Fiche explicative de la leçon: Machine à courant continu en fonctionnement moteur Physique

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment décrire l’usage du commutateur pour produire une rotation uniforme à partir d’un courant continu.

Une machine à courant continu, ou CC, est une machine qui convertit l’énergie électrique en énergie cinétique. Ce moteur utilise le principe de l’induction électromagnétique. Nous allons voir comment une machine à courant continu est conçue et comment elle fonctionne.

Commençons par regarder comment est construite une machine à courant continu. Les principaux éléments sont représentés sur le schéma ci-dessous.

Cet appareil est appelé machine à courant continu car elle est alimentée par une source de courant continu. Une source de courant continu, comme une batterie par exemple, est une source de courant qui délivre un courant ayant toujours la même direction.

La source de courant continu est reliée au moteur par l’intermédiaire de deux balais. Les balais et les fils servant à la connexion sont représentés en bleu sur le schéma. Ces balais sont incurvés pour aider à maintenir le contact électrique avec le commutateur qui est situé entre les deux balais.

Le commutateur est représenté en orange sur la figure. Généralement, un commutateur ressemble à un disque épais coupé en deux. Il est constitué de métal et peut donc conduire l’électricité. Mais comme les deux moitiés sont séparées physiquement, elles sont aussi séparées électriquement et les charges ne peuvent pas circuler librement de part et d’autre du commutateur.

Chaque moitié du commutateur est connectée à l’une des extrémités d’une spire de fil. Cette spire de fil, représentée en rose sur le schéma, est appelée bobine. On l’appelle aussi parfois armature. On a représenté la spire de fil selon un plan horizontal sur le schéma. Mais cette spire tourne avec le commutateur, autour d’un axe passant par son centre. Cet axe est représenté par la ligne grise en pointillés.

Autour de la bobine, on trouve un aimant permanent. Celui-ci est représenté en gris sur le schéma. Cet aimant est souvent appelé stator. Ce nom indique que cette partie du moteur reste immobile, contrairement à la bobine qui est en rotation.

Le commutateur et les balais sont représentés en gros plan sur le schéma ci-dessous. On a représenté deux différents types de commutateurs ici : le commutateur peut être formé de deux moitiés en forme de D, comme sur le schéma de gauche, ou de deux moitiés creuses, comme sur le schéma de droite. Ces schémas représentent une vue de derrière, contrairement au schéma précédent. Il est important de noter que chaque extrémité de la spire conductrice est reliée à une moitié du commutateur. Lorsque le commutateur et la spire tournent, les extrémités du fil restent fixées aux moitiés du commutateur.

Nous avons commencé par représenter une machine à courant continu avec des couleurs différentes pour mettre en évidence les différents éléments. Cependant, maintenant que nous avons identifié ces différents éléments, il est peut-être plus utile de représenter le moteur comme suit.

Dans cette deuxième version, les éléments du moteur qui sont fixés sont représentés en gris et ceux qui peuvent tourner en orange.

Considérons le chemin suivi par le courant. Ce chemin est représenté sur le schéma ci-dessous avec la bobine en position horizontale.

Rappelons que par convention, le courant circule depuis la borne positive jusqu’à la borne négative. Nous avons donc un courant provenant de la borne positive.

L’espace entre les deux moitiés du commutateur empêche le courant de circuler directement vers la borne négative. Cependant, comme chaque moitié du commutateur est reliée à une extrémité de la bobine, le courant circule alors par la bobine. Le courant suit la spire de la bobine jusqu’à atteindre l’autre moitié du commutateur.

Cette seconde moitié du commutateur est en contact avec le balai relié à la borne négative. Le courant peut donc rejoindre la borne négative en suivant ce chemin, complétant ainsi le circuit.

Maintenant, voyons ce que fait réellement le courant pour que ce dispositif se comporte comme un moteur.

Le principe de base d’une machine à courant continu est que si une charge se déplace dans un champ magnétique, cette charge va subir une force.

Dans le cas présent, nous considérons un flux de charges dans un fil, autrement dit, un courant électrique. Nous avons un fil d’une longueur donnée parcouru par un courant dans un champ magnétique. Comme il y a des charges en mouvement dans le fil, nous savons qu’une force va s’exercer sur ce fil.

La force exercée sur le fil est dirigée perpendiculairement à la direction du courant dans le fil et à la direction du champ magnétique. Regardons alors la direction du courant et du champ magnétique.

La direction du champ magnétique est indiquée sur le schéma ci-dessus. Nous savons que le champ magnétique entre les deux pôles d’un aimant est dirigé du pôle nord vers le pôle sud ; dans notre cas, c’est de la gauche vers la droite de l’écran.

