Machine synchrone : principe

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A.YASSINE
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Machine synchrone : principe

Message par A.YASSINE » mer. 12 12 , 2007 14:46

Bonjour,
pour encourager l'esprit collaboratif du forum, voici qq infos synthétiques (qui existent peut-être déjà) sur la machine synchrone (MS).

Principe : l'existence de deux champs magnétiques, l'un au rotor, l'autre au stator, implique la création d'un couple magnétique (l'exemple naturel le plus connu est le cas d'une boussole qui s'aligne sur le champs magnétique terrestre). Le stator étant immobile, c'est le rotor qui va se mouvoir pour que son champ s'aligne sur celui du stator.

Le champs magnétique au rotor est produit par des aimants ou par un courant électrique.
Le champ électrique au stator est produit par une alimentation électrique.

Si le stator est alimenté avec un courant variable à la fréquence f, on prouve que le champs magnétique statorique peut se représenter par un vecteur qui tourne autour du stator à la vitesse de pulsation électrique w=2pi*f.

Le champ rotor voulant suivre le champ stator est donc lui-même la cause du mouvement de rotation du rotor. A chaque fois que le champ rotor tente de "rattraper" le champ stator, ce dernier a déjà tourné d'un certain angle ce qui "oblige" le rotor a en faire de même.
Yass

mutantape
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Message par mutantape » sam. 07 06 , 2008 0:26

J'ai toujours trouvé bizarre ces interpretations en termes de champ qui reagit avec un autre champ.

Lors de mes etudes, on m'a plutot presenté les choses en disant que les conducteurs du rotor, plongés dans le champ créé par le stator, et parcourus par un courant (injecté dans le rotor ou créé par induction) sont alors le siège d'une force de Laplace (I.dl^B) orientée de telle sorte qu'elle entraine le rotor en rotation.

Par contre, je reconnais que si le rotor est un aimant permanent, c'est plus difficile de voir les choses de cette maniere a moins peut etre de considérer la force de réaction, opposée à la force de Laplace que le rotor créerait cette fois dans les conducteurs du stator...

pdelagrange
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Message par pdelagrange » sam. 07 06 , 2008 20:27

Ce sont les 2 faces d'une même pièce...
Mais dans le cas de la machine synchrone, c'est bien une histoire de réaction magnétique... l'optimisation porte d'ailleurs essentiellement sur le circuit magnétique (matériaux qui suportent des champs le plus élevés possibles, faible hystérésis, faible entrefer, lamination pour éviter les courants de foucault, etc). Tout le champ magnétique est canalisé, et en fait, le champ qui traverse les enroulements est plus parasite qu'autre chose. Donc pas de force de Laplace.

Je n'ai pas encore vu de moteur électrique qui s'appuye sur la force de Laplace... tous ceux que j'ai vu s'appuyent sur une réaction magnétique (avec ou sans circuit magnétique, d'ailleurs). Quoique... les bobines de haut-parleur, peut-être bien...

mutantape
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Message par mutantape » lun. 09 06 , 2008 22:11

En fait à ma connaissance les interpretations en terme de moment magnétique ou de force de Laplace sont mathématiquement equivalentes et aboutissent au même resultat.
On peut donc tres bien choisir de decrire les moteurs classiques à courant continu, ou les asynchrones en terme de force de Laplace (et c'est mon reflexe du fait des cours d'electrotechniques auxquels j'ai été exposé).

Mais sur un plan purement physique, je ne crois pas qu'il soit possible de dire qu'un champ agit sur un autre champ. Si on interprete le champ comme une courbure d'un certain espace (un peu comme la gravité, interpretation de Kaluza-klein)), les courbures des deux champs s'ajoutent en chaque point, mais ne donnent pas naissance a une force de champ à champ. Ou si on l'interprete comme un flux de photon virtuels comme le veut la physique quantique, alors on sait que les photons n'interagissent pas entre eux.

Pour moi, une force ne prend naissance qu'à partir du moment ou un champ interagit avec une particule materielle. Et dans un moteur, c'est bien de la matiere qu'il faut arriver à bouger au bout du compte, et d'apres les lois de Newton, la mise en mouvement du rotor (donc son acceleration) implique la presence d'une force. De memoire la force de Laplace derive de la force de Lorentz exercée par tout champ magnetique sur toute particule chargée en mouvement (qV^B). Ainsi les electrons se deplaçant à une vitesse V dans les fils du rotor du fait du courant electrique subissent une force qu'il retransmettent au conducteur qui les contient, et de là a l'ensemble du rotor.

