6.2. Conception et principe de fonctionnement d'un moteur à courant continu. Moyens techniques d'automatisation et de contrôle

6.2. Conception et principe de fonctionnement d'un moteur à courant continu

Les moteurs électriques à courant continu sont largement utilisés comme éléments d'actionnement dans de nombreux appareils d'automatisation : appareils radioélectroniques, optiques, mécaniques ainsi que portables équipés de sources autonomes d'énergie électrique. Ces moteurs ont un numéro avantages par rapport aux autres types d'IE : linéarité des caractéristiques mécaniques (DMC), bonnes propriétés de contrôle, couple de démarrage élevé, vitesse élevée, large plage de puissance des différents types de DMC et bons poids et dimensions.

Principal inconvénient de ces moteurs est la présence d'un dispositif collecteur à balais, qui limite la durée de vie du véhicule automobile et augmente le coût d'entretien du véhicule automobile, introduit des pertes supplémentaires, est source d'interférences et élimine pratiquement la possibilité d'utiliser le moteur moteur dans des environnements agressifs et explosifs.

6.2.1. Conception DPT

Structurellement, le DPT se compose d'un stator (partie fixe) et d'un rotor ou induit (partie rotative) placé à l'intérieur du stator. Une conception simplifiée de la machine peut être expliquée à l'aide de la figure 61.

Stator se compose d'un cadre en acier 1, sur la surface intérieure duquel se trouvent les pôles principaux, constitués de noyaux 2 et de bobines de champ 3. Dans la partie inférieure du noyau polaire se trouve une pièce polaire 4, qui assure la répartition souhaitée du champ magnétique induction dans l'entrefer de la machine. Des flasques de roulement sont fixés au cadre sur les côtés d'extrémité (non représentés sur la Fig. 61), à l'un desquels sont fixés des porte-balais avec des balais en métal-graphite 9.

Rotor(ancre) Le DPT se compose d'un noyau 5, d'un enroulement d'induit 6, d'un collecteur 7 et d'un arbre 8.

Cœur 5 est un cylindre constitué de tôles d'acier électrique embouties, avec un trou pour l'arbre du moteur et des rainures dans lesquelles sont posés les conducteurs de l'enroulement d'induit.

Collectionneur 7 – un cylindre constitué de plaques de cuivre de section trapézoïdale, isolées électriquement les unes des autres et de l'arbre moteur.

Enroulement L'induit de la machine est un système fermé de conducteurs posés et fixés dans les rainures du noyau 5. Il est constitué de tronçons (bobines) dont les conclusions sont reliées à deux plaques collectrices. Dans les micromachines conventionnelles avec une paire de pôles sur le stator, l'enroulement d'induit est un simple enroulement en boucle (schéma Fig. 62), lors de la construction duquel les bornes des sections d'enroulement sont connectées à deux plaques collectrices adjacentes, et le nombre de les sections d'enroulement et le nombre de plaques collectrices du collecteur sont les mêmes.

Enroulement, dont le schéma est présenté sur la Fig. 62, contient 4 sections, dont chacune est constituée de côtés actifs 1, situés dans les rainures des parties centrales et frontales 2, à travers lesquelles les côtés actifs des sections sont reliés entre eux et aux plaques collectrices. Pour que la FEM induite dans les côtés actifs des sections s'additionne, il est nécessaire de placer les côtés actifs d'une section dans les rainures du noyau, espacés les uns des autres d'une distance de division polaire t . Le rotor représenté sur la Fig. 6.1, comporte 8 conducteurs actifs, avec des sections formées par les conducteurs 1 – 5, 2 – 6, 3 – 7 et 4 – 8.

6.2.2. Couple électromagnétique du DPT

Principe actes Le DPT est basé sur l'interaction du courant du conducteur de l'enroulement d'induit avec le champ magnétique d'excitation, à la suite de laquelle une force électromécanique agit sur chaque conducteur d'enroulement d'induit, et la totalité des forces agissant sur tous les conducteurs d'enroulement actifs forme le couple électromagnétique du machine. Disons un cadre porteur de courant placé dans le champ d'un aimant permanent. Riz. 63.

Chaque conducteur porteur de courant placé dans le champ magnétique d'une machine est soumis à une force électromagnétique :

où l est la longueur du conducteur actif, B est l'induction en un point donné de l'entrefer, i est le courant dans le conducteur. Que chaque côté du cadre contienne le nombre de branches parallèles du bobinage 2a. Ensuite, si un courant Iya circule dans les balais de la machine, appelé courant d'induit, alors un courant circule dans chaque conducteur du bobinage d'induit :

La totalité des forces agissant sur tout N conducteurs de trame conduit à l'émergence d'un moment électromagnétique résultant de la machine :

.

Laissez le DPT en question avoir 14h pôles (dans la plupart des cas dans les micromachines 2р = 2, c'est-à-dire le nombre de paires de pôles p = 1). La distance autour de la circonférence de l'armature entre les milieux des pôles adjacents est appelée division des pôles. t. C'est évident que

Où d est le diamètre du cadre.

