Magnétisme: notions fondamentales

Il y a des sujets en électrotechnique que l'on peut difficilement comprendre sans aborder les notions élémentaires du magnétisme. Combinée à l'électricité, cette discipline s'appelle l'électromagnétisme; deux composantes intimement liées et analogues en plusieurs points. Pour comprendre le fonctionnement intrinsèque des principales machines électriques, vous ne pouvez en aucun cas passer votre chemin sur cet article.

Aimants

II existe dans la nature des pierres qui ont la propriété principale d'attirer le fer. Ces pierres portent le nom de « magnétites » car leur découverte est originaire de la Magnésie, région de la Grèce où l'on trouve en abondance ce minéral noir si particulier. Cet « aimant naturel » est composé d'oxyde de fer qui a la particularité d'attirer ... le fer (et d'autres métaux)!
On sait reproduire ce phénomène sur des matériaux de diverses formes que l'on appelle des aimants artificiels. Ces derniers sont utilisés pour des applications diverses et variées, des plus élémentaires aux plus exigeantes, du monde technologique qui nous environne.

L'aimant attire donc le fer à ses extrémités, là où l'attraction est la plus forte. Ces extrémités s'appellent les pôles (pôle Nord et pôle Sud).
On les appelle ainsi en raison de leur attraction naturelle vers les pôles géographiques terrestres. De là, découle le fonctionnement de la boussole qui est composée d'une aiguille aimantée montée librement sur un axe.

La boussole indique la direction du Nord géographique. Oui, mais non!
En fait, l'aiguille de la boussole est attirée par le pôle Nord magnétique de la terre, qui ne se situe pas exactement au niveau du pôle Nord géographique de notre planète mais décalé de plusieurs kilomètres. Comme vous le savez, la terre est un gros aimant qui génère un champ magnétique de son pôle Nord à son pôle Sud (le centre de la terre est une gigantesque boule de fer en fusion) et sur lequel l'aiguille aimantée de la boussole s'aligne pour indiquer le Nord (les deux aimants s'attirent).

Le pôle Nord de l'aiguille aimantée est souvent coloré en rouge et se dirige toujours vers le nord magnétique terrestre.

A présent, nous pouvons déjà citer la première loi du magnétisme:

Les pôles semblables de deux aimants se repoussent, les pôles contraires s'attirent.

Mais attendez une minute! Si cette loi est vraie, comment se fait-il que le pôle nord de l'aiguille soit attiré par le pôle nord terrestre ?

Et bien, en réalité ... le pôle Nord magnétique terrestre est en fait un pôle Sud ... mais chut, faut pas le répéter ... Eh oui, le nom de « pôle Nord magnétique » est conservé par convention historique, il est nommé ainsi car ce pôle donne approximativement le Nord géographique ... ça évite toute confusion et tout risque d'AVC dans les prochaines minutes!

Lignes de force

Les forces de répulsion et d'attraction sont modélisées par des lignes s'échappant toujours du pôle N vers le pôle S de l'aimant, comme indiqué sur le schéma ci-dessous:

Les lignes de forces représentent le champ magnétique (symbolisé B) de l'aimant. Elles empruntent tout l'espace en 3 dimensions autour de l'aimant.
Bien que l'image illustre le champ magnétique en 2 dimensions, les lignes de force jaillissent également de votre écran à partir du pôle N et y replongent vers le pôle S.
A mesure que l'on se rapproche de l'aimant, le champ magnétique devient de plus en plus intense et inversement.

Voici les règles fondamentales utiles à savoir:

• Les lignes de force ne se croisent jamais.
• Elles ont tendance à emprunter toujours le chemin le plus court ou le plus facile.
• Elles partent toujours d'un pôle Nord vers un Pôle Sud.
• Elles exercent une force de répulsion entre elles.

Flux magnétique

Le flux magnétique représente l'ensemble des lignes de force qui traversent une surface. Il est symbolisé par la lettre grecque Φ (phi).

Il dépend essentiellement de trois facteurs:

• l'intensité du champ magnétique (B)
• l'aire de la surface traversée (A).
• l'angle que forme la surface par rapport au champ magnétique.

Lorsque la surface traversée est perpendiculaire au champ magnétique, le flux est maximal. Il est alors caractérisé par la formule suivante:
Si l'orientation de la surface change d'angle et que le champ reste uniforme, le flux diminue. Enfin, quand la surface est parallèle, le flux est nul.

