Champs magnétique tournant
Le principe fondamental de fonctionnement des machines à courant alternatif est la génération d’un champ magnétique tournant, qui fait tourner le rotor à une vitesse qui dépend de la vitesse de rotation du champ magnétique.
Nous allons maintenant expliquer comment un champ magnétique tournant peut être généré dans le stator et l’entrefer d’une machine à courant alternatif au moyen de courants alternatifs.
Considérons le stator représenté sur la figure 1, qui supporte des enroulements a-a′, b-b′ et c-c′. Les bobines sont géométriquement espacées de 120◦, et une tension triphasée est appliquée aux bobines. Les courants générés par une source triphasée sont également espacés de 120◦, comme illustré sur la figure 2 ci-dessous.
Les tensions de phase référencées à la borne neutre seraient alors données par les expressions //
où ωe est la fréquence de l’alimentation en courant alternatif, ou fréquence de ligne. Les bobines de chaque enroulement sont disposées de telle sorte que la distribution de flux générée par un enroulement quelconque est approximativement sinusoïdale.
Une telle distribution de flux peut être obtenue en disposant de manière appropriée des groupes de bobines pour chaque enroulement sur la surface du stator. Comme les bobines sont espacées de 120◦, la distribution de flux résultant de la somme des contributions des trois enroulements est la somme des flux dus aux enroulements séparés, comme le montre la figure 3.
Ainsi, le flux dans une machine triphasée tourne dans l’espace selon le diagramme vectoriel de la figure 4, et le flux est constant en amplitude. Un observateur stationnaire sur le stator de la machine verrait une distribution de flux variant de façon sinusoïdale, comme le montre la figure 3.
Puisque le flux résultant de la figure 3 est généré par les courants de la figure 2, la vitesse de rotation du flux doit être liée à la fréquence des courants de phase sinusoïdaux. Dans le cas du stator de la figure 1, le nombre de pôles magnétiques résultant de la configuration des enroulements est de 2.
Cependant, il est également possible de configurer les enroulements de manière à ce qu’ils aient plus de pôles. Par exemple, la figure 5 représente une vue simplifiée d’un stator à quatre pôles.
En général, la vitesse du champ magnétique tournant est déterminée par la fréquence du courant d’excitation f et par le nombre de pôles présents dans le stator p selon
où ns (ou ωs) est généralement appelée vitesse synchrone.
Maintenant, la structure des enroulements dans la discussion précédente est la même que la machine à courant alternatif soit un moteur ou un générateur. La distinction entre les deux dépend de la direction du flux de puissance. Dans un générateur, le couple électromagnétique est un couple de réaction qui s’oppose à la rotation de la machine ; c’est le couple contre lequel la machine motrice fait son travail.
Comme décrit plus haut, le champ magnétique du stator tourne dans une machine à courant alternatif, et donc le rotor ne peut pas « rattraper » le champ du stator et le poursuit constamment.
La vitesse de rotation du rotor va donc dépendre du nombre de pôles magnétiques présents dans le stator et dans le rotor.
L’amplitude du couple produit dans la machine est fonction de l’angle γ entre les champs magnétiques du stator et du rotor. Les expressions précises de ce couple dépendent de la façon dont les champs magnétiques sont générés et seront données séparément pour les deux cas des machines synchrones et des machines à induction.
Ce qui est commun à toutes les machines tournantes, c’est que le nombre de pôles du stator et du rotor doit être identique si l’on veut générer un quelconque couple. En outre, le nombre de pôles doit être pair, puisque pour chaque pôle nord, il doit y avoir un pôle sud correspondant.
Une caractéristique importante souhaitée dans une machine électrique est une capacité à générer un couple électromagnétique constant.
Avec une machine à couple constant, on peut éviter les pulsations de couple qui pourraient conduire à des vibrations mécaniques indésirables dans le moteur lui-même et dans d’autres composants mécaniques attachés au moteur (par exemple, des charges mécaniques, telles que des broches ou des transmissions par courroie). Un couple constant ne peut pas toujours être obtenu, bien qu’il sera montré qu’il est possible d’atteindre cet objectif lorsque les courants d’excitation sont multiphasés.
Une règle générale, à cet égard, est qu’il est souhaitable, dans la mesure du possible, de produire un flux constant par pôle.
Vidéo intéressante de champ magnétique tournant
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