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Mis à jour le 16/05/2019

Découvrez les besoins électriques d'actionneurs électromagnétiques usuels

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Cas du relais électromagnétique à contacts secs

Cet objet possède un axe mobile ou bien une lame mobile, mis en action par une bobine d’induction, et qui va modifier le circuit électrique de puissance sous l’effet de la commande numérique. Il y a isolation galvanique entre ces deux parties électriques.

Exemples de relais électro-mécaniques et sa mise en oeuvre typique
Exemples de relais électromécanique, et sa mise en oeuvre typique.

Le relais magnétique a différentes formes, comme le montre la figure ci-dessus, et cet objet possède, lui, un axe mobile mis en action par la bobine d’induction :

  • lorsque celle-ci n’est pas excitée, un circuit électrique est présent à travers deux bornes dites de repos ;

  • lorsque la bobine est excitée, la partie mobile ferme un circuit électrique à travers deux bornes dites de travail.

Rebond à la fermeture d'un relais et schéma typique d'interfaçage
Rebond à la fermeture d'un relais, et schéma typique d'interfaçage.

Le graphe ci-dessus montre la trace de rebond au sein de l’ensemble bobine-pièce mobile, à la fermeture. Ce phénomène auquel il faut faire attention, est indépendant du circuit d’interfaçage entre le microcontrôleur et le relais. Un schéma typique passe par un transistor, commandé sous tension faible et gérant un courant et une tension élevés du côté de la bobine.

Cas de l'électroaimant

L’électroaimant est un actionneur assez répandu dans les systèmes embarqués, par exemple dans la domotique, avec la gâche électrique pour verrouiller une porte.

 
L’objet est constitué de deux pièces ; son fonctionnement peut être résumé de la manière suivante :

  • une bobine d'induction avec une face dont va émerger un champ magnétique statique ;

  • un corps qui va guider le champ magnétique vers la face avant ;

  • ce champ magnétique va agir sur la pièce aimantée, pour l’attirer ou la repousser ;

  • l’élément sur lequel agit l’objet est attaché à une pièce aimantée.

Principe de l'électro-aimant
Principe de l'électroaimant.

Cas du moteur à courant continu

Ce moteur largement répandu au sein des systèmes embarqués fonctionne avec une tension continue de 6V, 12V ou plus, d’où son nom de moteur à courant continu.
 
Les trois parties importantes sont les aimants qui introduisent un champ magnétique statique, le bobinage dans lequel circule un courant continu, et un ensemble balai/bague qui permettra de commuter le sens du courant. La technologie de ces parties dépend de la puissance du moteur.

Principe technologique du moteur à courant continu
Principe technologique du moteur à courant continu.
Principe de fonctionnement
Principe de fonctionnement.

Le principe de fonctionnement du moteur CC peut être résumé de la manière simple suivante :

  • prenons le cas d'une boucle mise en mouvement, où la demi-boucle 1 voit un courant de sens opposé à la demi-boucle 2 (image de gauche, ci-dessus). Les forces électromagnétiques sont bien de sens opposés, et la boucle tourne autour de son axe ;

  • en tournant, la boucle sort de l’emprise de l'aimant, donc du champ magnétique (image du centre ci-dessus) ;

  • mais l’inertie de la boucle maintient son mouvement, de telle sorte que chaque demi-boucle va se retrouver devant le pôle opposé du système d’aimants (image de droite ci-dessus) ;

  • la bague de commutation en contact avec les balais qui ferment le circuit électrique sont là pour inverser le courant dans la boucle à chaque demi-tour, ce qui conserve des forces appliquées dans la même direction.

Cas du moteur asynchrone

Vous avez déjà rencontré de drôles de petits moteurs avec des spires dites de Frager, ou bien des moteurs associés à un condensateur. Il s’agit de moteurs asynchrones, plus compacts que le moteur à courant continu pour un niveau de puissance mécanique donné.

Moteurs asynchrones monophasés et éclaté d'un moteur asynchrone monophasé
Petits moteurs asynchrones monophasés, et éclaté d'un moteur asynchrone monophasé de moyenne puissance.

Le principe de la mise en rotation du rotor est assez simple. Nous prenons le modèle de la cage d'écureuil, plus simple que celui du rotor bobiné (montré sur la figure ci-dessus).

Déroulons notre cage d’écureuil, et nous obtenons des barres court-circuitées sur les bords :

  • cette échelle conductrice est baignée dans un champ magnétique qui se déplace perpendiculairement à la vitesse v ;

  • il s’ensuit un phénomène d’induction, caractérisé par une tension induite dans chaque barre ;

  • un courant circule sous l'effet de la tension induite, limité par la résistance totale des barres ; 

  • le champ magnétique interagit alors avec le courant pour donner naissance à une force électromagnétique ;

  • si les barres sont libres, cette force tend à les entraîner dans le sens du mouvement, pour s’opposer au phénomène d’induction qui lui donne naissance.
     

Principe de fonctionnement du moteur asynchrone
Principe de fonctionnement du moteur asynchrone.

Revenons à notre cage d’écureuil, montée sur un axe, en rotation libre. Le champ magnétique est perpendiculaire aux barres et tourne autour, d’où le nom de champ tournant. Les forces électromagnétiques entraînent le rotor en rotation dans le sens du mouvement du champ magnétique.

Cage d'écureuil autour de son axe et en présence d'un champ magnétique tournant
Cage d'écureuil autour de son axe et en présence d'un champ magnétique tournant.

Revenons à la question de la génération du champ magnétique tournant dans le cas de la machine triphasée. Le bobinage du stator crée les pôles magnétiques. Il peut y en avoir beaucoup, mais le fonctionnement est similaire au cas simple suivant :

Principe de composition de champs magnétiques d'amplitude variable
Principe de composition de champs magnétiques d'amplitude variable.

Trois enroulements sont disposés géométriquement, de manière équidistante, sur un cercle. Chaque enroulement crée un champ magnétique dans la direction de son axe propre. Le champ effectif est la somme vectorielle des trois composantes. Si ces composantes n’ont pas la même amplitude, le champ résultant prend une certaine direction et une certaine amplitude.
En faisant varier dans le temps les amplitudes des composantes, on obtient un champ résultant tournant.
 
D’un point de vue pratique, un onduleur de tension triphasé sera connecté au stator de la machine asynchrone. La commande des interrupteurs de cet onduleur modifiera le courant dans les enroulements, et donc le champ magnétique résultant. Comme la tension appliquée sur chaque enroulement prend une valeur fixe, le seul moyen de créer une valeur variable du courant est de jouer sur le temps d’application de la tension : il s’agit de découpage, comme vous le verrez dans le chapitre sur les alimentations à découpage.

Alimentation du moteur asynchrone par un onduleur de tension
Alimentation du moteur asynchrone par un onduleur de tension.
Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite