).
- S : Surface traverssée par le champ magnétique en m2.
- θ : Angle formé par la ligne de champ magnétique un axe perpendiculaire à la surface traversée par le champ magnétique.
Remarque : Le flux vu par une bobine est le flux vu par une spire multiplié par le nombre de spires que comporte la bobine.
Loi de Faraday:
Mickael Faraday
Lorsque qu'un circuit est soumis à une variation de flux, alors il apparait une tension à ces bornes tel que : E=-ΔΦ/Δt
Avec :
- E : Tension en volt (V).
- ΔΦ : Variation de flux magnétique en weber (wb).
- Δt : Variation de temps en secondes (s).
Quelques exemple d'obtention d'une tension par la loi de Faraday :
Application de la loi de Faraday pour l'alternateur:
Dans un alternateur, les bobinages ou les aimants du stators créent un flux qui est vu par les bobinages du stator.
Du fait de la rotation du rotor, ce flux est variable du point de vu des enroulement statoriques, il y a donc création d'une tension au niveau des enroulement statoriques.
Des exemples d'alternateurs :
- La "dynamo" du vélo :
- L'alternateur de la voiture :
La roue du vélo entraine le galet qui à son tour fait tourner l'aimant qui crée alors un champ magnétique variable du point de vue du noyau de fer.
La bobine qui entoure le noyau de fer est donc soumise à un flux magnétique variable => il y a création d'une tension induite à ses bornes.
Remarque 1 : Plus le galet tourne vite, plus la tension fournie par la bobine est importante.
Remarque 2 : Quand on utilise le mot "dynamo", c'est un abus de langage, la tension fournie étant alternative, il s'agit donc d'un alternateur.
L'alternateur de voiture est un alternateur triphasé. La tension d'une batterie étant une tension continue, l'alternateur sera donc associé à un pont de diodes afin de redresser la tension.