Moteurs électriques » structure, fonctionnement et types
Mise à jour : 17.05.2023 | Durée de lecture : 17 minutes
Dans notre monde moderne, chaque fois que quelque chose tourne ou se déplace en appuyant sur un bouton, c'est en général grâce à des moteurs électriques. Mais peu de gens s'en rendent compte au moment de l'utilisation. Même s'ils animent quotidiennement des brosses à dents, des mixeurs, des machines à laver, des stores, des portes de garage ou d'innombrables autres appareils et machines en appuyant sur un bouton.
Ce désintérêt manifeste est assez facile à comprendre dans un sens, car les moteurs électriques accomplissent souvent leur tâche de manière cachée, silencieuse et discrète pendant des années.
Mais aujourd'hui, les moteurs électriques attirent de nouveau l'attention du grand public. En effet, les moteurs électriques ne produisent pas seulement de l'énergie mécanique. Ils sont en passe de supplanter le moteur à combustion dans nos véhicules. C'est une raison de plus pour s'intéresser de plus près au moteur électrique.
En termes simples, un moteur électrique est un convertisseur électromécanique qui génère une puissance mécanique à partir d'une puissance électrique.
Par conséquent, les moteurs électriques disposent d'une prise de courant qui les alimente en énergie électrique.
La sortie mécanique, qui se présente dans le cas le plus simple sous la forme d'un arbre, tourne et sert à entraîner des machines et des appareils.
Le principe de fonctionnement d'un moteur électrique repose sur l'effet magnétique du courant électrique.
Le moteur électrique n'a pas été inventé par une seule personne. Au contraire, les découvertes et inventions de nombreuses personnes différentes ont contribué au développement du moteur électrique :
En 1820, Hans Christian Ørsted découvre que les conducteurs parcourus par un courant électrique créent un champ magnétique. Il est le premier à créer un champ magnétique à l'aide du courant électrique et à mettre en mouvement une aiguille de boussole. La même année, le Français André-Marie Ampère invente la bobine cylindrique.
En 1821, Michael Faraday présente les résultats de ses travaux portant sur la "rotation électromagnetique“. Dans ses constructions, un conducteur mobile tournait autour d'un aimant fixe ou un aimant mobile tournait autour d'un conducteur fixe.
En 1822, le mathématicien et physicien Peter Barlow construit la roue qui porte son nom (roue de Barlow). La roue, dotée de rayons métalliques, tournait entre les pièces polaires d'un aimant en forme de U.
En 1825, William Sturgeon invente le premier électroaimant fonctionnel avec noyau en fer pour l'amplification du champ magnétique.
En 1832, Hippolyte Pixii construit le premier appareil rotatif pour la production de courant alternatif.
En 1834, Moritz Herman Jacobi conçoit le premier moteur électrique rotatif, qui produisait une puissance d'environ 15 W. Son deuxième moteur, présenté au public en 1838, avait déjà une puissance de 300 W et était utilisé sur un bateau.
En 1839, M.H. Jakobi construit un moteur d'une puissance de 1000 W.
Mais d'autres inventeurs, comme l'Écossais Robert Davidson et les hollandais Christopher Becker et Sibrandus Stratingh, ont également expérimenté et développé des moteurs électriques à la même époque. .
Ce n'est qu'en 1866, lorsque la production d'énergie électrique à grande échelle a été possible, que le moteur électrique s'est imposé de plus en plus, remplaçant peu à peu les machines à vapeur utilisées jusqu'alors.
Eléments d'un moteur électrique
Dans un moteur électrique, on utilise le fait que les aimants s'influencent mutuellement selon la manière dont ils sont orientés les uns par rapport aux autres.
Les pôles magnétiques identiques se repoussent et les pôles magnétiques opposés s'attirent.
Pour pouvoir construire un moteur électrique, il faut d'abord un aimant permanent (1) d'une certaine forme.
Entre les pôles de l'aimant permanent est montée une pièce rotative en fer (2) autour de laquelle est enroulée une bobine de fil de cuivre isolé (3).
Effet de la force magnétique
Lorsqu'un courant continu circule dans la bobine, celle-ci crée un champ magnétique et le noyau de fer devient un électroaimant. La polarité de l'électroaimant, c'est-à-dire l'orientation du pôle nord et du pôle sud, dépend du sens du courant dans la bobine.