Grandeurs et unités
Le champ magnétique B est normalement représenté sous forme de vecteur. Il est exprimé en Tesla (T)
Le flux magnétique Φ est exprimé en Weber (W).
L'aire de la surface est exprimée en m². 

Un moteur électrique est une machine tournante qui permet de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique. De nos jours, il est omniprésent et constitue l'outil électromécanique indispensable pour diverses applications industrielles et tertiaires.
Voici le détail de ses principaux composants et l'explication de son fonctionnement:

(Dans mon blog, je ne traiterais que des moteurs électriques alternatifs, étant les moteurs les plus employés).

Les types de moteurs

On distingue les moteurs à courant continu et ceux à courant alternatif.

Courant continu:

1. Moteur à excitation série
2. Moteur à excitation parallèle
3. Moteur à excitation composée

Courant alternatif:

1. Moteur synchrone (monophasé ou triphasé)
2. Moteur asynchrone (monophasé ou triphasé)

Les principaux composants

Voici la description d'un moteur électrique asynchrone triphasé:

Il est constitué d'une partie fixe, que l'on appelle le stator. Il est également équipé d'une partie mobile: c'est le rotor.

Le stator est constitué d'une partie magnétique sur laquelle sont placées trois bobines de fil de cuivre, géométriquement décalées de 120° et parcourues par des courants alternatifs présentant le même déphasage électrique. Le stator produit donc un champ tournant créé par les bobines, à mesure qu'elles sont parcourues par le courant, l'une après l'autre.

Le rotor, quant à lui, est constitué par un cylindre en métal. Sous l'effet du champ tournant , il est à son tour induit par des courants. L'interaction de ces courants et du champ électromagnétique crée un couple moteur mettant en rotation le rotor. Il est aussi constitué de bobinages, mais ils sont en court-circuit (rotor à cage d'écureuil)

Synchrone ou asynchrone ?

• Pour les machines synchrones, la vitesse du rotor est égale à celle du champ tournant, créé par le réseau.
• Le rotor est constitué d'aimants permanents ou d'électro-aimants.
• La machine a un bon rendement et un facteur de puissance réglable en fonction des courants d'excitation (alimentant les électro-aimants).

Par contre, ce type de moteur ne permet pas un démarrage en direct sur le réseau. Si on lui demande trop de couple, le moteur décroche.

• Pour les machines asynchrones, la vitesse du rotor est inférieure à celle du champ tournant (notion de glissement).
• Plus la charge augmente, et plus le glissement augmente, ce qui a pour effet de faire diminuer sensiblement la vitesse de rotation.
• Le moteur nécessitera peu d'entretien et pourra démarrer directement sur le réseau (couple de démarrage important).

Par contre, le facteur de puissance à vide est relativement faible et il faudra gérer la pointe de courant au démarrage sur les moteurs ayant une grosse inertie (moyenne et grosse puissance).

Les moteurs asynchrones: fonctionnement

Les moteurs asynchrones constituent de nos jours les machines électriques les plus employées. Elles sont robustes, fiables, économiques et conviennent pour les applications les plus exigeantes de l'industrie (ascenseurs, pompes, etc.).
Le terme « asynchrone » signifie que la vitesse de rotation du moteur est inférieure à celle du champ tournant du réseau. Les moteurs asynchrones fonctionnant sur réseau alternatif triphasé sont de loin les plus utilisés. Dans cet article, découvrez en douceur le fonctionnement d'une telle machine.

Constitution (rappel)

Le moteur asynchrone comprend deux parties:

• Le stator, partie fixe constituée d'un empilage de tôles assemblées en cylindre, à l'intérieur de laquelle sont insérées des bobines de cuivre. Le rôle du stator est de créer un champ magnétique tournant (vitesse de synchronisme).
• Le rotor, partie mobile composée de barres de cuivre introduites dans des encoches et fixées de part et d'autre par des anneaux les court-circuitant (rotor à cage d'écureuil) ou composée d'un bobinage semblable à celui du stator, placé dans des encoches (rotor bobiné).

Nous ne parlerons que d'un seul type de rotor: le rotor à cage d'écureuil. On dit que ce rotor est à cage d'écureuil en raison de sa forme caractéristique.

Principe de fonctionnement

Notion d'électromagnétisme

Lorsqu'une bobine de fil de cuivre est parcourue par un courant (I), un champ magnétique (B) proportionnel à celui-ci est créé à l'intérieur de l'élément et se dirige vers l'extérieur.