Mais bon toutes ces considerations sont peu etre un peu compliquées par rapport à ton explication de depart qui se voulait simple et rapide.

Mais on pourrait dire tout simplement que le champ magnetique créé par les bobinages du stator est "amplifié" par la carcasse metallique est canalisé par les poles du stator en un champ plus ou moins uniforme dans l'air au voisinage des poles, là ou se deplacent les conducteurs. Si les conducteurs sont parcourus par un courant, la fameuse formule i.dl^B donne une force tangente au rotor et perpendiculaire à l'axe et ceci donne un couple moteur.

Dans une bobine rectangulaire on alors deux conducteurs opposés qui participent au couple.

Dans ton interpretation, on prend la bobine tout entiere et on la considère comme un electro-aimant muni d'un moment magnetique qui va avoir tendance à s'aligner sur le champ exterieur. Mais de memoire, ce moment magnetique est justement calculé à partir des forces de Laplace.
Pour un aimant permanent, pas de courant macroscopique visible, mais sans doute un ensemble de micro-courants (electrons sur leur obites) qui additionnent leur effet pour donner le moment magnetique. Donc là aussi on pourrait parler de Laplace.

Toujours est-il que ton explication en termes de champs et de moments qui s'alignent est sans doute plus universellement facile d'emploi, surtout pour les moteurs à courant alternatif, mais je ne pense pas qu'elle corresponde à une realité physique.

pdelagrange
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Message par pdelagrange » mar. 10 06 , 2008 17:35

Deux aimants permanents exercent une force l'un sur l'autre, oui ou non?
Et pourtant, pas de courant électrique.
Le champ magnétique ne vient pas de nulle part, il a une source, et cette source est matérielle.

De même deux particules chargées s'attirent ou se repoussent, même immobiles. Pas de champ magnétique là-dedans.

Les deux type d'interactions se mélangent dès que ça bouge, mais on ne peut pas dire qu'il s'agisse de la même chose.


Bon, OK, le cas des rayonnements électromagnétiques qui se propagent, c'est particulier (c'est de l'énergie qui se ballade sans support). Mais il y a quand même interaction avec la matière à un moment ou un autre (émission, déviation, absorption).

mutantape
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Message par mutantape » mar. 10 06 , 2008 22:14

Pour le cas de deux aimants je pense qu'il faut considérer le niveau microscopique (electrons se deplaçant sur leurs orbites et pouvant donc etre considéres comme créant des "micro-courants") . Le champ d'un des aimants agit alors sur les micro-courants de l'autre et reciproquement. La source materielle du champ est egalement constituée par les micro courants qui sont autant de mini bobines en parallèle.

Pour les deux particules chargées, si elles sont au repos, effectivement pas de champ magnetique, mais un champ electrique généré par un des particule et qui agit sur la charge portée par l'autre et inversement. On est encore dans le cas de l'action d'un champ sur une particule matérielle.

Au bout du compte, la conclusion est que non seulement les champs n'interagissent pas entre eux, mais les particules non plus n'agissent pas directement l'une sur l'autre. On a toujours un comportement de type particule genere champ qui agit sur autre particule.

Quand ça bouge on a effectivement a la fois des champs electriques et magnétiques mais qui sont en fait deux manifestations d'une seule et même chose : la force electromagnétique, dont le support physique est toujours le photon.

Ces photons sont là même en l'absence de propagation au sens macroscopique, donc même quand ça ne bouge pas. Si deux aimants sont immobiles posés sur une table, la force qui existe entre eux est due à l'echange de photons dits virtuels (indetectables par principe).

Voir eventuellement la theorie quantique des champs sous wikipedia ou autre. Heureusement pas indispensable du tout pour comprendre le fonctionnement des moteurs, c'est juste histoire de couper les cheveux en N :-)

A.YASSINE
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Message par A.YASSINE » jeu. 12 06 , 2008 7:59

Bonjour,

il est en effet possible de voir une force de Laplace issue du stator qui s'exerce en tout point du rotor.
Néanmoins, cela n'entre pas en contradiction avec la vision des champs en interaction mais la seule utilisation des forces de Laplace ne donne pas non plus une vision large de tous les phénomènes mis en jeu. C'est le cas d'un champs issu d'une aimantation mais aussi des courants induits/produits.

Ensuite, il ne fait pas confondre la notion de champ en mathématique et en physique et c'est des deux qu'il faut tenir compte avant de s'exclamer qu'il y aurait des "limites" de tel ou tel concept.

Le champ mathématique est une application qui a tout point de l'espace associe un vecteur.
Le champ en physique exprime la possibilité (et seulement la possibilité) qu'une force s'exerce en un point donné.

