Le moteur en série est un type de moteur électrique à courant continu (CC) largement utilisé dans diverses applications en raison de sa capacité à générer un couple de démarrage élevé et de sa polyvalence dans des environnements où la demande de puissance varie considérablement.
Ce moteur se caractérise par le fait que les enroulements d'induit et d'inducteur sont connectés en série, ce qui implique que le courant qui circule dans les deux est le même.
Ensuite, ses caractéristiques, principes de fonctionnement, avantages et inconvénients, ainsi que ses applications les plus courantes, seront élargis pour permettre une compréhension complète de ce type de moteur.
Principe de fonctionnement du moteur en série
Dans le moteur en série, l'enroulement d'induit et l'inducteur sont connectés en série, ce qui signifie que le courant circulant à travers l'inducteur est le même que celui circulant à travers l'induit. Lorsque le courant est fourni au moteur, il traverse les deux composants, créant un champ magnétique dans l'inducteur qui interagit avec le champ généré dans l'induit. L’interaction entre ces champs magnétiques est à l’origine du mouvement de rotation.
Le couple moteur généré par le moteur série est proportionnel au produit du flux magnétique et du courant circulant dans l'induit. Comme le flux magnétique dépend également du courant qui le traverse, la relation entre le couple moteur et le courant est quadratique, ce qui explique pourquoi ce type de moteur est capable de produire un couple de démarrage élevé, même lorsque le courant est faible.
L’un des aspects les plus importants du moteur d’origine est que sa vitesse varie en fonction de la charge appliquée. À mesure que la charge diminue, la vitesse a tendance à augmenter considérablement, ce qui peut provoquer des problèmes de survitesse lorsque le moteur n'est pas chargé. Ce comportement particulier rend le moteur d'origine adapté à certaines applications spécifiques, mais mal adapté à d'autres, comme nous le verrons plus loin.
Caractéristiques standards du moteur
Le moteur à excitation série présente une série de caractéristiques qui le différencient des autres types de moteurs à courant continu, tels que le moteur à excitation shunt et le moteur à excitation composée. Ces caractéristiques rendent le moteur d'origine particulièrement utile dans les applications nécessitant un démarrage puissant et une capacité d'adaptation aux variations de charge.
Couple de démarrage élevé
Le moteur d'origine est connu pour sa capacité à générer un couple très élevé au démarrage. En effet, lorsque le moteur est arrêté, le courant traversant l'inducteur est maximum, ce qui génère un fort champ magnétique et, par conséquent, un couple élevé. Cette caractéristique rend le moteur de série idéal pour les applications où il est nécessaire de démarrer avec une charge lourde, comme dans les locomotives, les tramways, les grues et les ascenseurs.
Vitesse variable
La vitesse d'un moteur série varie considérablement en fonction de la charge qu'il supporte. Lorsque le moteur fonctionne à vide, sa vitesse peut augmenter dangereusement, à mesure que le courant dans l'enroulement de l'inducteur diminue, réduisant ainsi le champ magnétique et augmentant la vitesse. Ce phénomène de survitesse peut être préjudiciable au moteur et à l'ensemble du système, limitant son utilisation dans les applications où le moteur pourrait fonctionner au ralenti.
Risque de survitesse
En raison de la relation entre le flux magnétique et le courant, lorsque le moteur série fonctionne sans charge, la vitesse peut augmenter de façon exponentielle. Cela peut représenter un danger tant pour le moteur que pour les équipements qui y sont connectés, car le manque de charge signifie un faible courant dans l'inducteur et donc un mauvais contrôle de la vitesse. C'est pour cette raison que les moteurs d'origine ne conviennent pas aux applications où le moteur peut fonctionner fréquemment sans charge.
Puissance quasi constante
Malgré la variabilité de la vitesse du moteur d'origine, la puissance délivrée par ce moteur a tendance à rester presque constante à différentes vitesses. En effet, toute augmentation du régime moteur entraîne également une réduction du couple moteur, qui compense en termes de puissance nette. Toutefois, cette fonctionnalité n'est utile que dans les applications où une puissance constante doit être maintenue dans différentes conditions de charge.