Orientation de l'électroaimant
L'électroaimant étant monté de façon à pouvoir tourner, il va maintenant s'orienter de façon à ce que les pôles opposés des deux aimants soient toujours face à face.
Maintien en position de repos
Tant que le courant n'est pas coupé, l'électroaimant reste dans cette position, car il est maintenu dans cette position par les forces magnétiques.
Création du mouvement rotatif
Mais pour que l'électroaimant continue à tourner, l'orientation magnétique doit être inversée.
Pour ce faire, il suffit de modifier le sens du courant dans la bobine. Cette tâche est assurée par une bague collectrice (collecteur) reliée à la bobine et sur laquelle sont appliqués les deux contacts avec la tension d'alimentation.
Juste avant que l'électroaimant n'atteigne l'orientation optimale, le courant est coupé par la bague collectrice et remis en marche juste après avec une polarité inversée (voir image animée).
Avec l'inversion du sens du courant, le champ magnétique de l'électroaimant change également de polarité. Les pôles magnétiques identiques se font face et se repoussent de toutes leurs forces.
L'induit continue à tourner jusqu'à ce qu'après un quart de tour, les pôles magnétiques opposés s'attirent à nouveau. Juste avant l'alignement optimal, la polarité du courant est à nouveau inversée et le processus recommence.
Remarque : Sens de rotation
Le sens de rotation du moteur dépend de la polarité de la batterie (tension continue) au niveau des contacts glissants. Si l'on inverse la polarité de la tension, le sens de rotation du moteur changera également. La vitesse de rotation dépend du niveau de la tension de service. Plus la tension est élevée, plus le moteur tourne vite. Toutefois, la tension de service maximale autorisée du moteur ne doit pas être dépassée.
Le mot stator est dérivé du mot latin « stare » qui signifie être immobile. Le stator désigne la partie immobile d'un moteur électrique.
Le stator peut être constitué soit d'un aimant permanent, soit d'un électroaimant.
Dans le cas d'un rotor intérieur, le stator est fixé au carter extérieur du moteur. Sur un rotor extérieur, le stator se trouve à l'intérieur du moteur.
Le boîtier du moteur (à gauche) avec les aimants en forme de coquille est le stator.
La partie rotative d'un moteur électrique est désignée par le terme rotor ou induit.
Le rotor se compose en général d'un arbre moteur, d'un induit en tôle de fer, d'une bobine d'induit avec différents enroulements et d'une bague collectrice pour la transmission du courant. En outre, des ailettes sont souvent fixées à l'induit pour refroidir le moteur en fonctionnement.
Il est également possible d'utiliser des aimants permanents de forme ronde à la place de la bobine du rotor. Dans ce cas, la bague collectrice et les contacts glissants sont supprimés. La bobine du moteur est alors intégrée au stator. Ces moteurs sans balais sont très appréciés dans le modélisme, mais ils ne peuvent pas être utilisés avec une tension continue.
Rotor d'un moteur 230 V d'une mini-perceuse.
Un moteur électrique avec un induit à 2 pôles seulement aurait un inconvénient majeur. Dans la position où la polarité de la bobine est inversée, les contacts de la bague collectrice n'ont momentanément aucune liaison avec la bobine.
Mais lorsque l'alimentation est coupée, les moteurs bipolaires s'arrêtent précisément dans cette position. La raison est le magnétisme résiduel de l'induit.
Si l'alimentation électrique est rétablie, le moteur ne peut pas démarrer. C'est pourquoi, dans la pratique, on utilise des rotors à trois pôles ou plus.
Ces induits sont également désignés induits en tambour.
Quelle que soit la position de l'induit, dès que la tension est appliquée, un courant circule dans les bobines de l'induit. Le moteur démarre donc de manière fiable.
Moteur électrique avec induit à trois pôles.
Comme la bobine d'induit tourne dans le rotor, elle ne peut pas être câblée de manière fixe de l'extérieur. Le contact est établi par une bague collectrice. La bague collectrice sur l'induit est également appelée commutateur ou inverseur de courant.
Grâce à la bague collectrice, les bobines d'induit sont alimentées en courant dans le bon sens. La commutation présente toutefois des inconvénients majeurs. Elle est soumise à l'usure et un feu de brosses se produit au niveau des contacts de frottement.
Pour réduire fortement les effets, même en cas de transmission de courant élevée, on utilise des contacts glissants ou des charbons de moteur en graphite.
