LES DISPOSITIFS ELECTROMECANIQUES CHAPITRE I

1-1.Introduction 

Un convertisseur électromécanique est un dispositif réalisant une transformation réversible

de l’énergie électrique en énergie mécanique. Il crée des couples ou des forces : par

interaction de champs magnétiques, par action d’un champ sur un matériau ferromagnétique.

1-2.Convertisseurs électromécanique [1]

Un convertisseur électromécanique assure la conversion réciproque d'énergie électrique en

travail mécanique de translation et le plus souvent encore, de rotation. Ces deux formes

d'énergie ne sont pas stockables.

La conversion se fait donc en passant par une forme d'énergie intermédiaire stockable.

Cette forme intermédiaire peut être électrostatique ou électromagnétique .En fait la plus

grande partie de la conversion de l'énergie électromagnétique.

Car on ne sait pas stocker dans la matière de quantités suffisantes d'énergie électrostatique

pour produire des forces mécanique de forte intensité.

La conversion d'énergie électromécanique (moteur) et la conversion d'énergie mécanique-

électrique (générateur) sont possibles dans le mêmes structures de machine tant sur le plan

physique que sur le plan technologique .les convertisseurs électromécanique sont réversibles.

Dans la suit .Sauf induction explicite contraire, On raisonnera sur un fonctionnement moteur.

Figure (1-1)

Figure (1-1) : La conversion électromécanique

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1-3.Les Propriétés générales de la conversion électromécanique [1] 

La conversion électromécanique présente des caractères communs à la plupart de Ses

applications. Parmi celles-ci, on peut relever :

Le rendement énergétique généralement élevé.

La réversibilité, Le même système permet aussi bien une conversion électromécanique

qu'une transformation en sens inverse.

L'absence de nuisances.

La fiabilité et la durée de vie.

La gamme étendue des puissances allant de quelques PW à plus d'un GW.

La possibilité d'assurer, en plus d'une conversion d'énergie, une conversion d'information.

Certaines contraintes limitent cependant l'emploi de ce mode de conversion. On peut citer :

La dépendance d'un réseau d'alimentation. Il n'est que rarement possible de Transporter la

source d'énergie électrique (générateur, batterie d'accumulateurs, Etc.) De façon

indépendante, pour des systèmes de puissance importante;

La puissance par unité de volume ou de masse est moins élevée que pour certain Systèmes

hydropneumatiques, mécaniques ou thermiques.

Les systèmes électriques présentent un danger d'électrocution pour l'homme.

1-4.Les Caractères de la conversion électromécanique [1] 

L'étude de la conversion électromécanique est basée sur le principe de conservation de

l'énergie. Celui-ci fait appel à une forme intermédiaire d'énergie. Il s'agit d’énergie

électromagnétique ou de sa forme homologue, la Co énergie magnétique.

Une force électromécanique résulte de trois formes possibles d'interaction:

L'interaction entre deux courants.

L'interaction entre un courant et un circuit ferromagnétique.

L'interaction entre un aimant permanent et un courant ou un circuit ferromagnétique.

Les diverses grandeurs associées aux systèmes électromécaniques peuvent être exprimées

dans deux modèles différents :

Le tenseur de Maxwell au niveau local.

La dérivée de l'énergie au niveau des circuits électriques.

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1-5.Les différents types de convertisseurs électromécaniques [2]

1-5-1.Classification d'après le principe de mise en œuvre 

A. Les convertisseurs électromagnétiques

Dans un convertisseur électromagnétique, les interactions entre phénomènes électriques et

mécaniques sont liées, comme nous l'apprend la physique :

À la force qui s'exerce sur un conducteur parcouru par un courant lorsque ce conducteur est

placé dans un champ magnétique engendré par d'autres courants ou par des aimants

permanents (loi de Laplace) et à la tension induite dans ce conducteur s'il est mis en

mouvement (La force de Lorentz).Figure (1-2)

Figure (1-2): Effets électrique et mécaniques sur un conducteur parcouru Par un courant i et

soumis à un champ magnétique B⃗

À la force qui s'exerce sur une pièce en matériau ferromagnétique lorsque le courant dans une

ou plusieurs spires N engendre un champ magnétique B⃗ et à la tension qui apparaît dans cette

ou ces spires en raison de la ou des variations de flux que le mouvement de la pièce en

matériau ferromagnétique N engendre. Figure (1-3) 

Figure (1-3) : Effets électrique et mécaniques dus à

un corps ferromagnétique soumis un flux 𝟇Chemlel madjdoub Page 3

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B. Les convertisseurs électrostatiques:[1]

Un système électrostatique de conversion d'énergie électromécanique est formé d'un

ensemble de sources de tension alimentant un ensemble de circuits électriques capacitifs

déformables. Un exemple simple peut être donné par un condensateur plan dont une des

plaques est mobile. Figure (1-4).

