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Machine électrique Pour les articles homonymes, voir Convertisseur. Une machine

Machine électrique Pour les articles homonymes, voir Convertisseur. Une machine électrique est un dispositif Diﬀérents types de moteurs (la pile 9 V sert de référence d'échelle). électromécanique basé sur l'électromagnétisme per- mettant la conversion d'énergie électrique par exemple en travail ou énergie mécanique. Ce processus est réversible et peut servir à produire de l'électricité : • Les machines électriques produisant de l'énergie électrique à partir d'une énergie mécanique sont communément appelées des génératrices, dynamos ou alternateurs suivant la technologie utilisée. • Les machines électriques produisant une énergie mécanique à partir d'une énergie électrique sont communément appelées des moteurs. Cependant, toutes ces machines électriques étant réver- sibles et susceptibles de se comporter soit en « mo- teur » soit en « générateur » dans les quatre quadrants du plan couple-vitesse[N 1],[1],[2],[3], la distinction mo- teur/générateur se fait « communément » par rapport à l'usage ﬁnal de la machine. Les moteurs rotatifs produisent une énergie correspon- dant au produit d'un couple par un déplacement angulaire (rotation) tandis que les moteurs linéaires produisent une énergie correspondant au produit d'une force par un dé- placement linéaire. En dehors des machines électriques fonctionnant grâce à l'électromagnétisme il existe aussi des machines électro- statiques et d'autres utilisant l'eﬀet piézoélectrique. Les transformateurs sont aussi classiﬁés comme des ma- chines électriques[4],[5]. Ils permettent de modiﬁer les va- leurs de tension et d'intensité du courant délivrées par une source d'énergie électrique alternative, en un système de tension et de courant de valeurs diﬀérentes, mais de même fréquence et de même forme. 1 Historique En 1821, après la découverte du phénomène du lien entre électricité et magnétisme, l'électromagnétisme, par le chi- miste danois Ørsted, le physicien anglais Michael Faraday construit deux appareils pour produire ce qu'il appela une « rotation électromagnétique » : le mouvement circulaire continu d'une force magnétique autour d'un ﬁl, en fait la démonstration du premier moteur électrique. Le schéma de la roue de Barlow. En 1822, Peter Barlow construit ce qui peut être considé- ré 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 cou- rant. Elle ne produit cependant qu'une force juste capable de la faire tourner, ne lui permettant pas d'application pra- tique. Le premier commutateur utilisable expérimentalement a été inventé en 1832 par William Sturgeon. Le pre- mier moteur à courant continu fabriqué avec l'intention 1 2 2 MACHINES TOURNANTES d'être commercialisé a été inventé par Thomas Daven- port en 1834 puis breveté en 1837[6]. 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 ma- chines électriques au physicien italien Antonio Pacinotti en 1864[7]. En 1869, l'inventeur belge Zénobe Gramme rend possible la réalisation des génératrices à courant continu en ima- ginant le collecteur. Il améliore les premières versions ar- chaïques d'alternateurs (1867) et devient célèbre en re- trouvant 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, que l'on appela machine de Gramme. En 1873, Hippolyte Fontaine, partenaire de Zénobe Gramme réalise la première application industrielle de la transmission électrique des forces. Tout en démontrant à l'occasion de l'exposition de Vienne, la réversibilité de la machine de Gramme, il présente une expérience as- sociant dynamo et moteur à courant continu, séparés par 2 km de ﬁls électriques. Avant cette expérience décisive, l'énergie mécanique des cours d'eau devait être utilisée sur place, car intransportable sur de longues distances. Le premier brevet no 391968 du moteur électrique actuel, à courant alternatif, est déposé par le physicien d'origine serbe Nikola Tesla en 1887. La paternité de la machine asynchrone est controversée entre trois inventeurs : en 1887, le physicien Nikola Tes- la dépose un brevet sur la machine asynchrone[8],[N 2], puis en mai de l'année suivante cinq autres brevets. Pen- dant la même période Galileo Ferraris publie des trai- tés sur les machines tournantes, avec une expérimenta- tion en 1885, puis une théorie sur le moteur asynchrone en avril 1888[9]. En 1889, Michail Ossipowitsch Doliwo- Dobrowolski, électricien allemand d'origine russe, in- vente le premier moteur asynchrone à courant triphasé à cage d'écureuil qui sera construit industriellement à partir de 1891[10]. 2 Machines tournantes Article détaillé : Généralités sur les machines électriques. 2.1 Machine à courant continu Article détaillé : Machine à courant continu. Comme toutes les machines tournantes, les machines électriques à courant continu sont constituées d'un sta- tor et d'un rotor[11],[12]. Le stator crée une magnétisa- tion longitudinale ﬁxe à l'aide d'enroulements (inducteur) ou d'aimants permanents<ref name="harel"/,[12]. Le ro- tor est constitué d'un ensemble de bobines reliées à un Description de la machine à courant continu. collecteur rotatif. Le collecteur rotatif permet de mainte- nir ﬁxe la direction transversale de magnétisation du rotor lorsque celui-ci tourne. Grâce à ce dispositif, les magnéti- sations, rotorique et statorique, sont toujours décalées de façon optimale (en quadrature)[11],[12]. Ce décalage pro- voque 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 ré- side dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse. Voire leur raccordement direct à la source d'énergie : batteries d'accumulateurs, piles, etc. Le principal défaut de la machine à courant continu ré- side dans l'ensemble 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 lorsque 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 fret- tage). 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 dénom- mé « moteur à courant continu sans balais », ou moteur sans balais. 2.2 Les moteurs sans balais Article détaillé : Moteur sans balais. 2.3 Machines à courant alternatif 3 Un moteur sans balais, ou moteur « brushless », est un moteur synchrone[13], 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 ap- pellation Brushless vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun balai. Par contre un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques[14]. Ce dispositif peut être soit intégré au moteur, pour les petites puissances, soit extérieur. Le rôle de l'ensemble capteur-électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage[15] du moteur c'est-à-dire le maintien de l'orthogonalité[15] du ﬂux ma- gnétique rotorique par rapport au ﬂux statorique[15], rôle autrefois dévolu à l'ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu[15]. Les moteurs brushless équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD de nos ordinateurs. Ils sont également très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères et de voitures ainsi que dans l'industrie, en particulier dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique[16]. 2.3 Machines à courant alternatif Pour les applications de faible et moyenne puissance (jus- qu'à quelques kilowatts), le réseau monophasé standard suﬃt. Pour des applications de forte puissance, les mo- teurs à courant alternatif sont généralement alimentés par une source de courants polyphasés. Le système le plus fré- quemment utilisé est alors le triphasé (phases décalées de 120°) utilisé par les distributeurs d'électricité. Ces moteurs alternatifs se déclinent en trois types : • Les moteurs universels ; • Les moteurs asynchrones ; • Les moteurs synchrones. Ces deux dernières machines ne diﬀèrent que par leur ro- tor. 2.3.1 Les moteurs universels Article détaillé : Moteur universel. Un moteur universel est un moteur électrique fonction- nant 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 propor- tionnel au carré de son intensité. Il peut donc être alimenté indiﬀéremment en courant continu ou en courant alterna- tif, d'où son nom. Pour limiter les courants de Foucault qui apparaissent systématiquement dans toutes les 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 très réduit. Leur couple est faible, mais leur vitesse de rotation est importante. Quand ils sont utilisés dans des dispositifs exigeant un couple im- portant, ils sont associés à un réducteur mécanique. Ils uploads/Industriel/ machine-electrique.pdf