Des composants métalliques comme le cuivre, le molybdène ou l'argent sont parfois ajoutés au graphite.
Sur le commutateur, les traces de roulement des charbons du moteur sont bien visibles.
Les moteurs électriques évoqués et montrés jusqu'à présent ont un induit avec un enroulement conducteur électrique et un noyau en fer. Même si le noyau en fer permet de concentrer et d'amplifier le champ magnétique, il présente aussi quelques inconvénients.
L'inversion constante de la polarité magnétique consomme de l'énergie et génère des courants de Foucault nuisibles. Afin d'éviter autant que possible ces courants de Foucault, le noyau de fer est constitué de différents disques de tôle électrique qui sont isolés électriquement les uns des autres.
Comme le noyau de fer est magnétisé par l'aimant permanent, le moteur a ce que l'on appelle un couple d'arrêt. Ce couple d'arrêt est nettement perceptible lorsqu'on fait tourner à la main un moteur électrique puissant avec un induit en tambour à trois pôles. De plus, en raison de la masse non négligeable du noyau de fer, il existe également une certaine inertie lors de la montée en régime du moteur et du changement de vitesse de rotation.
Solution : Moteur avec induit sans noyau ferreux
Moteur à armature en cloche sans noyau de fer (coreless)
En revanche, dans un moteur à armature en cloche, l'induit est constitué d'une bobine (8) de forme spéciale et autoportante, sans noyau de fer.
La bobine est reliée au collecteur (2) et à l'arbre moteur (9) par la plaque de collecteur (3).
Au centre de la bobine se trouve un aimant permanent (10), dans lequel le boîtier du moteur (4) sert au bouclage magnétique.
Grâce à cette structure mécanique, le moteur à armature en cloche présente des avantages décisifs :
1) Plaque de connexion | 2) Collecteur | 3) Plaque de collecteur | 4) Carter du moteur | 5) Bride moteur | 6) Roulement à billes | 7) Brosses de contact | 8) Bobine autoportante | 9) Arbre du moteur | 10) Aimant permanent
Avantages et inconvénients de moteurs à armature en cloche
Aucune perte de fer
L'absence de noyau de fer supprime également les pertes dans le noyau de fer. Le rendement est donc nettement plus élevé, ce qui se traduit également par un courant à vide plus faible. Le couple est proportionnel au courant et il est possible d'utiliser des aimants permanents extrêmement puissants, car il n'y a pas de noyau de fer, qui pourrait sinon être saturé magnétiquement.
Aucun couple d'arrêt
Comme le noyau de fer est absent, le moteur n'a pas non plus de couple d'arrêt. Cela permet un fonctionnement sans à-coups, même à bas régime. À des vitesses élevées, le moteur génère moins de vibrations et a un fonctionnement plus silencieux. De plus, comme le rotor s'arrête dans n'importe quelle position, il est facile d'effectuer des réglages précis.
Aucune inertie de masse
Grâce à sa masse d'induit très faible par rapport à un moteur traditionnel avec noyau en fer, un moteur à armature en cloche peut démarrer très rapidement et réagir de manière dynamique aux changements de vitesse. De plus, ce concept de moteur permet une construction compacte et un couple élevé par rapport à la taille du moteur.
Inductance plus faible
En l'absence de noyau de fer, l'inductance d'un moteur à armature en cloche est plus faible, ce qui entraîne moins de feu de brosses. L'usure est donc moins importante et le moteur est moins sensible aux parasites.
Faible résistance thermique
D'un autre côté, un moteur à armature en cloche a aussi des caractéristiques négatives. Par exemple, la capacité de charge thermique de l'induit n'est pas très élevée, car il n'y a pas de noyau de fer qui pourrait dans ce cas absorber l'énergie thermique excédentaire.
Il existe aujourd'hui différents types de moteurs électriques. La différence la plus importante entre les différents types réside dans l'alimentation électrique. Dès la conception, on détermine si le moteur doit être alimenté en courant continu, en courant alternatif ou en courant triphasé.
Mais la génération des champs magnétiques nécessaires se fait également de différentes manières pour chaque moteur. Outre les aimants permanents puissants, des électroaimants sont également utilisés en fonction de l'application. Dans le cas le plus simple, une bobine de fil de cuivre est enroulée sur un noyau de fer constitué de plaques de tôle afin de générer le champ magnétique nécessaire.