La direction des courants circulant dans les deux parties de la bobine et qui sont perpendiculaires au champ magnétique sont également indiqués. Rappelons que seul le courant dont la direction est perpendiculaire au champ va créer une force. Sur le côté gauche de la bobine, le courant est dirigé « vers l’écran ». Sur le côté droit, le courant est dirigé vers nous, « hors de l’écran ».

Concentrons-nous sur le côté gauche de la bobine. Ici, le courant est dirigé « vers l’écran ». Le champ magnétique est dirigé de la gauche vers la droite. Nous savons que la force doit être perpendiculaire à ces deux grandeurs, mais il y a encore deux possibilités : vers le haut ou vers le bas.

Pour déterminer la direction de la force, nous pouvons utiliser la règle de la main gauche de Fleming.

Règle: Règle de la main gauche de Fleming

La règle de la main gauche de Fleming nous permet de déterminer la direction de la force exercée sur un fil parcouru par un courant dans un champ magnétique, à condition que les directions du champ et du courant soient perpendiculaires.

La règle est représentée de manière visuelle sur la figure ci-dessus. Voici son fonctionnement : 

• Il faut placer l’index de la main gauche dans la direction du champ magnétique.
• Ensuite, il faut placer le majeur avec un angle de par rapport à l’index, selon la direction du courant.
• Puis, il faut placer le pouce, avec un angle de par rapport aux deux autres doigts, ce qui va indiquer la direction de la force exercée sur le fil.

Appliquons la règle de la main gauche à la bobine de fil du moteur.

Commençons par considérer le côté gauche de la bobine. Ici, le courant est dirigé « vers l’écran ». Le champ magnétique est dirigé vers la droite. Pour appliquer la règle de la main gauche, il faut placer l’index dans la direction du champ et le majeur dans la direction du courant. Ceci est représenté sur la figure ci-dessous.

Nous constatons que le pouce est dirigé vers le bas. Cela nous indique que la force exercée sur le côté gauche de la bobine est dirigée vers le bas.

Nous pouvons appliquer le même procédé sur le côté droit de la bobine. Dans ce cas, le champ est toujours orienté vers la droite, mais le courant est maintenant dirigé vers nous. Nous pouvons facilement vérifier cela en utilisant la règle de la main gauche (et c’est un bon exercice d’entraînement) que la force exercée sur le côté droit de la bobine est dirigée vers le haut.

Les forces exercées sur les deux côtés de la bobine ont donc les directions indiquées sur le schéma ci-dessous. Le schéma de droite est une vue de dessus où la direction du courant est indiquée. Le schéma de droite est une vue de côté où les forces exercées sont représentées. Sur le schéma montrant la vue de côté, la direction du courant est également représentée en utilisant les symboles (vers l’écran) et (hors de l’écran).

Il est important de bien répéter que les deux autres côtés de la bobine ne subissent aucune force. En effet, la direction du courant dans ces deux côtés est parallèle à la direction du champ magnétique.

Considérons un exemple pour nous familiariser avec les machines à courant continu et nous entraîner à utiliser la règle de la main gauche.

Exemple 1: Déterminer la direction du courant dans la bobine d’une machine à courant continu

La figure représente une machine à courant continu. Les flèches rouges représentent les forces exercées sur la bobine. Laquelle des bornes ou correspond à la borne positive du moteur ? 

Réponse

Dans cette question, on nous demande de déterminer laquelle des deux bornes ou correspond à la borne positive. Pour cela, il faut déterminer la direction du courant, car nous savons que par convention le courant circule de la borne positive vers la borne négative.

On nous donne la direction des forces exercées sur les côtés gauche et droit de la bobine. Nous savons aussi que le champ magnétique est dirigé du pôle nord vers le pôle sud de l’aimant permanent ; c’est-à-dire de la gauche vers la droite.

Utilisons maintenant la règle de la main gauche. Considérons d’abord le côté gauche de la bobine. Ici, nous savons que le champ magnétique est dirigé vers la droite (direction dans laquelle il faut placer l’index) et que la force est dirigée vers le haut (direction dans laquelle il faut placer le pouce).

Nous constatons que le majeur, qui indique la direction du courant, est dirigé vers nous. Cela signifie que le courant sur le côté gauche de la bobine est dirigé vers nous, « hors de l’écran ».

Comme la direction du courant ne peut pas changer dans le circuit, le courant doit donc suivre le chemin suivant dans le moteur : 

Puis, comme le courant circule de la borne positive vers la borne négative, la bonne réponse est donc que la borne positive correspond à la borne .