Figure (1-4) : Principe d’un système électrostatique

De façon générale, les systèmes électromécaniques de caractère électrostatique présentent

moins d'intérêt que les systèmes électromagnétiques, par suite d'une puissance spécifique très

faible.

Principe :

Un condensateur à armature mobile est alimenté par une tension alternative superposée à une

tension continue.

La variation des forces d’interaction électrostatique entre les armatures entraîne la vibration

de L’armature mobile.

C. Convertisseurs magnétostrictifs [3]

La magnétostriction utilise le changement de dimension de certains matériaux

ferromagnétique tels que le nickel ou ses alliages, le cobalt, les ferrites, etc., lorsqu’ils sont

soumis à un champ magnétique.

Un convertisseur magnétostrictif est souvent sous forme de barreau entouré d’un

solénoïde. L’application d’un courant électrique alternatif à travers le solénoïde entraîne une

variation des dimensions du barreau. L’inconvénient majeur de cet équipement est la

limitation sur la gamme de fréquence qui ne dépasse pas les 100 kHz.

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D. Convertisseurs piézoélectriques[3]

Interactions entre grandeurs électriques et mécaniques dans certains cristaux déformables.

Cette conversion est basée sur la polarisation électrique Q de certains matériaux sous l’action

de contraintes mécaniques, et inversement sur la déformation sous l’effet d’un champ

électrique.

Si on applique une force F⃗, il y a une déformation qui induit des moments dipolaires,

donc une polarisation électrique et par suite apparition de charges Q. Inversement,

l’application d’une tension Uc induit un champ électrique qui entraîne des contraintes

donc une déformation

Figure (1-5) : Principe de convertisseur piézoélectrique

Principe :

L’application d’une tension électrique alternative aux bornes d’un Matériau piézoélectrique

produit une déformation dynamique vibratoire De l’échantillon.

1-5-2.Classification d'après la fonction assurée [2]

A. Convertisseurs d'énergie : générateurs et moteurs :

Un appareil à courant continu est un appareil électrique.

Les moteurs courant continus sont des convertisseurs de puissance :

Soit ils convertissent l’énergie électrique absorbée en énergie mécanique lorsqu’ils sont

capables de fournir une puissance mécanique suffisante pour démarrer puis entraîner une

charge en mouvement. On dit alors qu’ils ont un fonctionnement en moteur.

Soit ils convertissent l’énergie mécanique reçue en énergie électrique lorsqu’ils subissent

l’action d’une charge entraînante. On dit alors qu’ils ont un fonctionnement en générateur.

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B. Actionneurs électromécaniques [2]

Les actionneurs sont des convertisseurs électromécaniques conçus pour assurer la

commande du mouvement de systèmes mécaniques à partir des grandeurs électriques qu'on

impose à leurs accès électriques. Comme le mouvement d'un système mécanique est fonction

des forces ou des couples qu'on leur applique, le premier critère de conception d'un actionneur

est généralement la facilité et la précision avec laquelle on peut commander électriquement la

force ou le couple qu'il produit à son accès électrique. Un deuxième critère important est le

rapport existant entre la taille de l'actionneur et la force ou le couple qu'il peut développer : au

plus le couple développé est élevé pour une taille donnée, au meilleur est l'actionneur.

Un actionneur électromécanique n'est jamais relié directement à un générateur d'énergie

électrique. Son alimentation s'opère à travers un système de conditionnement de l'énergie

électrique (généralement un convertisseur électronique de puissance) qui permet d'adapter à

tout instant ses conditions de fonctionnement aux besoins de l'actionnement qu'il opère. Par

conséquent, des critères importants pour les générateurs et les moteurs comme :

La possibilité d'être directement interconnectable électriquement à un autre convertisseur

électromécanique.

La possibilité de travailler à puissance d'entrée et de sortie constantes.

