Types de Moteurs CC (Moteur à courant continu)

Moteur CC vue de face et vue arrière
Moteur CC vue de face et vue arrière
Les moteurs CC sont égale­ment appelés moteurs à courant con­tinu, leur con­trepar­tie directe étant les moteurs CA ou égale­ment appelés moteurs à courant alter­natif. Comme son nom l’indique, un moteur à courant con­tinu peut être ali­men­té par du courant con­tinu provenant d’une source de ten­sion con­tin­ue, par exem­ple une bat­terie de 12V. L’il­lus­tra­tion du haut mon­tre la vue arrière et la vue avant d’un moteur à courant con­tinu. Pour mieux expli­quer la struc­ture et le fonc­tion­nement, nous avons choisi un design de moteur très simple. 

Design du moteur CC

Comme tout moteur élec­trique, le moteur à courant con­tinu se com­pose d’un rotor et d’un sta­tor. Con­traire­ment aux moteurs à courant alter­natif, le sta­tor non rotatif du moteur à courant con­tinu est com­posé d’aimants per­ma­nents. Les aimants per­ma­nents sont fixés sur une enveloppe cylin­drique en tôle. Le rotor en rota­tion est con­sti­tué de tôles mag­né­tiques fines indi­vidu­elles. Le rotor est entouré d’en­roule­ments en fil de cuiv­re. Les dif­férents bobi­nages sont reliés au col­lecteur. Deux bross­es pour le pôle posi­tif et le pôle négatif frot­tent sur le com­mu­ta­teur rotatif. Les bross­es peu­vent par exem­ple être con­sti­tuées de tiges de char­bon ou de métal. Pour amélior­er le con­tact, les broches de car­bone sont pressées sur le col­lecteur par de petits ressorts. Les bal­ais sont reliés aux pôles posi­tif et négatif pour la ten­sion con­tin­ue. Con­traire­ment à un moteur à courant alter­natif, qui pos­sède générale­ment trois bornes pour l’al­i­men­ta­tion élec­trique, le moteur à courant con­tinu ne pos­sède que deux bornes pour une ten­sion continue. 

Fonctionnement du moteur CC

Comme tout moteur élec­trique, le moteur à courant con­tinu a besoin d’un champ mag­né­tique vari­able qui varie en fonc­tion de la posi­tion. Le champ mag­né­tique est généré par un flux de courant dans les enroule­ments. Pour que le champ mag­né­tique varie en fonc­tion de la posi­tion, le sens du flux de courant dans les enroule­ments doit chang­er. C’est pré­cisé­ment pour cela que l’on a besoin de ce que l’on appelle le com­mu­ta­teur, qui mod­i­fie la polar­ité de la ten­sion appliquée aux enroule­ments. Le com­mu­ta­teur veille donc à ce qu’une ten­sion pos­i­tive ou néga­tive soit appliquée aux enroule­ments. Cela mod­i­fie égale­ment le sens du flux de courant dans l’en­roule­ment et donc le champ mag­né­tique. Le com­mu­ta­teur peut donc être con­sid­éré comme un ond­uleur mécanique qui trans­forme le courant con­tinu du moteur en un courant alter­natif pour les enroule­ments. C’est pour cette rai­son que le col­lecteur est égale­ment appelé “inverseur de courant mécanique”. 
Moteur CC commutateur vue de face et vue de dessus
Moteur CC com­mu­ta­teur vue de face et vue de dessus

Types de moteurs CC

Il existe trois types de moteurs à courant continu:

  • moteur à courant con­tinu auto-excité
  • moteur à courant con­tinu à exci­ta­tion séparée
  • Moteur à courant con­tinu à aimants permanents