Parce que le produit l*r est la surface pénétrée par le flux magnétique utile du pôle F, alors l'ampleur de ce flux peut être déterminée comme F=V moyenne *je*r.

Après substitution, on obtient :

ou ,

où c'est la constante constructive électromagnétique de la machine.

Ainsi, le couple électromagnétique développé par le DPT est proportionnel au flux magnétique F et au courant d'induit de la machine Ii. Lors de la rotation du rotor (induit), la condition d'égalité des moments doit être remplie :

M = M n + M p + M d,

où M n est le moment de charge utile, M p est le moment de perte et

- moment dynamique. Le couple dynamique est nul en conditions statiques, supérieur à zéro lorsque le moteur accélère et inférieur au freinage.

6.2.3. Force électromotrice du DPT

Lorsque le rotor DMT tourne, une CEM est induite dans chaque conducteur actif de l'enroulement d'induit, traversant les lignes de champ magnétique des pôles normales à sa surface. La direction de l'EMF est déterminée par la règle de la main droite ; l'ampleur de la force électromotrice est déterminée par l'expression

où l est la longueur du conducteur actif, B est l'induction en un point donné de l'entrefer, v est la vitesse linéaire de déplacement du conducteur par rapport aux lignes d'induction normales à la surface du rotor. Dans ce cas, lorsque le rotor tourne, la FEM dans chaque conducteur est une variable périodique dans le temps.

La FEM de l'armature de la machine est égale à la somme algébrique des FEM des conducteurs formant une branche parallèle de la machine. Chaque branche parallèle est un groupe de sections connectées en série, dans lesquelles le courant a le même sens. Pour un simple enroulement en boucle, le nombre de branches parallèles 2a toujours égal au nombre de pôles 14h.

Ainsi, pour une machine bipolaire, le bobinage d'induit par rapport aux balais présente deux branches parallèles dont les FEM dans les conducteurs sont dirigées en conséquence. Malgré le fait qu'à mesure que le rotor tourne, de plus en plus de nouveaux conducteurs formeront des branches parallèles, la direction de la FEM dans les conducteurs, ainsi que la direction de la FEM totale de la branche parallèle ou de la FEM d'induit E, reste inchangée avec le même sens de rotation du rotor.

Étant donné que le nombre de conducteurs actifs de la branche parallèle est très important, malgré la nature pulsée de la FEM de chacun des conducteurs, la FEM totale (E) reste presque constante à une vitesse de rotor constante. Dans ce cas, vous pouvez utiliser la valeur de l'induction moyenne dans l'entrefer de la machine Vsr et trouver la FEM.

Conception et principe de fonctionnement du DPT

Etude d'un moteur DC à excitation indépendante

Les moteurs électriques à courant continu (DCM) se distinguent des autres moteurs par la présence d'un collecteur mécanique spécial - un collecteur. Bien que, pour cette raison, les DFC soient moins fiables et plus chers que les moteurs à courant alternatif et aient des dimensions plus grandes, ils sont utilisés lorsque leurs propriétés particulières sont critiques. Souvent, les moteurs à courant continu présentent des avantages par rapport aux moteurs à courant alternatif en termes de plage et de régularité de contrôle de vitesse, de capacité de surcharge et d'efficacité, de possibilité d'obtenir des caractéristiques spéciales, etc.

Actuellement, les DPT sont utilisés dans les entraînements électriques des laminoirs, divers mécanismes de levage, les machines à travailler les métaux, les robots, les transports, etc. Les moteurs à courant continu de faible puissance sont utilisés dans divers appareils automatiques.

Conception et principe de fonctionnement du DPT

L'apparence du moteur à courant continu est illustrée à la Fig. 1, et sa coupe transversale simplifiée est représentée sur la Fig. 2. Comme toute machine électrique, elle se compose de deux parties principales : le stator et le rotor. Le stator est immobile, le rotor tourne. Le stator est constitué d'un corps en acier massif 1, auquel sont fixés les pôles principaux 2 et supplémentaires 4. Les pôles principaux 2 comportent des pièces polaires qui servent à répartir uniformément l'induction magnétique autour de la circonférence de l'induit. Des bobinages d'excitation 3 sont placés sur les pôles principaux, et des bobinages de pôles supplémentaires 5 sont placés sur les pôles supplémentaires.

Riz. 1. Apparition du moteur à courant continu

Riz. 2. Coupe transversale d'un DPT (image symbolique) : 1 – corps ; 2 – pôles principaux; 3 – enroulement d'excitation ; 4 – poteaux supplémentaires ; 5 – enroulement de pôles supplémentaires ; 6 – ancre; 7 – enroulement d'induit ; 8 – pinceaux ; 9 – collectionneur ; 10 – arbre.

Dans les rainures situées à la surface de l'induit 6, est placé l'enroulement d'induit 7 dont les fils sont connectés au collecteur 9 situé sur l'arbre 10. Des balais en graphite, carbone-graphite ou cuivre-graphite 8 sont pressés contre le collecteur utilisant des ressorts.

