Machine à courant continu

MOTEUR A COURANT CONTINU

DEVELOPPEMENT


Chapitre 1 : LA CONSTRUCTION

Voici en première approche, un plan de conception de moteur à courant continu. Tous les composants seront analysés et détaillés. Ce plan n'est une conception exhaustive, une grande partie des options possibles seront passées en revue.

 

Repère 1 · Le flasque avant.Repère 2 · L'arbre.Repère 3 · Le palier avant.Repère 4 · Les balais.Repère 5 · Le guide balais.Repère 6 · Les ressorts.Repère 7 · Le collecteur.Repère 8 · La carcasse.Repère 9 · Les aimants.Repère 10 · Les tôles magnétiques.Repère 11 · Le cuivre.Repère 12 · L'agrafe.Repère 13 · Le palier arrière.Repère 14 · Le flasque arrière.


Repère 1, LE FLASQUE AVANT.

Ses missions.

La principale mission est de porter le palier avant, sur ces machines les efforts mécaniques sont modérés, par contre le positionnement géométrique est très important, car le jeu entre les aimants et les tôles magnétiques est faible (quelques dizièmes de millimètres). La seconde mission est le centrage de la carcasse, qui doit posséder une bonne concentricité avec le palier. Bien souvent le palier avant assure aussi la fixation du guide balais.

Sa construction.

Les matériaux utilisés sont soit l'aluminium ou le plastique. Le moyen d'obtention pour l'aluminium est dans la majorité des cas la fonderie, et pour le plastique l'injection est utilisée.


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Repère 2, L'ARBRE.

Ses missions.

L'arbre assure le maintien de toute les pièces en rotation. Les tôles magnétiques sont montées généralement en force par un gonflement local du diamètre de l'arbre. Tout le couple créé transite par cet emmanchement. La flexion de l'arbre est particulièrement à surveiller, la charge appliquée sur son extrémité peut engendrer un couple tel qu'une flexion critique s'induise. Cette flexion se traduit par une fatigue de l'arbre, un mauvais positionnement des balais et cas extrême un contact entre les tôles magnétiques et les aimants.

Sa construction.

Ils sont en acier, et s'ils sont ouvragés pour le montage des paliers, le tour est utilisé pour leur fabrication.


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Repère 3, LE PALIER AVANT.

Ses missions.

Le palier avant reprend la majorité des efforts radiaux, et tout les efforts axiaux quand ils sont présents. Seuls les calculs mécaniques permettent le choix entre les roulements à billes ou les paliers lisses. Les paliers lisses sont inaptes à encaisser les efforts axiaux.


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Repère 4, LES BALAIS.

Leur mission.

Le transport du courant de la partie fixe vers la partie mobile. Ces composants sont fortement sollicités en température. L'élévation de température est produite par les pertes Joule et par le frottement des balais sur le collecteur. Un bon calage de l'axe des balais par rapport à l'axe magnétique de la machine est nécessaire pour éviter les arcs électriques. La précédente étude indiquait un angle de 90°, mais pour palier aux temps d'établissement des courants, une légère avance peut être requise. Ce calage peut ce faire si un seul sens de rotation est demandé.

Dans certaine application, un troisième balais est disposé, ce qui permet d'obtenir une varation très simple de la vitesse de rotation. En effet, ce troisième balais est disposé non pas à 180° d'un autre mais a un angle tel que le rendement s'effondre ainsi que la vitesse de rotation. Une simple commutation du courant vers ce troisième balais offre une deuxième vitesse de rotation. Voici une photo montrant la disposition de ce balai:

Leur construction.

Ils sont généralement frittés. La composition est à base de graphite plus divers composants que les contructeurs gardent jalousement.


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Repère 5, LE GUIDE BALAIS.

Sa mission.

Ce guide est une liaison glissière pour les balais. Le guidage doit avoir une hauteur suffisante et avec un jeu convenable pour éviter aussi bien les coincements que les battements. Dans quelques cas, des rainures antipoussières sont aménagées sur les faces des balais ou dans le guide pour éviter tout blocage.