Les différences entre les types de moteurs électriques les plus courants et les différents types de construction sont décrits plus en détail dans les sections suivantes.
Comme nous l'avons déjà montré, les moteurs à courant continu fonctionnent avec un aimant permanent comme stator. Si la polarité de la tension de service du rotor est inversée, le sens de rotation du moteur change.
Moteur à courant alternatif avec enroulement de stator au-dessus.
Si un moteur à courant continu fonctionnait avec une tension alternative de 50 Hz, le rotor ne pourrait pas changer de sens de rotation 100 fois par seconde. Dans ce cas, le rotor ne tournerait pas, mais émettrait simplement un ronflement.
Pour éviter cela, le champ magnétique du stator doit varier au même rythme de 50 Hz que celui du rotor.
Dans la pratique, on y parvient en utilisant pour le stator non pas un aimant permanent, mais un ensemble de bandes de tôle équipé d'un enroulement d'excitation. Les champs magnétiques du stator et du rotor varient alors de manière synchrone 100 fois par seconde, ce qui permet au moteur de tourner en continu dans une seule direction.
Lorsque l'enroulement du stator et l'enroulement de l'induit sont montés en série, le moteur est appelé moteur à excitation série ou moteur à connexion principale. Ces types de moteurs sont utilisés dans les appareils ménagers tels que les mixeurs ou les aspirateurs. Si l'enroulement du stator et l'enroulement de l'induit sont montés en parallèle, le moteur est également appelé moteur à excitation shunt.
Lorsque la puissance requise est importante, par exemple dans l'industrie, la production ou les machines électriques, les moteurs électriques ne fonctionnent pas avec une tension alternative, mais avec un courant alternatif triphasé ou « courant triphasé ». Dans la pratique, les moteurs à cage d'écureuil ont largement fait leurs preuves, car ils n'ont pratiquement aucune pièce d'usure et nécessitent très peu d'entretien.
Qu'est-ce exactement que le courant triphasé ?
Pour l'alimentation électrique des bâtiments, le fournisseur d'énergie met à disposition trois phases (lignes conductrices d'électricité).
Pour l'installation électrique, on utilise la différence de tension entre l'une des trois phases (L1, L2 ou L3) et le conducteur neutre (N). Dans ce cas, la tension est de 230 V.
Comme les trois phases sont décalées dans le temps de 120° les unes par rapport aux autres, on peut mesurer une différence de tension de 400 V entre les phases.
Les trois phases L1, L2 et L3 sont décalées de 120° entre elles.
Principe de fonctionnement d'un moteur triphasé
Si trois bobines de fil (SP1 à SP3) sont disposées en triangle et reliées aux trois phases, les bobines créent un champ magnétique qui « tourne » au rythme de la fréquence du réseau.
Il ne reste plus qu'à monter un rotor magnétique au centre des trois bobines, qui sera « entraîné » par le champ magnétique en rotation.
Par conséquent, un moteur triphasé se passe de commutateur, ce qui simplifie considérablement la structure.
Les travaux d'entretien et de maintenance sont également réduits au minimum.
Structure d'un moteur triphasé
Le rotor est constitué d'un axe (1) avec des lamelles de fer (2) circulaires et isolées entre elles. Plusieurs barres métalliques massives (non visibles sur la photo) sont intégrées au rotor et servent de conducteurs électriques. De chaque côté du rotor, les barres métalliques sont reliées de manière conductrice (en court-circuit) à une plaque métallique (3). La cage d'écureuil qui en résulte est à l'origine du nom de rotor à cage d'écureuil ou rotor en court-circuit.
Le champ magnétique des bobines du stator (4) induit un courant dans les conducteurs de la cage du rotor, qui génère à son tour un champ magnétique. L' influence mutuelle des champs magnétiques fait que le rotor est mis en rotation.
Le sens de rotation dépend de l'ordre de déphasage sur les lignes de raccordement et peut être modifié en intervertissant deux des trois lignes de raccordement.
Moteur triphasé démonté avec enroulement d'induit et rotor.
Circuit en étoile/triangle
En raison du courant de démarrage élevé, les moteurs triphasés puissants sont démarrés avec un circuit en étoile (schéma A). Ainsi, deux des trois bobines (SP1 - SP3) sont toujours disposées en série entre les phases. Une fois que le moteur a atteint sa vitesse de rotation, le circuit change de configuration et passe en triangle (schéma B) afin que le moteur puisse fournir sa pleine puissance.