Le moteur à courant con­tinu à exci­ta­tion par aimant per­ma­nent est le plus répan­du en rai­son de sa struc­ture sim­ple. Le moteur à courant con­tinu à exci­ta­tion séparée et le moteur à courant con­tinu auto-excité n’ont pas d’aimants per­ma­nents dans le sta­tor ; à la place, ces moteurs à courant con­tinu utilisent des élec­troaimants dans le sta­tor. Dans les moteurs à courant con­tinu auto-excités, la ten­sion pour l’élec­troaimant est util­isée directe­ment à par­tir de la ten­sion con­tin­ue. Les moteurs à courant con­tinu à exci­ta­tion séparée utilisent à la place une ten­sion sup­plé­men­taire qui peut être réglée indépen­dam­ment de la ten­sion con­tin­ue du moteur à courant con­tinu. Les moteurs à courant con­tinu sans bal­ais ou moteurs BLDC sont l’équiv­a­lent direct des moteurs à courant con­tinu. Comme leur nom l’indique, les moteurs BLDC n’ont pas de bal­ais, et donc pas de com­mu­ta­teur. Les moteurs sans bal­ais font par­tie des moteurs à courant alter­natif. Les moteurs à courant con­tinu sans fer ou sans encoches n’ont pas d’en­coches dans le rotor, c’est-à-dire pas de dents autour desquelles sont enroulés les bobi­nages. Les enroule­ments sont donc pour ain­si dire enroulés autour d’air. C’est pourquoi on par­le aus­si d’en­roule­ment dans l’entrefer.

Régulation du moteur CC

Le sens de rota­tion peut être réglé sim­ple­ment par la polar­ité sur les deux bornes du moteur à courant con­tinu. Par exem­ple, +12V pour la rota­tion à droite et ‑12V pour la rota­tion à gauche. Pour con­naître la ten­sion d’al­i­men­ta­tion et le sens de rota­tion exacts, il con­vient de con­sul­ter la fiche tech­nique du fab­ri­cant du moteur à courant con­tinu. La vitesse de rota­tion peut être mod­i­fiée par la ten­sion du moteur à courant con­tinu. Toute­fois, pour régler cor­recte­ment la vitesse, un cap­teur ou un encodeur est néces­saire pour détecter la vitesse. Il existe égale­ment des méth­odes spé­ciales pour cal­culer la vitesse à par­tir du courant du moteur. On peut utilis­er comme régu­la­teur un régu­la­teur PI qui adapte la ten­sion en fonc­tion de l’é­cart entre la vitesse de con­signe et la vitesse réelle. Le niveau de ten­sion ain­si réglé mod­i­fie le courant con­tinu qui cir­cule dans le moteur. De cette manière, la vitesse du moteur à courant con­tinu est réglée sur la vitesse définie.

Moteur CC commutateur avec enroulements
Moteur CC com­mu­ta­teur avec enroulements

Applications Moteurs CC

Les moteurs à courant con­tinu sont générale­ment util­isés pour des ser­vo­mo­teurs sim­ples. L’in­dus­trie auto­mo­bile est un grand domaine d’ap­pli­ca­tion des ser­vo­mo­teurs à courant con­tinu. Les moteurs à courant con­tinu y sont util­isés pour les clapets et les vannes. Dans le domaine du mod­élisme égale­ment, de nom­breux moteurs à courant con­tinu sont util­isés pour des ser­vo­com­man­des des­tinées à pilot­er des mod­èles réduits d’avions ain­si que des voitures et des bateaux télécommandés.

Avantages et inconvénients

Comme les moteurs à courant con­tinu sont fab­riqués en très grandes quan­tités dans le cadre d’un proces­sus entière­ment automa­tisé, ils sont très bon marché. Dans la plu­part des cas, des fer­rites bon marché sont util­isées à la place des aimants néodyme-fer-bore afin de main­tenir les coûts de fab­ri­ca­tion à un niveau bas. Les aimants les plus faibles ont un ren­de­ment plus faible et une den­sité de puis­sance plus faible. Il existe toute­fois des moteurs à courant con­tinu de qual­ité supérieure qui ont un bon ren­de­ment. Mais ils sont alors com­pa­ra­bles aux moteurs à courant alter­natif en ter­mes de coûts. Un incon­vénient majeur est la durée de vie lim­itée due à l’usure par frot­te­ment des bal­ais. Ceux-ci lim­i­tent égale­ment la vitesse de rota­tion des moteurs à courant con­tinu. Ce que l’on appelle le feu des bal­ais, qui se pro­duit entre les bal­ais et le col­lecteur, lim­ite égale­ment les pos­si­bil­ités d’u­til­i­sa­tion des moteurs à courant continu.