En régime alternatif, le courant varie 50 fois par seconde. Le champ magnétique généré varie également.
La bobine se comporte alors comme un aimant et a la capacité d'attirer ou de repousser des éléments ferromagnétiques.
L'électro-aimant ainsi créé est pourvu de deux pôles (N et S) s'inversant cycliquement en fonction de la variation du courant.

Installons maintenant 3 bobines en cercle décalées géométriquement de 120° les unes des autres et alimentons-les en séquence triphasée (les 3 courants ne s'établissent pas au même moment, les champs magnétiques non plus).

Les flèches de couleur représentent le sens des champs magnétiques générés par les 3 bobines à mesure que leur courant respectif varie en amplitude et en séquence (figées à un instant t). 

Lorsque l'on fait la somme vectorielle des champs magnétiques à chaque instant, le vecteur résultant représente le champ magnétique tournant correspondant à la vitesse de synchronisme du moteur. 

Ces bobines sont ce que l'on appelle les enroulements du moteur. Ils sont au nombre minimum de 3, géométriquement disposés dans le stator à 120° les uns des autres, placés dans des encoches et connectés respectivement aux 3 phases du réseau.
Chaque enroulement comporte 2 pôles (pôle N et pôle S), ce qui fait 1 paire de pôles.

Bien évidemment, on peut tout à fait avoir plus de 3 enroulements. Par exemple, il existe des moteurs comportant 12 enroulements disposés géométriquement à 30° les uns des autres dans le stator, soit 4 paires de pôles pour chaque phase.

Voici une formule permettant de déterminer la vitesse de synchronisme d'un moteur:

Et l'écureuil dans tout ça ?

Le stator génère un courant électrique dans le rotor sans qu'aucune pièce n'entre en contact avec une autre: le truc tient de la magie, ou presque! c'est la magie de l'électromagnétisme:

Le rotor est installé au milieu du stator de manière à ce que les barres de cuivre qui le composent « coupent » les lignes de champ magnétique créées par les bobines.
Le champ tournant engendre alors une tension alternative dans les barres de métal. Ces barres étant court-circuitées par deux anneaux les reliant à leurs extrémités, la tension induite fait circuler des courants intenses (courants de Foucault).
Les barres portant ces courants sont soumises à des forces électromagnétiques importantes car elles sont situées dans le champ magnétique du stator. En conséquence, ces forces obligent le rotor à tourner dans le sens de rotation du champ.

A mesure que le rotor accélère, les barres coupent le champ magnétique plus lentement car la vitesse relative du champ tournant par rapport à celle du rotor diminue, ce qui a pour effet de réduire la tension induite dans celles-ci. Le courant circulant dans les barres diminue également. Réaction en chaîne, les forces qui agissent sur les barres s'affaiblissent à leur tour. Quand la vitesse du rotor rattrape celle du champ tournant dans le stator, les forces générant le couple de rotation diminuent et tombent à zéro (plus aucune coupure des lignes de champ par les barres) -> le moteur ralentit.
Durant son ralentissement, les barres coupent à nouveau le champ magnétique car les deux vitesses ne sont plus égales et le processus recommence. A cause de ce phénomène, le rotor ne parvient jamais à tourner durablement à la même vitesse que celle du champ mais il tourne très légèrement en-dessous.

En conséquence, la vitesse du rotor reste en permanence inférieure à celle du champ tournant du stator (vitesse de synchronisme) pour continuer de produire un courant et donc générer un couple qui permet la rotation de la machine.

Comme la vitesse du rotor n'est pas égale à la vitesse synchrone, on dit que le moteur est asynchrone. La différence entre ces deux vitesses s'appelle le glissement.

Le glissement se calcule par la formule suivante:

La valeur obtenue peut être exprimée en % en multipliant le résultat obtenu par 100.

Lorsque le moteur n'entraîne aucune charge mécanique (à vide), le glissement est faible (de l'ordre de 0,1%). Le rotor tourne donc à vitesse voisine de celle du champ statorique.
Lorsque le moteur entraîne une charge, ce dernier ralentit. Les barres du rotor coupent le champ magnétique plus rapidement (la vitesse du champ restant fixe), la tension et les courants induits dans les barres augmentent de manière à produire un couple pour vaincre la charge mécanique à entraîner.