Leur construction.

Deux grandes technologies: Une ancienne qui utilise de la tôle laiton pliée. Ceci est encore très répendu. Une plus moderne qui utilise du plastique injecté.


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Repère 6, LES RESSORTS.

Leur mission.

La mission est d'obtenir une pression de contact entre chaque balais et le collecteur. Cet effort doit être suffisant pour limiter la chute de tension sous les balais et de plus éviter tout décollement. L'effort ne doit pas être trop important pour limiter les échauffements et usures aux contacts.

Leur construction.

Ils sont soit hélicoïdaux, à spirales ou à lames. Parfois le guide balais intègre cette fonction.


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Repère 7, LE COLLECTEUR.

Sa mission.

C'est un interrupteur tournant qui assure la distribution du courant quelque que soit la vitesse de rotation de la machine. L'ensemble collecteur-balais peut aussi être vu comme un onduleur de courant mécanique. Ce collecteur permet de garder les champs magnétiques perpendiculaires quelque soit la position du rotor.

La constance du couple sur un tour, dépend du nombre de lame sur le collecteur. Par un raisonnement quantitatif, si un rotor possédait un collecteur à deux lames, le moteur tournerait mais son couple oscillerait de zéro à sa valeur maximale. Deux lames ne permettent pas de garder les deux champs magnétiques orthogonaux. Par opposition, un collecteur avec un nombre de lame infini donnerait un couple parfaitement constant.

 

 

Sa construction.

L'âme est une bague isolante, cette bague est chaussée d'un anneau de cuivre possédant des crochets pour y souder ou pincer le fil de cuivre. Aprés montage du cuivre sur l'isolant, des saignées sont réalisées pour obtenir les lames. Sur la photo ci-dessus, les saignées sont parfaitement visibles.


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Repère 8, LA CARCASSE.

Sa mission.

Plusieurs roles pour la carcasse, le premier est la conduction du champ magnétique. Donc ceci interdit les carcasses en autres matériaux que l'acier, à moins qu'un anneau de fermeture de champ soit ajouté. De plus bien veiller à l'épaisseur de la carcasse pour ne pas saturer magnétiquement le matériau.

Le deuxième role est évidemment la tenue mécanique du moteur.

Sa construction.

Là encore plusieurs voies:

  • L'emboutissage, qui offre l'avantage de faire venir avec la carcasse le flasque arrière.
  • Le roulage et l'agraffage, dans ce cas un flasque arrière doit être ajouté.

 


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Repère 9, LES AIMANTS.

Leur mission.

Créer un champ magnétique constant lié au repère de la carcasse.
Deux grandes familles pour le matériau de construction:

  • La ferrite: matériau pour des aimants peu onéreux, leur performance est honorable (cout/champ magnétique induit).
  • La terre rare: matériau plus noble pour des moteurs d'une puissance massique plus importante, le cout est évidemment supérieur à la ferrite.

Il existe bien une grande diversité de matière avec des propriétés intéressantes. Ce chapitre mérite à lui seul une site.

Leur construction.

Ils sont frittés sous la forme de tronçon de cylindre. Ils sont livrés soit magnétisés ou non. Dans cas la magnétisation se réalise une fois le moteur assemblé.

Leur fixation.

Ils sont fixés sur la carcasse soit par de la colle ou par des agraphes métalliques.


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Repère 10, LES TOLES MAGNETIQUES.

Leur mission.

Conduire le flux magnétique.

Leur construction.

Feuilles de toles découpées. Les toles sont isolées sur une face ou sur les deux par un vernis, ceci pour éviter les courants de Foucault qui circulent perpendiculairement au flux magnétique. Les épaisseurs varient de quelques dixièmes à 2 millimètres suivant les tailles de machines. Le choix de l'épaisseur est un compromis coût et présence de courants de Foucault.


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Repère 11, LE CUIVRE.


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Repère 12, L'AGRAPHE.


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Repère 13, LE PALIER ARRIERE.


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Repère 14, LE FLASQUE ARRIERE.