Le bobinage de champ de la machine est alimenté en courant continu et sert à créer le champ magnétique principal illustré à la Fig. 2 conditionnellement en utilisant deux lignes de force représentées en pointillés. 4 pôles supplémentaires réduisent les étincelles entre les balais et le collecteur. L'enroulement des pôles supplémentaires 5 est connecté en série avec l'enroulement d'induit 7 et n'est souvent pas représenté sur les schémas électriques. Sur la fig. La figure 2 montre une machine à courant continu avec deux pôles principaux. En fonction de la puissance et de la tension, les machines peuvent avoir un plus grand nombre de pôles. Dans le même temps, le nombre de jeux de brosses et de perches supplémentaires augmente en conséquence.

En DBT avec excitation indépendante, comme le montre la Fig. 3, les circuits électriques de l'induit 1 et des bobinages d'excitation 2 ne sont pas connectés électriquement et sont connectés à diverses sources d'alimentation avec des tensions et . En règle générale, . En général, des résistances supplémentaires peuvent être connectées en série avec l'enroulement d'induit et l'enroulement de champ. r d et r p (voir Fig. 3). Leur objectif sera expliqué ci-dessous.

Les moteurs de puissance relativement faible sont généralement fabriqués pour les mêmes tensions et. Dans ce cas, les circuits des enroulements d'induit et d'excitation sont connectés les uns aux autres en parallèle et connectés à une source d'alimentation commune avec tension. De tels DPT sont appelés moteurs excitation parallèle. Si la puissance de la source d'alimentation dépasse considérablement la puissance du moteur, les processus dans l'enroulement d'induit et dans l'enroulement de champ se déroulent indépendamment. Par conséquent, de tels moteurs constituent un cas particulier de DFC à excitation indépendante et leurs propriétés sont les mêmes.

Riz. 3. Schéma électrique de connexion d'un moteur à courant continu à excitation indépendante : 1 – circuit d'enroulement d'induit ; 2 – circuit d'enroulement d'excitation.

Lorsque le moteur est connecté à une source d'alimentation, le courant circule dans l'enroulement d'induit. je I, qui interagit avec le champ magnétique créé par l'enroulement de champ. Il en résulte un moment électromagnétique agissant sur l'armature.

Où k– coefficient dépendant des paramètres de conception de la machine ; Ф – flux magnétique d'un pôle.

Lorsque le couple est dépassé M. couple de charge M. c l'armature commence à tourner avec une vitesse angulaire w et une force électromotrice y est induite

Pour les moteurs, la polarité de la FEM est E polarité opposée de la tension source U, donc, avec une vitesse w croissante, le courant je je diminue

(3)

Où r i est la résistance de la chaîne d'induit du moteur à r d = 0.

De la relation (1), il résulte que cela conduit à une diminution du couple électromagnétique. Lorsque les moments sont égaux, la vitesse de rotation de l'armature cesse de changer. Pour changer le sens de rotation du moteur, la polarité de la tension doit être modifiée. Cela entraînera un changement dans la direction du courant et dans la direction du couple. Le moteur commencera à ralentir puis à accélérer dans la direction opposée.

Démarrage du moteur

Au premier instant du démarrage, la vitesse du moteur w = 0 et selon la formule (2) la force électromotrice de l'induit E= 0. Par conséquent, lorsque l'induit du moteur est connecté à la tension, le courant de démarrage de l'induit, comme suit la formule (3), est limité uniquement par la résistance du circuit d'induit r Je (à r ré =0)

La valeur de la résistance est relativement petite (généralement inférieure à 1 ohm), donc si la tension est proche de la tension nominale, la valeur du courant de démarrage peut être (10 à 30) fois supérieure au courant nominal du moteur. Ceci est inacceptable, car cela entraîne de graves étincelles et la destruction du collecteur, et avec des démarrages fréquents, une surchauffe de l'enroulement d'induit est possible.

Comme il ressort de la formule (4), l'une des options pour limiter le courant de démarrage consiste à augmenter la résistance totale du circuit d'induit du moteur à courant continu à une valeur de tension constante U. Pour ce faire, un rhéostat de démarrage supplémentaire est connecté en série avec l'induit (non représenté sur la Fig. 3), qui est généralement réalisé sous la forme de plusieurs étages. Les étages du rhéostat de démarrage sont désactivés par étapes à mesure que le régime moteur augmente. Dans ce cas, des pertes de puissance importantes peuvent survenir dans l'induit du moteur lors du démarrage.

Un moyen plus économique de réduire le courant de démarrage consiste à démarrer un DFC avec une augmentation progressive de la tension d'induit. Uà mesure que le moteur accélère et que l'EMF augmente E. Comme il ressort de l'expression (3), il est possible de sélectionner un tel taux d'augmentation de tension U, auquel le courant pendant toute la durée de démarrage ne dépassera pas la valeur admissible. La configuration de laboratoire utilisée dans ce travail utilise cette méthode plus économique de limitation du courant d’appel.

