Le principe de fonctionnement et le dispositif du moteur électrique

Tout moteur électrique est conçu pour effectuer un travail mécanique en raison de la consommation d'électricité qui lui est appliquée, qui est généralement convertie en mouvement rotatif. Bien que dans la technologie, il existe des modèles qui créent immédiatement un mouvement de translation du corps qui travaille. C'est ce qu'on appelle des moteurs linéaires.

Dans les installations industrielles, des moteurs électriques entraînent diverses machines à couper les métaux et dispositifs mécaniques impliqués dans le processus de production technologique.

À l'intérieur des appareils électroménagers, des moteurs électriques font fonctionner des machines à laver, des aspirateurs, des ordinateurs, des sèche-cheveux, des jouets pour enfants, des horloges et de nombreux autres appareils.

Processus physiques de base et principe d'action

Lors d'un déplacement à l'intérieur champ magnétique les charges électriques, appelées courants électriques, ont toujours une force mécanique qui tend à dévier leur direction dans un plan perpendiculaire à l'orientation des lignes de champ magnétique.Lorsqu'un courant électrique traverse un fil métallique ou une bobine constituée de celui-ci, cette force a tendance à déplacer/faire tourner chaque fil porteur de courant et la bobine entière dans son ensemble.

La photo ci-dessous montre un cadre métallique traversé par du courant. Un champ magnétique qui lui est appliqué crée une force F pour chaque branche du cadre, ce qui crée un mouvement de rotation.

Cette propriété d'interaction de l'énergie électrique et magnétique, basée sur la création d'une force électromotrice dans une boucle conductrice fermée, est mise en oeuvre sur tout moteur électrique. Sa conception comprend :

• une bobine parcourue par un courant électrique. Il est placé sur un noyau d'ancrage spécial et fixé dans des paliers rotatifs pour réduire la résistance aux forces de frottement. Cette conception s'appelle un rotor;

• stator, qui crée un champ magnétique qui, avec ses lignes de force, pénètre dans les charges électriques passant le long des spires de l'enroulement du rotor;

• logement pour placer le stator. À l'intérieur du corps, des sièges spéciaux sont fabriqués, à l'intérieur desquels les cages extérieures des roulements du rotor sont montées.

La conception simplifiée du moteur électrique le plus simple peut être représentée par une image de la forme suivante.

Lorsque le rotor tourne, un couple est généré dont la puissance dépend de la conception générale de l'appareil, de la quantité d'énergie électrique appliquée et de ses pertes lors des conversions.

L'amplitude de la puissance de couple maximale possible du moteur est toujours inférieure à l'énergie électrique qui lui est appliquée. Il est caractérisé par la valeur d'efficacité.

Types de moteurs électriques

Selon le type de courant circulant dans les bobines, elles sont divisées en moteurs à courant continu ou à courant alternatif.Chacun de ces deux groupes comporte un grand nombre de modifications utilisant des procédés technologiques différents.

Moteurs à courant continu

Ils ont un champ magnétique de stator créé par un fixe fixe aimants permanents ou des électroaimants spéciaux avec des bobines d'excitation. La bobine d'induit est fermement montée dans l'arbre, qui est fixé dans des roulements et peut tourner librement autour de son propre axe.

La structure de base d'un tel moteur est illustrée sur la figure.

Sur le noyau de l'armature, en matériaux ferromagnétiques, se trouve une bobine constituée de deux parties connectées en série, qui sont connectées aux plaques collectrices conductrices à une extrémité et connectées entre elles à l'autre. Deux balais en graphite sont situés aux extrémités diamétralement opposées de l'armature et sont plaqués contre les plots de contact des plaques collectrices.

Un potentiel de source CC positif est appliqué à la brosse à motif inférieure et un potentiel négatif à la brosse supérieure. Le sens du courant circulant dans la bobine est indiqué par une flèche rouge en pointillés.

Le courant fait que le champ magnétique a un pôle nord en bas à gauche de l'armature et un pôle sud en haut à droite de l'armature (règle du cardan). Il en résulte une répulsion des pôles du rotor par rapport aux pôles fixes du même nom et une attraction vers les pôles opposés du stator. À la suite de la force appliquée, un mouvement de rotation se produit, dont la direction est indiquée par une flèche brune.