De plus, les champs permettent d'introduire de façon simple et élégante des potentiels énergétiques qui rendent compte de l'état du moteur électrique mais aussi de son évolution puisque le système a tendance a rechercher spontanément les coordonnées qui minimisent le potentiel énergétique.
Yass

mutantape
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Message par mutantape » jeu. 12 06 , 2008 21:47

j'ai l'impression qu'on est plutot d'accord. Je ne crois cependant pas qu'il ait vraiment été question de limites d'une ou de l'autre approche. Ma position est que les deux doivent permettre d'aboutir au même resultat, que l'approche champ/moment donne probablement lieu à des calculs plus faciles et plus adaptables, mais que l'explication par les forces de Laplace est sans doute plus proche de la realté physique de base.

La distinction entre champ mathématique et physique me semble un peu superflue. Le champ mathématique est utilisé comme modèle de la realité physique et il est censé coller au plus pres de ce qu'il modélise, de maniere à pouvoir predir de façon fiable ce qui va se produire dans la realité.

Je pense qu'effectivement, tant qu'il n'y a que le champ, ou même une superposition de plusieurs champs, aucune force ne va apparaitre. La force potentielle ne va devenir une realité que lorsqu'une particule chargée sera presente dans le champ. Dans les cas des champs magnetiques, il faudra en plus que la particule bouge.

Ceci dit, je suis allé faire un tour sur Wikipedia. Ils disent bien qu'une partie du champ magnétique est produit par le mouvement orbital des electrons, mais aussi que le restant est créé par le moment magnétique intrinsèque de l'electron. Et là je suis embêté car l'electron etant la charge elementaire, je ne vois pas comment on pourrait considérer que ce moment intrinsèque est créé par des charges plus petites en mouvement "à l'intérieur". Je n'ai pas encore trouvé d'explication claire de cette propriété.

Arnaud M
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Message par Arnaud M » jeu. 06 05 , 2010 20:58

Je raisonne pas en champ mais en terme de lignes de force magnétique (mais je débute, c'est plus simple pour moi comme ça).

Une particule chargée en mouvement génère des lignes de force magnétique autour d'elle (le champ magnétique, c'est le rotationnel d'ampère donc les champs). Si ces lignes de force sont dans un champ magnétique extérieur, elle va repousser d'un côté les lignes de force extérieure, et de l'autre les attirer, ce qui provoque la force de Laplace.
2 champ magnétique ne peuvent pas coexister sans interaction. S'ils sont dans le même sens ils s'additionnent, s'ils sont dans l'autre sens ils se repoussent (les lignes de force se contournent, et c'est l'augmentation de leur distance qui tend à faire déplacer les objets).

Avec des schémas ça aurait été plus clair...

Mais la question sur laquelle je bute c'est les forces de Laplace. Un conducteur électrique dans un champ magnétique génère des forces de Laplace, qui sont différentes en soit de l'attraction magnétique exercée par le champ magnétique généré au coeur de la boucle du conducteur. Donc pour moi il y a à la fois les forces de Laplace qui s'exercent sur le conducteur (le démarreur automobile semble prépondérant en force de Laplace) et les attractions magnétiques décrites par A.Youssine dans le premier post.

Je me trompe?

pdelagrange
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Message par pdelagrange » ven. 07 05 , 2010 1:18

Oui et non.
L'expérience initiale de Biot et Ampère qui ont découvert en même temps ce phénomène, consistait à constater qu'une force s'exerce sur un conducteur traversé par un courant s'il est plongé dans un champ magnétique. Ampère a été plus loin que Biot car il a su quantifier les choses et établir la formule que nous connaissons (le bonhomme d'Ampère, ça vous dit quelque chose?).
Pour la petite histoire, comme nos deux compères ont découvert le truc en même temps, il y avait une certaine rivalité et Laplace, leur chef à tous les deux a décidé de donner son nom à cette loi; Laplace, personnage puant, imbus de lui-même, avide de gloire et de pouvoir, était coutumier de ce genre de faits (il a aussi usurpé une découverte de Fourier). Il a même été viré par Napoléon au bout d'un mois après avoir insisté comme un malade pour être ministre: ça n'allait pas du tout. Ampère, lui, était un chic type, à tous points de vue.

Le premier moteur électrique était la roue de Barlow: les rayons de la roue, traversés par un courant, plongent dans un bain de mercure tout en passant dans l'entrefer d'un aimant. La force de Laplace Biot-Ampère faire tourner la roue...