Équipements ménagers et médicaux, modélisme aéronautique, entraînements de fermeture de canalisations pour gazoducs et oléoducs - il ne s'agit pas d'une liste complète des domaines d'application des moteurs à courant continu sans balais (BD). Examinons la conception et le principe de fonctionnement de ces actionneurs électromécaniques pour mieux comprendre leurs avantages et inconvénients.

Informations générales, appareil, champ d'application

L’une des raisons de l’intérêt porté au BD est le besoin croissant de micromoteurs à grande vitesse avec un positionnement précis. La structure interne de ces lecteurs est illustrée à la figure 2.

Riz. 2. Conception de moteur sans balais

Comme vous pouvez le voir, la conception se compose d'un rotor (induit) et d'un stator, le premier a un aimant permanent (ou plusieurs aimants disposés dans un certain ordre) et le second est équipé de bobines (B) pour créer un champ magnétique. .

Il est à noter que ces mécanismes électromagnétiques peuvent être soit à armature interne (ce type de conception est visible sur la figure 2), soit externe (voir figure 3).

Riz. 3. Conception Outrunner

En conséquence, chacune des conceptions a un domaine d'application spécifique. Les appareils dotés d'une armature interne ont une vitesse de rotation élevée, ils sont donc utilisés dans les systèmes de refroidissement, comme centrales électriques pour drones, etc. Les actionneurs à rotor externe sont utilisés là où un positionnement précis et une résistance au couple sont requis (robotique, équipement médical, machines CNC, etc.).

Principe de fonctionnement

Contrairement à d'autres entraînements, par exemple une machine asynchrone à courant alternatif, le BD nécessite pour fonctionner un contrôleur spécial qui active les enroulements de telle sorte que les vecteurs des champs magnétiques de l'induit et du stator soient orthogonaux les uns par rapport aux autres. Autrement dit, le dispositif pilote régule le couple agissant sur l’armature DB. Ce processus est clairement démontré dans la figure 4.

Comme vous pouvez le constater, pour chaque mouvement de l'induit, il est nécessaire d'effectuer une certaine commutation dans l'enroulement du stator d'un moteur de type brushless. Ce principe de fonctionnement ne permet pas un contrôle fluide de la rotation, mais permet de prendre rapidement de l'élan.

Différences entre les moteurs avec et sans balais

L'entraînement de type collecteur diffère du BD à la fois par ses caractéristiques de conception (voir Fig. 5.) et par son principe de fonctionnement.

Riz. 5. A – moteur à balais, B – sans balais

Regardons les différences de conception. De la figure 5, on peut voir que le rotor (1 sur la figure 5) d'un moteur de type collecteur, contrairement à un moteur sans balais, comporte des bobines avec un circuit d'enroulement simple, et des aimants permanents (généralement deux) sont installés sur le stator (2 sur la figure 5). De plus, un collecteur est installé sur l'arbre, auquel sont connectés des balais, fournissant une tension aux enroulements d'induit.

Parlons brièvement du principe de fonctionnement des machines collectrices. Lorsqu’une tension est appliquée à l’une des bobines, elle est excitée et un champ magnétique se forme. Il interagit avec des aimants permanents, ce qui provoque la rotation de l'armature et du collecteur placé dessus. En conséquence, l’alimentation est fournie à l’autre enroulement et le cycle se répète.

La fréquence de rotation d'un induit de cette conception dépend directement de l'intensité du champ magnétique, qui, à son tour, est directement proportionnelle à la tension. Autrement dit, pour augmenter ou diminuer la vitesse, il suffit d'augmenter ou de diminuer le niveau de puissance. Et pour inverser il faut changer la polarité. Cette méthode de contrôle ne nécessite pas de contrôleur spécial, car le contrôleur de vitesse peut être réalisé sur la base d'une résistance variable et un interrupteur ordinaire fonctionnera comme un onduleur.

Nous avons discuté des caractéristiques de conception des moteurs sans balais dans la section précédente. Comme vous vous en souvenez, leur connexion nécessite un contrôleur spécial, sans lequel ils ne fonctionneront tout simplement pas. Pour la même raison, ces moteurs ne peuvent pas être utilisés comme générateur.

Il convient également de noter que dans certains entraînements de ce type, les positions du rotor sont surveillées à l'aide de capteurs Hall pour un contrôle plus efficace. Cela améliore considérablement les caractéristiques des moteurs sans balais, mais augmente le coût d'une conception déjà coûteuse.

Comment démarrer un moteur brushless ?

Pour faire fonctionner des lecteurs de ce type, vous aurez besoin d'un contrôleur spécial (voir Fig. 6). Sans cela, le lancement est impossible.