La vitesse de rotation dépend de la fréquence du réseau et du nombre de paires de bobines. Un moteur avec quatre paires de bobines a, conformément à la formule suivante, un nombre de tours fixe de 750 tours (50 Hz x 60 secondes/minute = 3000 : 4 paires de bobines) par minute.
Schéma du circuit en étoile/triangle.
Si une régulation de la vitesse est nécessaire, il faut utiliser des convertisseurs de fréquence. Les convertisseurs de fréquence transforment la fréquence fixe de la tension alternative du réseau d'alimentation en une fréquence variable pour le moteur raccordé. Comme le rotor suit le champ magnétique du stator et n'est pas synchrone, ces moteurs sont également appelés moteurs asynchrones. En revanche, dans un moteur synchrone, le rotor tourne de manière synchrone avec le champ de rotation du stator. Toutefois, les moteurs synchrones sont de conception nettement plus complexe.
La force de réluctance est également appelée force de Maxwell. Elle est toujours dirigée de manière à réduire la résistance magnétique et à augmenter l'inductance.
La meilleure façon de le décrire est d'utiliser une bobine (1) avec un anneau rectangulaire ouvert (2) en tôle de fer. Lorsque le courant circule dans la bobine, celle-ci crée un champ magnétique.
Les lignes du champ magnétique (représentées en rouge) sont concentrées et guidées par le noyau de fer rectangulaire.
Cependant, l'espace de l'anneau de fer ouvert représente une résistance magnétique non négligeable.
Utilisation de la force de réluctance
Orientation du rotor
Cependant, si un tronçon rotatif du noyau toroïdal (3) se trouve dans l'espace, elle est déplacée par la force de réluctance (voir schéma A).
Rotor orienté
Le tronçon (3) s'oriente alors de manière à ce que l'anneau magnétique se ferme et que la résistance magnétique soit minimale (voir schéma B).
Principe de fonctionnement du moteur à réluctance
Un moteur à réluctance fonctionne exactement selon le même principe. Deux pôles du stator forment respectivement un anneau ouvert du noyau magnétique et deux pôles du rotor font office de pièce mobile avec laquelle l'anneau magnétique est fermé.
Structure d'un moteur à réluctance
La structure d'un moteur à réluctance est similaire à celle d'un moteur triphasé. La partie extérieure fixe (stator) abrite les enroulements des bobines qui créent le champ magnétique nécessaire.
Toutefois, le rotor d'un moteur à réluctance n'est pas conçu comme un rotor à cage d'écureuil. Au contraire, le rotor s'aligne sur les lignes de champ magnétique aux pôles du stator.
Pour ce faire, il se compose de nombreuses tôles de fer superposées, qui ont une forme bien précise. Les entretoises métalliques servent de conducteurs pour le flux magnétique et les espaces entre elles servent de barrière infranchissable pour les lignes du champ magnétique.
Grâce à sa structure simple, le moteur peut être fabriqué à moindre coût et, comme il n'y a pas de conducteurs de courant dans l'induit ou le rotor, il n'y a pas non plus de pertes par conduction. Le moteur peut donc fonctionner de manière très efficace. En particulier dans la plage de charge partielle, le moteur à réluctance présente un rendement nettement supérieur à celui des moteurs triphasés traditionnels à cage d'écureuil.
Fonctionnement d'un moteur à réluctance
Afin d'expliquer clairement le principe de fonctionnement d'un moteur à réluctance, seules 12 bobines/pôles ont été représentés dans le stator de l'exemple illustré. Dans la pratique, on utilise toutefois beaucoup plus de bobines, ce qui fait que les pôles sont beaucoup plus proches les uns des autres. Dans ce cas, toutes les entretoises du rotor conduisent également les lignes de champ magnétique.
Les bobines de la même couleur sont reliées entre elles et sont toujours commandées ensemble. Dès que le courant passe par les bobines bleues, les champs magnétiques représentés sur l'image (lignes rouges) s'établissent en fonction du sens d'enroulement des bobines. Le rotor s'oriente alors immédiatement en fonction des champs magnétiques.
Lorsque les bobines bleues sont désactivées et les bobines jaunes activées, le rotor se réaligne et tourne un peu dans le sens des aiguilles d'une montre. La même chose se produit lorsque les bobines jaunes sont désactivées et les bobines vertes activées.
