Machine tournante à courant alternatif/Champs tournants

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Ce chapitre vient introduire les machines tournantes. Toutes les machines fonctionnent sur le même principe : interaction entre deux champs magnétiques. Il est donc tout naturel de commencer par le principe de fonctionnement plutôt que par les résultats mathématiques (relations) de ce principe de physique.

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Vous avez tous, un jour ou autre joué avec deux aimants. Dans ce chapitre, on n'utilisera pas des aimants comme source de champ magnétique, mais des bobines car tout circuit électrique parcouru par un courant est source d'un champ magnétique. Et on étudiera les intéractions entre ces champs.

Présentation expérimentale

Interaction de deux champs

On utilise deux aimants ayant la possibilité de pivoter sur eux-mêmes. Lorsque l’on en met un en rotation, le second se met à tourner à la même vitesse angulaire que le premier. On dit donc qu’il y a création d'un champ tournant. Leurs vitesse de rotations sont synchrones : ils tournent dans le même sens et à la même vitesse. On l'exprime en radians par seconde ou en tours par minute.

Création de deux champs tournants avec stator fixe

Soit le dispositif suivant constitué de deux bobines coaxiales alimentées par une seule source monophasée.

On remarque que lorsque l’on alimente les bobines, l'aiguille aimantée ne tourne pas naturellement.

En revanche, si on lance l'aiguille dans un sens elle tourne à la vitesse $\scriptstyle \Omega _{s}=\omega _{s}=\omega$ pulsation des courants de l'alimentation.

De même, lorsqu'on lance l'aiguille aimantée dans le sens opposé à celui précédemment, elle tourne à la même vitesse que précédemment mais en sens inverse.

Conclusion

Un système monophasé crée donc deux champs magnétiques tournant en opposition de phase. Parfois on dit qu'un système monophasé crée deux champs magnétiques dont l'un tourne à la vitesse $\scriptstyle \omega$ et l'autre à la vitesse $\scriptstyle -\omega$.

Création d'un champ tournant avec stator fixe

Dans l'expérience précédente, on s'aperçoit que les deux aimants sont en rotation. Ceci n’est pas très pratique et ne permet aucune conversion d'énergie. On imagine le dispositif suivant :

Soit trois bobines fixes, dont les axes sont décalés de $\textstyle {\frac {2\Pi }{3}}$. On les alimente par un réseau triphasé équilibré. Placé au centre de ce système, une aiguille aimantée (petit aimant mobile) se met à tourner dès lors que le système est alimenté. On remarque que suivant que l’on alimente les bobines par un système direct ou indirect de tensions, l'aiguille aimantée tourne dans un sens ou l'autre. De plus sa vitesse de rotation dépend de la fréquence d'alimentation des bobines.

Conclusion : théorème de Ferraris

Un système de bobines triphasées réparties régulièrement et alimentées par un système de courant triphasé de pulsation $\scriptstyle \omega$ créent un système d'un champ magnétique glissant de pulsation $\scriptstyle \omega$. La valeur du champ est maximale en un point de l’axe d'une bobine quand l'intensité du courant dans cette bobine est maximale.

Par rapport à notre expérience du 1.1 (Interaction de deux champs), on voit apparaître dans cette expérience un stator (partie fixe) et un rotor (partie mobile). L'ensemble fonctionne sur l'interaction entre deux champs.

Création d'un champ magnétique par courants induits

On vient de voir qu'un système de trois bobines crée un champ magnétique à répartition spatiale sinusoïdale.

Remplaçons l'aiguille de l'expérience précédente par un disque métallique plein. Celui-ci se met à tourner mais plus lentement que l'aiguille utilisée précédemment pour une même fréquence d'alimentation. On dit que la rotation est asynchrone. C’est le principe des moteurs asynchrones (décrit dans le chapitre suivant).

Deux problèmes se posent ici :

• Où sont les interactions entre deux champs magnétiques. Qui crée le second champ ?
• Pour que l’ensemble puisse tourner, il faut un couple constant, c'est-à-dire que les deux champs doivent tourner à le même vitesse. Comment est-ce possible ?

Explications :

• On se rappelle que toute pièce métallique soumise à une variation de flux est le siège de courant de Foucault (induits). Ces courants créent à leur tour un champ magnétique. L'intéraction des deux champs donne donc naissance à un mouvement de rotation du disque.
• Le rotor ne peut tourner à la vitesse de flux crée par les bobines car dans ce cas, il « verrait » un flux constant, il n'y aurait donc pas de phénomène d'induction, donc pas de champ rotorique, donc pas d'interaction, donc pas de rotation.

Le stator crée un champ magnétique tournant à la vitesse $\textstyle \Omega s$. Le rotor tourne à la vitesse $\textstyle \Omega$. Il voit donc défiler les pôles du stator à la vitesse $\textstyle \Omega s-\Omega$. Les courants induits créés ont donc une pulsation $\textstyle \omega _{R}=\omega s-\omega$. Ces derniers créent un champ magnétique tournant à la vitesse $\textstyle \Omega _{R}$ par rapport au rotor. Soit à $\textstyle \Omega _{R}+\Omega$ par rapport au stator, soit donc $\textstyle \Omega s-\Omega +\Omega =\Omega s$ par rapport au stator. Les deux champs tournent donc à la même vitesse.

Conclusion

Pour que le couple électromagnétique d'une machine soit constant, il faut que la position des pôles du stator par rapport à ceux du rotor reste la même.

Dans toutes les machines à courant alternatif triphasé, les flux statorique et rotorique tournent. Il est donc important de se rappeler que l'enroulement fixe du stator crée un flux tournant.

Lorsque le rotor tourne à la vitesse du champ tournant crée par le stator alors on dit que la vitesse est synchrone : c’est le principe des machines synchrones.

Inversement lorsque le rotor ne tourne pas à la vitesse du champ statorique, on dit que la vitesse est asynchrone : c’est le principe des machines asynchrones.

La machine à courant continu fonctionne aussi sur le principe d'un champ tournant associé aux forces de Laplace. C’est le collecteur qui remplit le rôle d'interrupteur pour faire le sens du courant dans le circuit rotorique.

Liens

• Wikipédia sur l’aimant
• Wikipédia sur le magnétisme
• Wikipédia sur le champ magnétique
• Wikiversité : Champ magnétique, magnétostatique