Riz. 6. Contrôleurs de moteur sans balais pour la modélisation

Il ne sert à rien d'assembler un tel appareil vous-même ; il sera moins cher et plus fiable d'en acheter un tout fait. Vous pouvez le sélectionner en fonction des caractéristiques suivantes des pilotes de canal PWM :

• L'intensité de courant maximale admissible, cette caractéristique est donnée pour le fonctionnement normal de l'appareil. Très souvent, les fabricants indiquent ce paramètre dans le nom du modèle (par exemple, Phoenix-18). Dans certains cas, une valeur est donnée pour un mode crête que le contrôleur peut maintenir pendant plusieurs secondes.
• Tension nominale maximale pour un fonctionnement continu.
• Résistance des circuits internes du contrôleur.
• La vitesse autorisée est indiquée en tr/min. Au-delà de cette valeur, le contrôleur ne permettra pas d'augmenter la rotation (la limitation est implémentée au niveau logiciel). Attention, la vitesse est toujours donnée pour les variateurs bipolaires. S'il y a plus de paires de pôles, divisez la valeur par leur nombre. Par exemple, le nombre 60000 tr/min est indiqué, donc pour un moteur à 6 aimants la vitesse de rotation sera de 60000/3=20000 prm.
• La fréquence des impulsions générées, pour la plupart des contrôleurs, ce paramètre varie de 7 à 8 kHz ; des modèles plus chers permettent de reprogrammer le paramètre en l'augmentant à 16 ou 32 kHz.

Veuillez noter que les trois premières caractéristiques déterminent la puissance de la base de données.

Contrôle du moteur sans balais

Comme mentionné ci-dessus, la commutation des enroulements d'entraînement est contrôlée électroniquement. Pour déterminer quand commuter, le conducteur surveille la position de l'armature à l'aide de capteurs Hall. Si le variateur n'est pas équipé de tels détecteurs, la force contre-électromotrice qui se produit dans les bobines de stator non connectées est prise en compte. Le contrôleur, qui est essentiellement un complexe matériel-logiciel, surveille ces changements et définit l'ordre de commutation.

Moteur CC sans balais triphasé

La plupart des bases de données sont mises en œuvre selon une conception en trois phases. Pour contrôler un tel variateur, le contrôleur dispose d'un convertisseur d'impulsions CC vers triphasé (voir Fig. 7).

Figure 7. Diagrammes de tension OBD

Pour expliquer le fonctionnement d'un tel moteur de vanne, en association avec la figure 7, vous devez considérer la figure 4, qui montre tour à tour toutes les étapes du fonctionnement du variateur. Écrivons-les :

1. Une impulsion positive est appliquée aux bobines « A », tandis qu'une impulsion négative est appliquée à « B », ce qui fait que l'armature se déplace. Les capteurs enregistreront son mouvement et enverront un signal pour la prochaine commutation.
2. La bobine « A » est éteinte et une impulsion positive va à « C » (« B » reste inchangé), puis un signal est envoyé à l'ensemble d'impulsions suivant.
3. « C » est positif, « A » est négatif.
4. Une paire de « B » et « A » fonctionne, qui reçoit des impulsions positives et négatives.
5. Une impulsion positive est réappliquée à « B » et une impulsion négative à « C ».
6. Les bobines « A » sont allumées (+ est fourni) et l'impulsion négative sur « C » est répétée. Puis le cycle se répète.

Dans l'apparente simplicité du contrôle, il y a beaucoup de difficultés. Il faut non seulement surveiller la position de l'induit afin de produire la prochaine série d'impulsions, mais aussi contrôler la vitesse de rotation en ajustant le courant dans les bobines. De plus, vous devez sélectionner les paramètres les plus optimaux pour l'accélération et le freinage. Il convient également de rappeler que le contrôleur doit être équipé d'une unité permettant de contrôler son fonctionnement. L'apparence d'un tel dispositif multifonctionnel est visible sur la figure 8.

Riz. 8. Contrôleur de commande de moteur sans balais multifonction

Avantages et inconvénients

Le moteur électrique brushless présente de nombreux avantages, à savoir :

• La durée de vie est nettement plus longue que celle des analogues des collecteurs conventionnels.
• Haute efficacité.
• Réglez rapidement la vitesse de rotation maximale.
• C'est plus puissant que le CD.
• L'absence d'étincelles pendant le fonctionnement permet au variateur d'être utilisé dans des conditions à risque d'incendie.
• Aucun refroidissement supplémentaire requis.
• Facile à utiliser.

Voyons maintenant les inconvénients. Un inconvénient important qui limite l'utilisation des bases de données est leur coût relativement élevé (y compris le prix du pilote). Parmi les inconvénients figure l'impossibilité d'utiliser la base de données sans pilote, même pour une activation à court terme, par exemple pour vérifier sa fonctionnalité. Réparations problématiques, surtout si un rembobinage est nécessaire.

Les moteurs à courant continu (moteurs à courant continu) sont utilisés pour convertir une énergie électrique constante en travail mécanique. Un moteur de ce type fut la première de toutes les machines électriques tournantes inventées. Le principe de son fonctionnement est connu depuis le milieu du siècle dernier et, à ce jour, ils continuent de servir fidèlement l'homme, mettant en mouvement un grand nombre de machines et de mécanismes.