Avec une rotation supplémentaire de l'armature par inertie, les pôles sont transférés vers d'autres plaques collectrices. Le sens du courant y est inversé. Le rotor continue de tourner davantage.

La conception simple d'un tel dispositif collecteur entraîne d'importantes pertes d'énergie électrique.De tels moteurs fonctionnent dans des appareils de conception simple ou des jouets pour enfants.

Les moteurs électriques à courant continu intervenant dans le processus de production ont une conception plus complexe :

• la bobine est divisée non pas en deux, mais en plusieurs parties;

• chaque section de la bobine est montée sur son propre pôle ;

• le dispositif collecteur est réalisé avec un certain nombre de plots de contact en fonction du nombre d'enroulements.

En conséquence, une connexion en douceur de chaque pôle à travers ses plaques de contact aux balais et à la source de courant est créée et les pertes d'énergie sont réduites.

Le dispositif d'une telle ancre est montré sur la photo.

Dans les moteurs à courant continu, le sens de rotation du rotor peut être inversé. Pour ce faire, il suffit de changer le mouvement du courant dans la bobine en sens inverse en changeant la polarité à la source.

Moteurs à courant alternatif

Ils diffèrent des conceptions précédentes en ce que le courant électrique circulant dans leur bobine est décrit par loi harmonique sinusoïdalechangeant périodiquement de direction (signe). Pour les alimenter, la tension est fournie par des générateurs à signes alternés.

Le stator de tels moteurs est réalisé par un circuit magnétique. Il est constitué de plaques ferromagnétiques avec des rainures dans lesquelles les spires de la bobine sont placées avec une configuration de cadre (bobine).

Moteurs électriques synchrones

La photo ci-dessous montre le principe de fonctionnement d'un moteur à courant alternatif monophasé avec rotation synchrone des champs électromagnétiques du rotor et du stator.

Dans les rainures du circuit magnétique du stator à des extrémités diamétralement opposées, sont placés des fils de bobinage, représentés schématiquement sous la forme d'un cadre traversé par un courant alternatif.

Considérons le cas de l'instant correspondant au passage de la partie positive de son alternance.

Dans les cellules de roulement, un rotor avec un aimant permanent intégré tourne librement, dans lequel la «bouche N» nord et la «bouche S» sud du pôle sont clairement définies. Lorsqu'une demi-onde positive de courant traverse l'enroulement du stator, un champ magnétique avec les pôles «S st» et «N st» y est créé.

Des forces d'interaction apparaissent entre les champs magnétiques du rotor et du stator (les pôles se repoussant et contrairement aux pôles s'attirant) qui ont tendance à faire tourner l'induit du moteur de n'importe quelle position à l'extrême lorsque les pôles opposés sont situés aussi près que possible l'un de l'autre un autre.

Si nous considérons le même cas, mais pour le moment où le contraire - une demi-onde négative de courant traverse le fil de trame, la rotation de l'armature se produira dans le sens opposé.

Pour assurer un mouvement continu du rotor dans le stator, on ne réalise pas une seule carcasse de bobinage, mais un certain nombre d'entre elles, étant donné que chacune d'elles est alimentée par une source de courant distincte.

Principe de fonctionnement d'un moteur à courant alternatif triphasé à rotation synchrone, les champs électromagnétiques du rotor et du stator sont représentés dans l'image suivante.

Dans cette conception, trois bobines A, B et C sont montées à l'intérieur du circuit magnétique du stator, décalées d'angles de 120 degrés l'une par rapport à l'autre. La bobine A est marquée en jaune, B en vert et C en rouge. Chaque bobine est réalisée avec les mêmes cadres que dans le cas précédent.

Dans l'image, dans tous les cas, le courant ne traverse qu'une seule bobine dans le sens direct ou inverse, ce qui est indiqué par les signes «+» et «-».

Lorsque l'alternance positive passe par la phase A dans le sens direct, l'axe du champ rotorique prend une position horizontale, car les pôles magnétiques du stator sont formés dans ce plan et attirent l'induit mobile. Les pôles opposés du rotor ont tendance à se rapprocher des pôles du stator.