Stabilité aux variations de tension
L'un des avantages du moteur d'origine est sa capacité à gérer les variations de tension d'alimentation. Étant donné que le courant circulant à travers l’inducteur et l’induit est le même, une augmentation de la tension génère une augmentation du courant, ce qui à son tour augmente à la fois le flux magnétique et la force électromotrice induite. Ce phénomène permet de stabiliser l'intensité absorbée et de maintenir le fonctionnement du moteur dans des conditions relativement stables face aux fluctuations de la tension d'alimentation.
Avantages du moteur de stock
Les avantages du moteur à excitation série sont notables, notamment dans les applications industrielles et de transport. Les principaux sont mis en évidence ci-dessous :
- Couple de démarrage élevé : Comme mentionné, l'un des principaux avantages de ce moteur est sa capacité à générer un couple de démarrage élevé, ce qui en fait l'option privilégiée pour les applications nécessitant le déplacement de grandes masses au repos.
- Robustesse et simplicité de conception : Les moteurs de série ont généralement une construction simple et robuste, ce qui facilite leur maintenance et prolonge leur durée de vie, en particulier dans les environnements industriels où les conditions peuvent être défavorables.
- Adaptabilité aux variations de charge : Ce moteur s'adapte bien aux changements de charge, ce qui le rend adapté aux applications où les conditions de travail varient constamment, comme dans les systèmes de traction électrique.
- Coût relativement faible : comparé à d'autres types de moteurs à courant continu, le moteur de série est relativement peu coûteux, tant en termes d'achat que de maintenance, ce qui en fait une option attrayante dans de nombreuses applications industrielles et de transport.
Inconvénients du moteur de stock
Malgré ses avantages, le moteur d'origine présente également certains inconvénients dont il faut tenir compte lors de sa sélection pour une application spécifique :
- Instabilité à vide : Le principal inconvénient de ce moteur est son instabilité lorsqu’il fonctionne à vide. La survitesse qui peut survenir dans ces conditions peut être dangereuse à la fois pour le moteur et pour les systèmes qui l'entourent.
- Difficulté à contrôler la vitesse : Le contrôle précis de la vitesse dans un moteur d'origine est difficile en raison de sa nature à vitesse variable. Dans les applications nécessitant un contrôle précis de la vitesse, ce type de moteur n'est peut-être pas le meilleur choix.
- Limites des applications à charge variable : Bien que le moteur d'origine soit capable de gérer les variations de charge, son comportement peut être imprévisible dans les applications avec des changements de charge rapides et fréquents, ce qui peut entraîner des problèmes de fonctionnement.
Utilisations et applications du moteur série
Le moteur de série est largement utilisé dans les applications où un couple de démarrage élevé et une capacité d'adaptation aux changements de charge sont requis. Vous trouverez ci-dessous quelques exemples d'applications courantes :
Traction électrique
Les moteurs en série sont particulièrement utiles dans les applications de traction électrique, telles que les tramways, les trains et autres véhicules ferroviaires. Dans ces cas, un couple de démarrage élevé est crucial pour faire sortir les véhicules de l'arrêt, et la capacité de s'adapter aux variations de charge est essentielle pour gérer les changements d'inclinaison du terrain et le nombre de passagers.
Grues et ascenseurs
Dans les environnements industriels, les moteurs en série sont souvent utilisés dans les grues, les ascenseurs et autres équipements de levage. Ces applications nécessitent un moteur capable de générer un couple de démarrage élevé pour soulever de lourdes charges, et la vitesse variable du moteur standard permet d'ajuster les performances en fonction de la charge.
Vieux véhicules électriques
Bien que les moteurs à courant alternatif (AC) aient gagné en popularité dans les véhicules électriques modernes, les premiers véhicules électriques et certains véhicules de traction lourds utilisent encore des moteurs de série en raison de leur capacité à générer un couple élevé à basse vitesse.
Exemples de candidatures inappropriées
Malgré ses avantages dans certaines applications, le moteur d’origine ne convient pas à toutes les situations. Par exemple, son utilisation n'est pas recommandée dans les outils électriques portables, tels que les perceuses ou les scies, en raison du risque de survitesse lorsque le moteur fonctionne sans charge. Si, par exemple, une perceuse utilisant un moteur d'origine termine de percer, le manque de résistance peut provoquer une augmentation dangereuse de la vitesse du foret, ce qui pourrait mettre en danger la sécurité de l'opérateur.