En 1821, Faraday, menant des expériences sur l'interaction des conducteurs avec le courant et un aimant, constata que le courant électrique faisait tourner le conducteur autour de l'aimant. Ainsi, l'expérience de Faraday a ouvert la voie à la création d'un moteur électrique. Un peu plus tard, Thomas Davenport fabriqua en 1833 le premier moteur électrique rotatif et le mit en mouvement sur un train miniature. Un an plus tard, B. S. Jacobi créait le premier moteur électrique à courant continu au monde, utilisant le principe de rotation directe de la partie mobile du moteur. Et déjà le 13 septembre 1838, dans l'Empire russe, le premier bateau à moteur de 12 passagers naviguait le long de la Neva à contre-courant. Les roues à pales étaient entraînées par un moteur électrique alimenté par une batterie de 320 cellules.

En 1886, le moteur électrique devient similaire aux versions modernes. Par la suite, il s’est modernisé de plus en plus.

Aujourd’hui, la vie de notre civilisation technologique est totalement impossible sans moteur électrique. Il est utilisé presque partout : dans les trains, les trolleybus, les tramways. Les usines et usines utilisent des machines électriques puissantes, des appareils électroménagers (hachoirs à viande électriques, robots culinaires, moulins à café, aspirateurs), etc.

Aujourd'hui, les moteurs à courant continu à aimant permanent sont largement utilisés dans diverses applications où une petite taille, une puissance élevée et un faible coût sont importants. En raison de leur bonne vitesse de rotation, ils sont souvent utilisés conjointement avec une boîte de vitesses, ce qui entraîne une faible vitesse de sortie et une augmentation significative du couple.

Les moteurs à courant continu à aimant permanent sont des moteurs dotés d’une conception assez simple et d’un contrôle de base. Malgré le fait que leur contrôle soit très simple, leur vitesse de rotation n'est pas déterminée par le signal de commande, car elle dépend de nombreux facteurs, principalement de la charge appliquée à l'arbre et de la tension d'alimentation constante. La relation entre le couple idéal du moteur et la vitesse est linéaire, c'est-à-dire que plus la charge sur l'arbre est élevée, plus la vitesse est lente et plus il y a d'ampères dans l'enroulement.

La grande majorité des moteurs électriques fonctionnent selon la physique de la répulsion et de l’attraction magnétiques. Si vous placez un fil entre les pôles nord et sud d'un aimant et que vous y faites passer un courant électrique, il commencera à être expulsé car lorsqu'il forme un champ magnétique autour de lui sur toute la longueur du conducteur. La direction de ce champ peut être déterminée par la règle du vrille.

Lorsque le champ magnétique circulaire d’un conducteur interagit avec le champ uniforme d’un aimant, le champ entre les pôles diminue d’un côté et augmente de l’autre. C'est-à-dire que la force résultante pousse le fil hors du champ de l'aimant selon un angle de 90 degrés dans la direction conformément à . , et la valeur est calculée par la formule

où B est la valeur de l'induction du champ magnétique ; I – courant circulant dans le conducteur ; L – longueur du fil

Les moteurs électriques de faible puissance utilisent des aimants permanents standards pour créer un champ magnétique constant. Dans le cas de puissances moyennes et élevées, un champ magnétique uniforme est généré à l'aide d'un enroulement d'excitation.

Examinons plus en détail le processus d'obtention d'un mouvement mécanique utilisant l'électricité. Dans un champ magnétique uniforme, placez un cadre métallique verticalement et connectez-le à une source de tension constante. Le cadre commencera à tourner et atteindra une position horizontale. Ce qui est considéré comme neutre, car l'effet du champ sur le conducteur porteur de courant est nul. Pour vous assurer que le mouvement ne s'arrête pas, vous devez placer au moins un cadre supplémentaire sous tension et vous assurer que la direction du mouvement est commutée au moment requis.

Un moteur typique, au lieu d'un châssis, a un induit avec de nombreux conducteurs posés dans des rainures spéciales, et au lieu d'un aimant permanent, il a un stator avec un enroulement d'excitation à deux pôles ou plus. La figure juste au-dessus montre une coupe transversale d’un moteur électrique bipolaire. Si un courant s'éloignant « de nous » passe à travers les fils de la partie supérieure de l'armature et « vers nous » dans la partie inférieure, alors, conformément à la règle de gauche, les conducteurs supérieurs seront évincés du champ magnétique du stator vers la gauche, et la partie inférieure de l'induit sera poussée vers la droite. Étant donné que le fil de cuivre est placé dans des rainures spéciales de l'armature, toute la puissance lui sera transférée et il tournera. Par conséquent, lorsque le conducteur avec la direction du courant « venant de nous » se trouve en bas et se trouve en face du pôle sud du moteur créé par le stator, il sera pressé vers la gauche et le freinage commencera. Pour éviter cela, il est nécessaire d'inverser le sens du courant au moment où la ligne neutre est franchie. Cela se fait à l'aide d'un collecteur - un interrupteur spécial qui relie l'enroulement d'induit au circuit.