Au début de cette fiche explicative, nous avons dit que la bobine pouvait tourner (avec le commutateur). Nous avons donc vu que la combinaison du courant circulant dans la bobine et du champ magnétique du stator (les aimants autour de la bobine) crée des forces qui s’exercent sur les deux côtés de la bobine.

Il se trouve que ce sont ces forces qui provoquent la rotation de la bobine. Plus précisément, c’est le couple résultant de ces forces qui provoque la rotation.

Le couple résultant d’une force est défini comme le produit de l’intensité de la force par la distance perpendiculaire entre la droite d’application de la force et l’axe de rotation. C’est-à-dire qu’à chaque fois qu’une force est exercée sur un objet à une certaine distance perpendiculairement à l’axe autour duquel cet objet peut tourner, il y a création d’un couple.

Sur la figure ci-dessous, nous pouvons voir l’axe autour duquel la bobine peut tourner, c’est-à-dire son axe de rotation. Nous pouvons également voir que les deux forces ne sont pas exercées selon cet axe, mais à une certaine distance.

La distance entre les forces et l’axe a été mise en évidence sur la figure à l’aide des deux flèches en pointillés noirs. Comme les forces ne sont pas orientées selon l’axe, elles vont en fait créer un couple sur la bobine.

Dans ce cas, la force de gauche agit vers le bas tandis que la force de droite agit vers le haut. Comme on pouvait s’y attendre, le couple fait donc tourner la bobine (avec le commutateur) dans la direction indiquée sur le schéma, c’est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, selon la vue que nous avons.

Jusqu’à présent, toutes nos observations ont été faites dans le cas où la bobine est située dans un plan horizontal. Cependant, nous venons de montrer que les forces exercées sur la bobine jusqu’à présent créent un couple qui a pour effet de la faire tourner. Cela signifie que nous devons également considérer ce qui se passe lorsque la bobine est orientée différemment.

Regardons le cas où la bobine a tourné d’un angle inférieur à par rapport à la position horizontale initiale considérée. Ceci est représenté sur la figure ci-dessous.

Nous pouvons voir sur la figure que le commutateur a tourné avec la bobine, mais que les deux moitiés du commutateur sont toujours en contact électrique avec le même balai. Pour plus de clarté, les deux moitiés du commutateur ont été identifiées avec les chiffres 1 et 2. Nous pouvons donc dire qu’à ce stade, la moitié 1 du commutateur est toujours en contact avec la borne positive et que la moitié 2 du commutateur est toujours en contact avec la borne négative.

Cela signifie que les charges électriques se déplacent toujours de la même manière dans le circuit que lorsque la bobine était horizontale. Le courant circule dans la même direction que précédemment dans les côtés gauche et droit de la bobine.

Comme les directions du courant sont toujours les mêmes et que la direction du champ magnétique n’a pas changé non plus, les forces exercées sur les deux côtés de la bobine ont aussi les mêmes directions que précédemment. C’est-à-dire que la force qui s’exerce sur le côté gauche est dirigée vers le bas et que la force qui s’exerce sur le côté droit est dirigée vers le haut.

Comme précédemment, ces forces ne sont pas dirigées selon l’axe de rotation de la bobine. Elles créent donc un couple. Cependant, nous pouvons voir sur le schéma ci-dessus que la distance perpendiculaire entre ces forces et l’axe de rotation est plus petite que lorsque la bobine était horizontale. Comme ces forces s’exercent plus près de l’axe de rotation qu’auparavant, l’intensité du couple créé diminue.

À mesure que la bobine tourne et se rapproche d’un angle de par rapport à l’horizontale, l’intensité du couple exercé sur la bobine diminue progressivement car la distance entre les forces et l’axe de rotation diminue.

Considérons maintenant ce qui se passe lorsque la bobine atteint une position verticale, ce qui est représenté sur le schéma ci-dessous.

Nous pouvons voir sur la figure que, dans cette position, quelles que soient les forces exercées sur les côtés de la bobine, elles seront dirigées selon l’axe de rotation. Aucun couple ne sera donc créé par ces forces. Autrement dit, lorsque la bobine est orientée verticalement comme ceci, il n’y a pas de couple résultant. La bobine continue à tourner seulement parce qu’elle possède un certain moment d’inertie de rotation ; Comme la bobine se déplaçait déjà dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, elle va continuer à tourner à moins de rencontrer une résistance.

