bobine de champ

Une bobine d'excitation est un assemblage de fils enroulés qui génère le champ magnétique stationnaire dans les machines électriques rotatives. Le courant traversant la bobine crée un champ magnétique suffisamment puissant pour interagir avec un rotor et produire un couple mécanique (dans les moteurs) ou induire un courant électrique (dans les générateurs). La bobine est logée dans des fentes usinées dans le stator, le noyau de fer non rotatif qui constitue le châssis de la machine.

Les bobines d'excitation se présentent sous deux configurations principales. Dans les machines à excitation série, la bobine d'excitation est en série avec l'induit, de sorte que le courant de charge traverse les deux. Dans les machines à excitation shunt, la bobine d'excitation est connectée en parallèle à l'alimentation, recevant une tension constante indépendamment de la charge. Les machines à excitation séparée utilisent une source d'alimentation indépendante pour l'excitation. Le choix détermine la façon dont la machine réagit aux changements de charge et si sa vitesse est autorégulée.

Le fil lui-même est généralement en cuivre ou en aluminium, isolé avec de l'émail ou du tissu. Le diamètre de la bobine, la jauge du fil et le nombre de spires sont calculés pour obtenir la force de champ souhaitée et un échauffement admissible. Les grands moteurs industriels peuvent avoir des bobines d'excitation enroulées avec des conducteurs carrés ou rectangulaires pour améliorer l'efficacité de l'espace. Le noyau de fer sous la bobine est laminé à partir de fines tôles d'acier pour réduire les pertes par courants de Foucault aux fréquences alternatives.

Modes de défaillance courants et compromis de conception

Les bobines d'excitation tombent en panne lorsque l'isolation se dégrade sous l'effet de la chaleur, de l'humidité ou des contraintes de tension. Un court-circuit entre les spires augmente le courant et la température de l'enroulement de manière catastrophique. Les circuits ouverts (fil cassé ou joint de soudure froid) suppriment entièrement la génération de champ, ce qui provoque le calage de la machine ou la perte de synchronisme. Les cycles thermiques, l'infiltration d'humidité et la contamination par la poussière conductrice dégradent tous la durée de vie de l'isolation. Les machines industrielles sont souvent conçues pour 20 à 40 kV par millimètre d'épaisseur d'isolation, une marge de sécurité qui définit la classe de tension de la bobine.

La conception implique d'équilibrer les pertes cuivre (échauffement I²R dans le fil), les pertes fer (hystérésis et courants de Foucault dans le noyau) et le coût des matériaux. Un fil plus gros réduit l'échauffement résistif mais augmente la masse et le coût de la bobine. Plus de spires augmentent la force du champ mais aussi le volume de cuivre. L'épaisseur de la lamination affecte les pertes dans le noyau mais complique la fabrication. La bobine d'excitation doit être suffisamment robuste pour supporter les forces mécaniques générées lorsque le couple du rotor atteint son maximum, en particulier lors du démarrage du moteur ou des transitoires de court-circuit du générateur.