Ainsi, l'enroulement d'induit du moteur transmet le couple à l'arbre du moteur à courant continu, qui entraîne les mécanismes de travail. Structurellement, tous les moteurs sont constitués d'un inducteur et d'un induit, séparés par un entrefer.

Le stator d'un moteur électrique sert à créer un champ magnétique stationnaire et se compose d'un cadre, de pôles principaux et supplémentaires. Le cadre est conçu pour fixer les pôles principaux et supplémentaires et sert d'élément du circuit magnétique. Sur les pôles principaux se trouvent des enroulements d'excitation utilisés pour créer un champ magnétique ; sur les pôles supplémentaires se trouvent un enroulement spécial utilisé pour améliorer les conditions de commutation.

L'induit du moteur se compose d'un système magnétique constitué de feuilles séparées, d'un enroulement de travail placé dans des rainures spéciales et d'un collecteur pour alimenter l'enroulement de travail.

Le collecteur est semblable à un cylindre monté sur un arbre ED et constitué de plaques de cuivre isolées les unes des autres. Sur le collecteur se trouvent des saillies spéciales, des robinets auxquels sont soudées les extrémités des sections d'enroulement. Le courant est extrait du collecteur à l'aide de balais qui assurent un contact glissant avec le collecteur. Les balais sont situés dans des porte-balais, qui les maintiennent dans une certaine position et créent la pression requise sur la surface du collecteur. Les brosses et porte-balais sont montés sur une traverse et reliés au corps.

Le collecteur est un composant complexe, coûteux et le moins fiable d’un moteur à courant continu. Il produit souvent des étincelles, crée des interférences et est obstrué par la poussière des brosses. Et sous une forte charge, il peut tout court-circuiter étroitement. Sa tâche principale est de commuter la tension d'induit d'un côté à l'autre.

Pour mieux comprendre le fonctionnement du collecteur, donnons au châssis un mouvement de rotation dans le sens des aiguilles d’une montre. Au moment où le cadre prend la position A, le courant maximum sera induit dans ses conducteurs, puisque les conducteurs traversent les lignes de force magnétiques en se déplaçant perpendiculairement à celles-ci.

Le courant induit du conducteur B connecté à la plaque 2 suit le balai 4 et, passant par un circuit externe, revient par le balai 3 au conducteur A. Dans ce cas, le balai droit sera positif et le balai gauche négatif.

Une rotation supplémentaire du cadre (position B) entraînera à nouveau une induction de courant dans les deux conducteurs ; cependant, la direction du courant dans les conducteurs sera opposée à celle qu'ils avaient en position A. Puisque les plaques collectrices tourneront également avec les conducteurs, la brosse 4 enverra à nouveau du courant électrique au circuit externe, et à travers la brosse 3 le courant reviendra au cadre.

Par conséquent, malgré le changement de direction du courant du moteur dans les conducteurs rotatifs eux-mêmes, en raison de la commutation, la direction du courant dans le circuit externe n'a pas changé.

A l'instant suivant (D), le châssis reprendra position sur la ligne neutre, dans les conducteurs et, dans le circuit extérieur, plus aucun courant ne circulera.

Dans les intervalles de temps suivants, le cycle de mouvements considéré sera répété dans la même séquence, c'est-à-dire que la direction du courant dans le circuit externe, grâce au collecteur, restera constante tout le temps, et en même temps la polarité de les pinceaux seront entretenus.

L'ensemble balais est utilisé pour alimenter les bobines du rotor rotatif et commuter le courant dans les enroulements. Le pinceau est un contact fixe. Ils ouvrent et ferment les plaques de contact du collecteur du rotor avec une grande fréquence. Pour réduire les étincelles de ces derniers, diverses méthodes sont utilisées dont la principale est l'utilisation de pôles supplémentaires.

Avec une accélération croissante, le processus suivant commence : l'enroulement d'induit se déplace à travers le champ magnétique du stator et y induit une CEM, mais elle est dirigée à l'opposé de celle qui fait tourner le moteur. Et par conséquent, le courant traversant l'armature diminue fortement et plus la vitesse est forte.

Schémas de commutation du moteur. Lorsque les enroulements sont connectés en parallèle, l’enroulement d’induit est constitué d’un grand nombre de tours de fil fin. Ensuite, le courant commuté par le collecteur sera inférieur et les plaques ne produiront pas beaucoup d'étincelles. Si vous effectuez une connexion en série des enroulements du stator et de l'induit, l'enroulement de l'inducteur est réalisé avec un conducteur de plus grand diamètre avec moins de spires. La force magnétisante reste donc constante et les performances du moteur augmentent.

Les moteurs de ce type avec balais ne nécessitent en principe pas de circuit de commande séparé, car Toutes les commutations nécessaires sont effectuées à l'intérieur du moteur. Pendant le fonctionnement du moteur électrique, une paire de balais statiques glissent sur le collecteur du rotor rotatif et maintiennent les enroulements sous tension. Le sens de rotation est déterminé par la polarité de la tension d'alimentation. S'il est nécessaire de contrôler le moteur dans un seul sens, le courant d'alimentation est commuté via un relais ou une autre méthode simple, et s'il est dans les deux sens, un circuit de commande spécial est utilisé.