Ne sont pas déterminants au niveau de la conception d'un actionneur. C'est la raison pour

laquelle, les structures des actionneurs électromagnétiques sont beaucoup plus diversifiées

que celles des générateurs et des moteurs : en dehors des convertisseurs à champ tournant et

des machines à courant continu, on trouve des actionneurs à reluctance commutée ou à flux

commuté.

C'est généralement dans le domaine de l'actionnement que l'on utilise parfois des

convertisseurs électrostatiques et des convertisseurs basés sur l'emploi de matériaux qui

réagissent mécaniquement aux grandeurs électriques comme les matériaux piézoélectriques.

Enfin, les actionneurs ne sont pas systématiquement des machines tournantes. Certains

actionneurs ont un mouvement linéaire, voire exceptionnellement un mouvement à plusieurs

degrés de liberté.

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C. Capteur électromécanique [1]

Un capteur électromécanique est un transducteur qui transforme un mouvement en une

information de nature électrique. Il y a, simultanément, une conversion d'énergie mécanique

en énergie électrique. Afin de ne pas perturber le phénomène mesuré,

Cette énergie doit être la plus faible possible. Ce sont les équations dynamiques de tension qui

sont caractéristiques du fonctionnement de ces systèmes. Dans la mesure où le dispositif

d'analyse du signal capté présente une grande impédance d'entrée, le courant correspondant

peut être négligé.

Les applications des capteurs sont nombreuses dans le domaine de la technique de mesure,

le signal électrique étant particulièrement aisé à transmettre et à analyser.

Leur emploi est également fréquent en télécommunication (microphone).

D. Transducteur électromécanique [1]

Un transducteur électromécanique est un dispositif électromécanique assurant une

conversion ou un transfert de signaux. En conséquence, un transducteur électromécanique

assure simultanément une conversion d'énergie et une conversion d'information.

Le développement important du traitement de l'information par l'analyse numérique a créé,

depuis le début des années soixante, un besoin croissant de transducteurs de tous types.

1-5-3.Autres dispositifs électromécaniques 

A. Relais électromécanique [4]

Un relais électromécanique est un organe très commun en électrotechnique, il est chargé de

transmettre un ordre entre la partie commande et la partie puissance d'un appareil électrique

Un relais électromécanique est doté d'un bobinage en guise d'organe de commande. La

tension appliquée à ce bobinage va créer un courant, ce courant produisant un champ

électromagnétique à l'extrémité de la bobine (il ne s'agit ni plus ni moins que d'un

électroaimant). Ce champ magnétique va être capable de faire déplacer un élément mécanique

métallique monté sur un axe mobile, qui déplacera alors des contacts mécaniques

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Exemple :

1T = 1 Contact travail (pas de contact établi en position de repos).

1RT = 1 Contact ayant une position repos et une position travail.

2RT = 2 Contacts ayant chacun une position repos de une position travail.

Figure (1-6) : Figure (1-5) : Principe d’un relais électromécanique

Avantages du relais électromécanique

Résistance de contact fermé très faible (il est moins facile de trouver des valeurs aussi

faibles avec des composants électroniques). 

Très grande isolation entre circuit de commande (bobine) et circuit commuté (contacts).

B. Les contacteurs

Le contacteur assure la même fonction que le relais mais il possède un pouvoir de coupure

encore plus important grâce des dispositifs d'extinction de l'arc électrique. Le pouvoir de

coupure est particulièrement important pour la commande de charges fortement selfiques

comme les moteurs mais aussi de résistances de puissance (chauffage).

Pour ces charges l'apparition d'arcs électriques est régulière et il est nécessaire de les

interrompre (risque de destruction et d'incendie). 

Figure (1-7) : le contacteur électromécanique

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Les contacteurs sont classés par classe d'utilisation :

AC1 : Utilisé pour la commande de circuits résistants (résistances, lampes d'éclairage...). La

fermeture ou la coupure du circuit ne provoque pas de surintensité. 

AC2 : Utilisé pour la commande de dispositifs dont la coupure peut provoquer une

surintensité dont la valeur peut dépasser 2,5 fois l'intensité nominale.  

AC3 : Utilisé pour la commande de dispositifs dont la coupure peut provoquer une

surintensité dont la valeur peut dépasser 6 fois l'intensité nominale.  

1-6.Conclusion :

Dans ce chapitre nous avons possédé des connaissances générales sur les convertisseurs

électromécaniques et nous avons définit la conversion électromécanique et présenté les

principes et différents types et fonctions électromécanique ....) .

Dans le prochain chapitre, nous présenterons une étude détaillée sur le contacteur.

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