Fonctionnement des constituants usuels

Un moteur synchrone convertit une puissance électrique en puissance mécanique de rotation.

Lorsque l'on fait tourner un aimant, on crée un champ magnétique tournant. Si on place une aiguille aimantée dans ce champ magnétique tournant, alors l'aiguille se met à tourner à la même vitesse que le champ magnétique. On appelle cela un moteur synchrone car l'aiguille aimantée tourne à la même fréquence que le champ tournant (synchronisme).

1ère méthode :

Pour créer un champ magnétique, il est possible d'utiliser un aimant permanent.

Pour créer un champ magnétique tournant, il est possible de faire tourner cet aimant permanent (comme sur la vidéo ci-dessus).

2ème méthode :

Pour créer un champ magnétique, il est possible d'alimenter une bobine par un courant (électro-aimant).

Pour créer un champ magnétique tournant, il faut alimenter 3 bobines (placées sur des axes à 120° les uns par rapport aux autres) par un système de tensions sinusoïdales triphasées (3 tensions sinusoïdales décalées dans le temps de 1/3 de période les unes par rapport aux autres, c'est à dire décalées de 120°).

Dans la vidéo ci-dessous, une aiguille aimantée est placée dans un champ magnétique tournant, créé par 3 bobines placées à 120° les unes par rapport aux autres et alimentées par un système de tensions triphasées 50Hz.

A la fin de la vidéo, l'aiguille aimantée est éclairée par une lumière stroboscopique de 50Hz et on remarque que l'on voit l'aiguille toujours au même endroit => le champ tournant et l'aiguille aimantée tournent donc à la même vitesse.

Le stator du moteur synchrone reçoit les bobinages qui créent le champ tournant. On peut placer plusieurs jeux de 3 bobine :

- si le stator est composé d'un jeu de 3 bobines alors le champ tournant a une paire de pôles et sa fréquence est celle de la tension d'alimentation des bobines ;

- si le stator est composé de 2 jeux de 3 bobines alors le champ tournant a deux paires de pôles et sa fréquence vaut la moitié de celle de la tension d'alimentation des bobines ;

- si le stator est composé de 3 jeux de 3 bobines alors le champ tournant a trois paires de pôles et sa fréquence vaut le tiers de celle de la tension d'alimentation des bobines.

Afin de tourner à la même fréquence que le champ magnétique tournant du stator, le rotor doit générer un champ magnétique fixe. Pour cela, il existe 2 possibilités , soit il est constitué :

- d'un aimant permanent, il est alors inutile de l'alimenter.

- de bobines qu'il faut alors alimenter.

Remarque : lorsque le moteur synchrone tourne à vide alors non seulement le champ magnétique tournant du stator et le champ magnétique du rotor tournent à la même fréquence mais en plus il sont quasiment en face l'un de l'autre. Par contre, dès que l'on charge le moteur (c'est à dire que l'on applique un couple résistant) alors les champs magnétiques statoriques et rotoriques continuent à tourner à la même fréquence mais ils se décalent l'un par rapport à l'autre. Plus on charge le moteur, plus ce décalage augmente. Si ce décalage atteint 90° alors le moteur décroche.

Le moteur brushless (appelé aussi moteur autopiloté à aimant permanent) est un moteur synchrone à aimant permanent qui associé à un circuit de commande électronique (appelé aussi contrôleur) a le même comportement qu'un moteur à courant continu (sans les inconvénients du système balais-collecteurs, d'où le nom de moteur brushless (sans balais).

Ce circuit de commande va (en fonction de la position du rotor) alimenter successivement les bobines du stator.

Pour fonctionner correctement la commande doit connaître la position du rotor, pour cela, il y a 2 possibilités :

- soit le moteur dispose d'un capteur donnant la position du rotor (souvent il s'agit d'un capteur à effet hall) ;

- soit le circuit de commande déduit la position du rotor grâce à la mesure de la force contre-électromotrice générée par le rotor.

Pour les petites puissances, le contrôleur peut même être directement intégré au moteur. De l'extérieur, c'est comme si nous avions un moteur à courant continu (mais sans balais).