Lorsque la demi-onde positive passe en phase C, l'armature tourne de 60 degrés dans le sens des aiguilles d'une montre. Une fois le courant appliqué à la phase B, une rotation d'armature similaire se produira. Chaque flux de courant ultérieur dans la phase suivante de l'enroulement suivant fera tourner le rotor.

Si une tension secteur triphasée décalée d'un angle de 120 degrés est appliquée à chaque enroulement, des courants alternatifs y circuleront, ce qui fera tourner l'armature et créera sa rotation synchrone avec le champ électromagnétique appliqué.

La même conception mécanique est utilisée avec succès dans un moteur pas à pas triphasé… Uniquement dans chaque enroulement par commande contrôleur spécial (pilote de moteur pas à pas) Des impulsions constantes sont appliquées et supprimées selon l'algorithme décrit ci-dessus.

Leur démarrage déclenche un mouvement de rotation, et leur arrêt à un certain moment fournit une rotation mesurée de l'arbre et un arrêt à un angle programmé pour effectuer certaines opérations technologiques.

Dans les deux systèmes triphasés décrits, il est possible de changer le sens de rotation de l'induit. Pour ce faire, il vous suffit de changer la séquence des phases «A» — «B» — «C» en une autre, par exemple «A» — «C» — «B».

La vitesse du rotor est régulée par la durée de la période T. Sa diminution entraîne une accélération de la rotation.L'amplitude de l'amplitude du courant dans la phase dépend de la résistance interne de l'enroulement et de la valeur de la tension qui lui est appliquée. Il détermine le couple et la puissance du moteur électrique.

Moteurs asynchrones

Ces conceptions de moteur ont le même circuit magnétique de stator avec des enroulements que dans les modèles monophasés et triphasés discutés précédemment. Ils tirent leur nom de la rotation asynchrone des champs électromagnétiques de l'induit et du stator. Cela se fait en améliorant la configuration du rotor.

Son âme est constituée de plaques d'acier électriques rainurées. Ils sont équipés de conducteurs de courant en aluminium ou en cuivre, qui sont fermés aux extrémités de l'armature par des anneaux conducteurs.

Lorsqu'une tension est appliquée aux enroulements du stator, un courant électrique est induit dans l'enroulement du rotor par la force électromotrice et un champ magnétique d'induit est créé. Lorsque ces champs électromagnétiques interagissent, l'arbre du moteur commence à tourner.

Avec cette conception, le mouvement du rotor n'est possible qu'après l'apparition d'un champ électromagnétique tournant dans le stator, et il se poursuit en mode de fonctionnement asynchrone avec lui.

Les moteurs asynchrones sont de conception plus simple, ils sont donc moins chers et sont largement utilisés dans les installations industrielles et les appareils électroménagers.

Moteur électrique antidéflagrant ABB

Moteurs linéaires

De nombreux corps de travail de mécanismes industriels effectuent un mouvement de va-et-vient ou de translation dans un plan, ce qui est nécessaire au fonctionnement des machines à travailler les métaux, des véhicules, des coups de marteau lors du fonçage de pieux ...

Le déplacement d'un tel corps de travail au moyen de boîtes de vitesses, de vis à billes, d'entraînements par courroie et de dispositifs mécaniques similaires à partir d'un moteur électrique rotatif complique la conception. La solution technique moderne à ce problème est le fonctionnement d'un moteur électrique linéaire.

Son stator et son rotor sont allongés sous forme de bandes, plutôt qu'enroulés en anneaux, comme dans les moteurs électriques rotatifs.

Le principe de fonctionnement consiste à conférer un mouvement linéaire alternatif au rotor de roue en raison du transfert d'énergie électromagnétique à partir d'un stator stationnaire avec un circuit magnétique ouvert d'une certaine longueur. Un champ magnétique de travail est créé à l'intérieur en activant séquentiellement le courant.

Il agit sur l'enroulement d'induit avec un collecteur. Les forces apparaissant dans un tel moteur déplacent le rotor uniquement dans une direction linéaire le long des éléments de guidage.

Les moteurs linéaires sont conçus pour fonctionner en courant continu ou en courant alternatif et peuvent fonctionner en mode synchrone ou asynchrone.

Les inconvénients des moteurs linéaires sont :

• la complexité de la technologie;

• prix élevé;

• faible efficacité énergétique.