Les inconvénients des moteurs de ce type peuvent être considérés comme une usure rapide de l'ensemble balais-collecteur. Avantages : bonnes caractéristiques de démarrage, réglage simple de la fréquence et du sens de rotation.

La présence d'un bobinage d'excitation dans un moteur à courant continu permet de mettre en œuvre différents schémas de connexion. Selon la manière dont l'enroulement de champ (OW) est connecté, il existe des moteurs à courant continu avec excitation et auto-excitation indépendantes, qui à leur tour sont divisées en série, parallèle et mixte.

Le démarrage des moteurs de ce type est compliqué par les énormes couples et courants de démarrage qui surviennent au moment du démarrage. En DPT, les courants de démarrage peuvent dépasser le courant nominal de 10 à 40 fois. Un excès aussi important peut facilement brûler les enroulements. Par conséquent, ils essaient de limiter les courants de démarrage au niveau de (1,5-2) I n

Le fonctionnement d'un moteur asynchrone repose sur les principes d'interaction physique du champ magnétique apparaissant dans le stator avec le courant que ce même champ génère dans le bobinage du rotor.

Un moteur synchrone est un type de moteur électrique qui fonctionne uniquement sur tension alternative et dont la vitesse du rotor coïncide avec la vitesse du champ magnétique. C'est pourquoi il reste constant quelle que soit la charge, car le rotor d'un moteur synchrone est un électro-aimant ordinaire et son nombre de paires de pôles coïncide avec le nombre de paires de pôles du champ magnétique tournant. Ainsi, l'interaction de ces pôles assure la constance de la vitesse angulaire à laquelle tourne le rotor.

Les moteurs électriques sont des dispositifs permettant de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique et vice versa, mais ce sont déjà des générateurs. Il existe une grande variété de types de moteurs électriques et, par conséquent, une grande variété de circuits de commande de moteurs électriques. Regardons quelques-uns d'entre eux

Dans les entraînements où une large plage de contrôle de vitesse est requise, un moteur électrique à courant continu est utilisé. Il permet de maintenir la vitesse de rotation avec une grande précision et d'effectuer les ajustements nécessaires.

Conception de moteurs électriques à courant continu

Le fonctionnement de ce type de moteur est basé sur. Si un conducteur traversé par un courant électrique est placé dans un champ magnétique, alors, selon , une certaine force agira sur lui.

Lorsqu'un conducteur traverse des lignes de force magnétiques, une force électromotrice y est induite, dirigée dans le sens opposé au mouvement du courant. En conséquence, la réaction inverse se produit. La puissance électrique est convertie en puissance mécanique avec chauffage simultané du conducteur.

La structure entière de l'appareil est constituée d'un induit et d'un inducteur, entre lesquels se trouve un entrefer. L'inducteur crée un champ magnétique stationnaire et comprend des pôles principaux et supplémentaires, fixés au châssis. Les enroulements de champ sont situés sur les pôles principaux et créent un champ magnétique. Les pôles supplémentaires contiennent un enroulement spécial qui améliore les conditions de commutation.

L'armature comprend un système magnétique. Ses principaux éléments sont l'enroulement de travail, placé dans les rainures, des tôles séparées et un collecteur, à l'aide duquel le courant continu est fourni à l'enroulement de travail.

Le collecteur est réalisé sous la forme d'un cylindre et est monté sur l'arbre du moteur électrique. Les extrémités du bobinage d'induit sont soudées à ses saillies. Le courant électrique est évacué du collecteur à l'aide de balais montés dans des supports spéciaux et fixés dans une certaine position.

Processus de base : démarrage et freinage

Chaque moteur à courant continu effectue deux processus principaux : le démarrage et le freinage. Au tout début du démarrage, l'armature est stationnaire, la tension et la force opposée à la force électromotrice sont égales à zéro. Avec une résistance d'induit insignifiante, la valeur du courant de démarrage dépasse le courant nominal d'environ 10 fois. Pour éviter la surchauffe de l'enroulement d'induit lors du démarrage, des rhéostats de démarrage spéciaux sont utilisés. Avec une puissance moteur allant jusqu'à 1 kilowatt, un démarrage direct est effectué.

Les moteurs à courant continu utilisent plusieurs méthodes de freinage. Lors d'un freinage dynamique, l'enroulement d'induit est court-circuité ou à l'aide de résistances. Cette méthode fournit l'arrêt le plus précis. Le freinage régénératif est le plus économique. Ici, la direction de la FEM change à l'opposé.

Le freinage par rétro-commutation est effectué en changeant la polarité du courant et de la tension dans l'enroulement d'induit, ce qui vous permet de créer un couple de freinage efficace.

Comment fonctionne un moteur à courant continu ?