Il y a un autre point important à noter sur ce schéma : c’est la position du commutateur. Jusqu’à présent, la moitié 1 du commutateur était toujours en contact électrique avec le balai relié à la borne positive. De même, la moitié du commutateur 2 était toujours en contact avec le balai relié à la borne négative. La position verticale de la bobine correspond à un point de commutation. Au-delà de ce point, la moitié 1 du commutateur sera en contact avec la borne négative, alors que la moitié 2 du commutateur sera en contact avec la borne positive.

Considérons ce qui arrive au courant circulant dans la bobine après avoir dépassé la position verticale. Les charges circulent maintenant de la borne positive vers la moitié 2 du commutateur. Elles traversent la bobine jusqu’à atteindre la moitié 1 du commutateur. Elles passent ensuite du balai droit vers la borne négative. Ceci est représenté sur le schéma de droite ci-dessous.

Le schéma de gauche représente la bobine avant qu’elle n’atteigne la position verticale. Pour plus de clarté, les côtés de la bobine sont repérés avec les chiffres 1 et 2 selon la moitié du commutateur à laquelle ils sont connectés.

Nous pouvons voir que lorsque la bobine dépasse la position verticale, la direction du courant change au niveau de la bobine. Avant d’atteindre la position verticale, le courant du côté 1 était dirigé « vers l’écran » alors que le courant du côté 2 était dirigé vers nous, « hors de l’écran ». Mais après avoir dépassé la position verticale, le courant du côté 1 est dirigé « hors de l’écran » alors que le courant du côté 2 est dirigé « vers l’écran ».

Cependant, la direction du courant dans le circuit extérieur à la bobine reste inchangée. Le courant est toujours dirigé de la borne positive vers le balai de gauche et du balai de droite vers la borne négative. C’est le fait d’avoir ajouté un commutateur qui a pour conséquence de changer la direction du courant dans la bobine.

Nous avons vu ce qui arrive au courant dans la bobine lorsqu’elle dépasse la position verticale. Considérons maintenant les forces exercées de chaque côté de la bobine. Ces forces sont représentées sur le schéma ci-dessous.

Nous avons de nouveau représenté la bobine dans deux positions, avant et après le passage à la position verticale. En plus des directions du courant dans les deux côtés de la bobine, les forces exercées sur les deux côtés de la bobine ont aussi été indiquées. Les directions de ces forces peuvent être vérifiées en utilisant la règle de la main gauche.

Avant d’atteindre la position verticale (schéma de gauche), la force exercée sur le côté 1 était dirigée vers le bas et la force exercée sur le côté 2 était dirigée vers le haut. Nous avons vu précédemment que la force exercée sur le côté gauche de la bobine était dirigée vers le bas et la force exercée sur le côté droit vers le haut.

En regardant le schéma de droite, nous voyons qu’après le passage de la position verticale, la force exercée sur le côté gauche de la bobine est toujours dirigée vers le bas et que la force exercée sur le côté droit est toujours dirigée vers le haut. Cependant, le côté 1 est maintenant le côté droit et le côté 2 le côté gauche. Étant donné que la direction du courant à travers la bobine a changé, la direction des forces qui s’exercent sur les deux côtés de la bobine a également changé.

Regardons un exemple.

Exemple 2: Identifier les positions du couple maximal et minimal dans une machine à courant continu

La figure représente une machine à courant continu. La bobine du moteur est représentée avec quatre angles différents par rapport au champ magnétique du moteur.

1. À quelle position le couple exercé sur la bobine du moteur est-il maximal ? 
2. À quelle position le couple exercé sur la bobine du moteur est-il minimal ? 

Réponse

Question 1

La figure représente une machine à courant continu avec quatre angles différents pour la bobine. En position I, la bobine est horizontale. Dans les positions II et IV, la bobine fait un angle de avec l’horizontale. En position III, la bobine est verticale.

Rappelons que des forces sont exercées sur les deux côtés de la bobine, perpendiculairement à la direction du champ magnétique. Ces côtés sont ceux qui sont situés devant et derrière (à gauche et à droite lorsque la bobine est horizontale).

Le couple exercé sur la bobine dépend de l’intensité de la force elle-même, mais aussi de la distance entre la droite d’application de cette force et l’axe de rotation.

L’intensité de la force est calculée en utilisant , où est l’intensité du champ magnétique, est le courant et est la longueur du fil. Puisqu’aucune de ces grandeurs ne change lorsque la bobine tourne, l’intensité de la force ne changera pas. Par conséquent, si la valeur du couple change, c’est que la distance entre la droite d’application de la force et l’axe de rotation de la bobine a changé.