Dans la pratique, la commande des bobines se fait à l'aide d'un convertisseur de fréquence. Le sens de rotation du rotor ainsi que la vitesse du champ magnétique rotatif peuvent ainsi être réglés et régulés individuellement. Comme le rotor s'oriente toujours immédiatement en fonction du champ magnétique, il fonctionne de manière synchrone avec le champ rotatif.
Les moteurs à réluctance sont utilisés pour les ventilateurs, les pompes et les entraînements de machines. Les véhicules électriques constituent un autre domaine d'application important des moteurs à réluctance. Dans ce cas, des aimants permanents encore plus puissants sont insérés dans le rotor afin d'augmenter le couple et l'efficacité. Ces moteurs sont alors appelés moteurs hybrides et sont très répandus en petite taille sous forme de moteurs pas à pas.
Un moteur à condensateur est un moteur à courant alternatif conçu pour de faibles puissances. Il fait partie du groupe des moteurs asynchrones et est alimenté en 230 V alternatif. La structure d'un moteur à condensateur s'inspire de celle d'un moteur à rotor en court-circuit avec rotor à cage d'écureuil. Toutefois, le moteur à condensateur ne possède qu'un seul enroulement principal (SP1) et un enroulement auxiliaire (SP2) décalé mécaniquement de 90°. Pour que le rotor puisse être mis en mouvement, l'augmentation de la tension dans l'enroulement auxiliaire doit être décalée dans le temps. Pour ce faire, un condensateur (K) est branché en série avec l'enroulement auxiliaire. Le courant réactif, qui résulte de la charge alternée permanente du condensateur à un rythme de 50 Hz, assure un déphasage de 90° dans l'enroulement auxiliaire et permet ainsi au moteur de démarrer.
Connexion d'un moteur à condensateur
Câblage d'un moteur à condensateur
Exemple d'application dans un compresseur
Le condensateur se trouve au-dessus du moteur.
En raison du câblage des deux bobines et du condensateur, un sens de rotation a été défini lors de la production du moteur. Ce sens de rotation est toujours respecté par le moteur, quelle que soit la position de la fiche secteur dans la prise.
Notre conseil pratique : causes de interférences
Les moteurs à condensateur sont aussi robustes, simples et nécessitent peu d'entretien que les moteurs à courant triphasé. C'est pourquoi, en cas de panne électrique, les enroulements du moteur sont rarement concernés. Dans la plupart des cas, c'est le condensateur qui est à l'origine de la panne. Et le meilleur : sur la plupart des moteurs, les condensateurs du moteur peuvent être remplacés sans grand effort et à moindre coût.
Les moteurs électriques brushless sont en principe des moteurs à courant triphasé qui sont utilisés comme entraînements en technique de commande, comme entraînements de véhicules et également dans le domaine du modélisme. Puisque ces moteurs n'ont pas de balais de charbon, il n'y a pas non plus de feu de balais qui perturbe la technique de commande à distance ou l'électronique de commande.
Les moteurs se distinguent par leur construction en rotors intérieurs et extérieurs.
De par leur conception, les rotors internes présentent des vitesses de rotation élevées et un couple plutôt faible. En revanche, les rotors externes ont un couple élevé, mais pas de vitesses aussi élevées.
Pour que les moteurs électriques brushless puissent être utilisés efficacement, ils ont besoin d'un contrôleur de moteur spécial qui transforme la tension continue de l'accu de propulsion en un courant triphasé artificiel à trois « phases ». Dans le domaine du modélisme, on utilise à cet effet des régulateurs de vitesse de type brushless (ESC = Electronic Speed Controller). Le régulateur de vitesse reçoit du récepteur les informations de réglage concernant la vitesse à laquelle le moteur doit tourner.
Pour changer le sens de rotation, il suffit d'intervertir deux des trois câbles de raccordement.
Un moteur pas à pas est en principe un moteur électrique brushless construit comme un rotor interne.
Grâce à sa construction et à sa commande, il est en mesure d'effectuer des mouvements de rotation définis (angle de pas) d'un angle inférieur ou égal à 1,8 degré.
Les moteurs pas à pas sont alimentés par une tension continue qui doit être commutée sur les bobines du moteur selon une méthode/un ordre précis.