Dans les moteurs actuels, c'est différent: on a réalisé que pour faire des moteurs puissants et compacts, il fallait maximiser le flux magnétique, or l'air est un très mauvais "conducteur" magnétique. On a donc toujours un circuit magnétique, constitué de tôles empilées; l'entrefer est minimal; les bobinages sont là pour créer un champ magnétique.
On utilise les principes de l'induction et l'interaction magnétique, mais pas vraiment la force de Laplace Biot-Ampère. Ce sont bien des phénomènes différents. Le champ magnétique est (presque) entièrement canalisé par le fer et ne traverse (presque) pas les enroulements.

mutantape
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Re: Machine synchrone : principe

Message par mutantape » jeu. 05 07 , 2012 18:23

Interessant ton petit morceau d'histoire.

Ta vue du détournement du flux par le fer, laissant le cuivre dans un champ faible semble logique.

Je change donc ma position en envisageant que le champ n'agisse plus sur les conducteurs mais plutot sur le moment magnétique créé dans ma masse du fer par l'excitation magnétique produite par les bobinage en cuivre.
Ce moment n'est qu'un modèle des micro-courants qui existent dans le fer, et donc au bout du compte ce sont bien toujours des forces d'Ampère/Biot/Laplace, simplement elles agissent dans la masse du fer plutot que sur les conducteurs en cuivre.

j'ai besoin de verifier que ça colle sur le plan des formules cependant, ou de trouver une confirmation indépendante.

Arnaud M
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Re: Machine synchrone : principe

Message par Arnaud M » lun. 09 07 , 2012 13:32

D'après ce que je comprends de la chose le passage de particules chargées dans les conducteur cuivre (les électrons) créé un champ magnétique autour du conducteur, le champ magnétique externe (de l'inducteur) ne traverse donc pas le conducteur car il est écarté par le champ magnétique interne (celui créé par le passage du courant).

Le cuivre n'est donc pas dans un champ magnétique faible, il n'y a pas de champ magnétique dedans.

Le champ magnétique ne réagit qu'avec un autre champ magnétique, les réactions apparentes avec la particule chargée venant du fait qu'une particule en mvt émet un champ magnétique, ou encore qu'un champ magnétique en mvt s'entoure d'un champ électrique qui va ensuite réagir avec la particule chargée.

J'ai tout compris?

mutantape
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Re: Machine synchrone : principe

Message par mutantape » dim. 15 07 , 2012 10:28

Quand je dis que les champs n'agissent pas sur les champs, je veux dire que l'action d'un champ sur un autre ne peut produire une force. Je ne connais aucune équation dans laquelle on a deux champs d'un coté et une force de l'autre.
Par contre les champs sont des vecteurs et donc se composent vectoriellement en tout point de l'espace. Là encore cela n'implique aucune action des champs les uns sur les autres, simplement une particule chargée en mouvement passant en ce point subira une force liée à la composition de tous ces champs.

Pour que deux champs s'annulent, il faut qu'ils soient colinéaires, de sens opposé et d'intensité égale.

L'intensité du champ créé par le cuivre dépend du courant qui y circule. Le champ créé par le stator dépend également du courant qui y circule. Il n'y a absolument aucune relation entre ces deux courants, on peut les faire varier indépendamment (sauf dans le cas très particulier d'un moteur à courant continu à excitation série). Par ailleurs, la direction que les champs statoriques et rotoriques font entre eux varie continuellement. On ne voit donc pas par quel miracle le champ du cuivre serait precisément annulé par le champ du stator.

Le champ dans le cuivre est simplement afffaibli par le fait que le flux de l'entrefer tombe sur des reluctances faibles (parois des encoches) et des reluctances fortes (encoches remplies d'air et de fil de cuivre) vues en parallèle. Dans ces conditions, le flux se partage comme le courant electrique dans des resistances en parallèles : la majorité du flux passe par les réluctance faibles. Mais une petite partie passe encore par les encoches (depend de la permeabilité relative du fer, de la surface et de la profondeur des encoches)

mutantape
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Re: Machine synchrone : principe

Message par mutantape » lun. 16 07 , 2012 2:47

A noter également le cas du moteur coreless: là le cuivre est forcément traversé par le champ, et la rotation est obligatoirement due aux forces de Laplace s'exerçant sur le cuivre (il n'y a que ça dans un rotor coreless).

On pourrait aussi réfléchir au cas intermédiaire d'un rotor dans la quelle la couche superficielle où se trouvent les encoches qui maintiennent le cuivre serait faite d'un un matériau non magnétique, recouvrant un noyau de fer.

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