Lorsque la bobine est horizontale, cette distance est maximale. Par conséquent, le couple exercé sur la bobine est maximal lorsque la bobine est horizontale, comme dans la position I.

Question 2

Le couple sera minimal lorsque la distance entre la droite d’application de la force et l’axe de rotation de la bobine sera minimal.

Cela se produit lorsque la bobine est verticale. Dans ce cas, la distance entre l’axe de rotation et l’un ou l’autre des côtés de la bobine perpendiculaire à la direction du champ magnétique est nulle. Lorsque la bobine est verticale, le couple est non seulement minimal, mais il est en réalité nul.

La bonne réponse est donc que le couple exercé sur la bobine est minimal lorsque la bobine est orientée verticalement, comme en position III.

Chaque fois que la bobine passe par la position verticale, la direction du courant dans la bobine change. Cela signifie que la direction des forces exercées sur les côtés A et B change également à chaque fois.

Par conséquent, la force exercée sur le côté de la bobine situé à gauche (le côté 1 ou 2) sera toujours dirigée vers le bas, alors que la force exercée sur le côté droit de la bobine sera toujours dirigée vers le haut.

Cela signifie que le couple résultant de ces forces aura toujours pour effet de faire tourner la bobine dans la même direction. La bobine continuera donc sa rotation dans la même direction.

Regardons un autre exemple.

Exemple 3: Identifier le sens de rotation de la bobine d’une machine à courant continu

Lequel des schémas de moteur à courant continu représente correctement le sens de rotation du moteur ? La bobine du moteur est représentée avec quatre angles différents par rapport au champ magnétique du moteur.

Réponse

Dans cette question, on nous demande lequel des deux schémas représente correctement le sens de rotation du moteur. Pour répondre à cette question, rappelons-nous ce qui est à l’origine de cette rotation.

La rotation est provoquée par l’application d’un couple sur la bobine et ce couple est créé par la force induite sur les fils de la bobine où circule un courant.

Considérons un schéma avec une seule position de la bobine. Le schéma est représenté ci-dessous. Rappelons qu’à cause de la liaison particulière qui existe entre le commutateur et les balais de la bobine, si nous pouvons déterminer la direction dans laquelle le couple fait tourner la bobine pour n’importe quel angle, nous pouvons alors en déduire que l’effet du couple sera le même quel que soit l’angle de la bobine. Autrement dit, la bobine continuera à tourner dans le même sens.

Rappelons que la direction de la force peut être déterminée à partir de la direction du courant et de la direction du champ magnétique en utilisant la règle de la main gauche.

La direction du champ magnétique est indiquée sur la figure. Le champ magnétique est dirigé vers la droite car le champ magnétique entre deux pôles d’un aimant est dirigé du pôle nord vers le pôle sud.

Comme le courant conventionnel circule de la borne positive vers la borne négative, nous savons que le courant dans la bobine sera dirigé comme indiqué sur le schéma.

Considérons le côté gauche de la bobine. Nous voyons que le courant est dirigé « vers l’écran », alors que le champ magnétique est dirigé vers la droite.

Pour utiliser la règle de la main gauche, il faut placer l’index dans la direction du champ (vers la droite) et le majeur dans la direction du courant (vers l’écran). Ceci est représenté sur la figure ci-dessous.

Comme le montre la figure, le pouce sera donc dirigé vers le bas. La force exercée sur le côté gauche de la bobine est donc dirigée vers le bas.

Si nous appliquons la même règle de la main gauche au côté droit de la bobine, nous constatons que la force exercée sur ce côté est dirigée vers le haut, car, dans ce cas, le courant est dirigé « hors de l’écran ».

Les forces sont représentées sur la figure ci-dessous.

Comme les forces exercées vont pousser le côté gauche de la bobine vers le bas et le côté droit vers le haut, le couple résultant va donc faire tourner la bobine dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

En comparant avec les schémas proposés dans la question, nous voyons que le sens de rotation correspondant au sens inverse des aiguilles est représenté sur le schéma B.

Nous avons maintenant vu tous les points essentiels liés au fonctionnement d’une machine à courant continu. Il ne reste plus qu’un seul point important : comment cette bobine en rotation se comporte-elle comme une machine ? 

En fait, une tige métallique est fixée dans l’axe de rotation de la bobine. Lorsque la bobine tourne, la tige métallique tourne également.

Cette tige en rotation peut alors faire tourner un engrenage ou un autre objet mécanique devant effectuer un travail mécanique. De cette manière, une machine à courant continu utilise l’énergie électrique du circuit pour générer un travail mécanique.

Terminons en résumant ce que nous avons appris.