C'est pourquoi les moteurs pas à pas sont commandés électroniquement. Il existe différents types de moteurs pas à pas :
Moteur pas à pas à réluctance
Dans ce moteur, le rotor est constitué d'un noyau de fer doux denté et d'un stator denté à l'intérieur. Lors de la mise sous tension du courant statorique, le rotor s'oriente toujours de manière à ce que les dents du rotor et celles du stator se fassent face, créant ainsi la résistance la plus faible possible pour le flux magnétique.
Moteur pas à pas à aimant permanent
Dans un moteur pas à pas à aimant permanent, le rotor est constitué d'un aimant puissant qui s'aligne sur le champ magnétique du stator. Dans le cas d'un moteur pas à pas à aimant permanent, le nombre possible de pôles est limité, ce qui entraîne également une résolution limitée des pas de rotation.
Moteurs pas à pas hybrides
Les moteurs pas à pas hybrides combinent les techniques du moteur pas à pas à réluctance et du moteur pas à pas à aimant permanent. Il en résulte un moteur pas à pas à couple élevé et à haute résolution de pas.
Fonctionnement de moteurs pas à pas
Un moteur pas à pas bipolaire possède deux bobines, qui ont chacune deux connexions. Par conséquent, les moteurs pas à pas bipolaires possèdent 4 câbles de connexion qui sont dirigés vers l'extérieur.
Dans le cas d'un moteur pas à pas unipolaire, les deux bobines ont chacune des prises centrales supplémentaires, qui sont également dirigées vers l'extérieur. C'est pourquoi les moteurs pas à pas unipolaires possèdent six câbles de raccordement.
En principe, peu importe que les bobines d'un moteur pas à pas bipolaire soient inversées ou qu'une demi-bobine soit alimentée en alternance dans le cas d'un moteur pas à pas unipolaire. Le fonctionnement de base est toujours le même.
L'illustration suivante montre le fonctionnement d'un moteur pas à pas unipolaire en mode pas à pas, dans lequel deux bobines sont toujours traversées par le courant (Etapes 1 - 4).
Moteur pas à pas en mode pas complet
Dans l'exemple présenté, le moteur a quatre pôles et le rotor deux pôles, ce qui entraîne une rotation de 90° à chaque étape. Comme deux bobines sont toujours alimentées en même temps, le couple du rotor est proportionnellement élevé.
Etape 1
Etape 2
Etape 3
Etape 4
Moteur pas à pas en mode demi-pas
En mode demi-pas, une bobine est toujours désactivée entre les pas complets. Pour une même construction, le nombre de pas est ainsi doublé. Cependant, le couple est plus faible pour les demi-pas, car la force magnétique sur le rotor est également plus faible.
Etape 1
Etape 2
Etape 3
Etape 4
Etape 5
Etape 6
Etape 7
Etape 8
Structure d'un moteur pas à pas
Avec une construction appropriée, il est possible de réaliser un moteur pas à pas du commerce avec, par exemple, 200 pas par tour.
Il en résulte un angle de pas de 1,8° par pas.
La commande d'un moteur pas à pas est assurée par un microcontrôleur qui gère la succession des étapes en fonction des exigences de l'application.
Un driver de moteur assure les fonctions de commutation des bobines du stator et fournit le courant nécessaire.
Un motoréducteur se compose soit d'un moteur à courant continu, soit d'un moteur à courant alternatif, sur lequel un réducteur a été bridé. Le réducteur permet de réduire la vitesse du moteur tout en augmentant le couple. Les motoréducteurs sont utilisés de préférence dans la manutention et la construction mécanique, lorsque des mouvements lents et un déploiement de force élevé sont requis. Mais les motoréducteurs sont également utilisés dans le modélisme, par exemple comme moteurs d'entraînement pour les véhicules à chenilles. Les formes de construction des réducteurs utilisées sont de préférence des réducteurs planétaires, des réducteurs à vis sans fin ou encore des réducteurs à engrenages cylindriques.
Réducteur planétaire
Les moto-réducteurs planétaires n'ont pas de décalage entre l'arbre du moteur et l'arbre de sortie.
Réducteur à vis sans fin
Dans le cas d'un réducteur à vis sans fin, la sortie est décalée de 90° par rapport à l'arbre moteur.
Réducteur à engrenages
Les réducteurs à engrenages cylindriques sont de conception simple, robustes et ont un rendement élevé.
Selon la puissance requise et l'utilisation prévue, les motoréducteurs utilisent aussi bien des moteurs à courant continu, des moteurs à courant alternatif que des moteurs à courant triphasé.