Les moteurs  Jouef 3 et 5 pôles Dernière mise à jour :
11/02/2009
© P.Béraud 2009
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  1. Les moteurs étudiés
  2. Caractéristiques moyennes du moteur 5 pôles Jouef
  3. Changement d'aimant
    1. Pertes d'aimantation
    2. Aimants de remplacement
    3. Conclusion
  4. Et après ?



Dans la page "Théorie moteur", je vous ai présenté les quelques équations qui permettent de décrire le comportement des "moteurs à courant continu et aimant permanent" qui animent nos modèles. J'ai également décrit une méthode de mesure pour déterminer leurs constantes caractéristiques, et son application à un exemplaire de moteur.

Ces mesures ont été reproduites sur plusieurs autres exemplaires (afin de déterminer un comportement moyen). J'ai également étudié l'influence du changement d'aimant (remplacement de celui d'origine par un NdFeB).

Quels sont les résultats des mesures sur ces moteurs ?
Le changement d'aimant est-il bénéfique (et de combien) ?

On tente d'y répondre ici.

Les moteurs étudiés

Les essais ont porté sur 11 moteurs Jouef : 2 moteurs 3 pôles (les plus anciens) et 9 moteurs 5 pôles.
9 d'entre eux ont été empruntés aux motrices en ma possession, pendant leur révision. Ils datent de la fin des années 60 et des années 70. Les deux derniers ont été achetés d'occasion.
Tous ont été nettoyés et relubrifiés avant les mesures.

Moteur n° Type Origine Commentaires
1 3 pôles Motrice CC40101 Démagnétisé accidentellement
2 3 pôles Automotrice X3800
3 5 pôles Motrice 2D2 5516
4 5 pôles Vapeur 040TA
5 5 pôles Vapeur 231K82
6 5 pôles Vapeur 141P
7 5 pôles Vapeur 140C231
8 5 pôles Motrice BB66150
9 5 pôles Motrice BB13001
10 5 pôles Pièce détachée occasion
11 5 pôles Pièce détachée occasion

Les mesures ont été réalisées selon la méthode décrite dans la page "Théorie moteur", où j'ai détaillé la caractérisation complète d'un moteur. Le moteur caractérisé est le n°3 de cette liste, qui a été remesuré ici après sa révision (les valeurs sont légèrement différentes).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Type 3 pôles 5 pôles


KC mN.m/A 1,34 3,69 6,83 6,20 6,07 6,59 5,73 6,50 6,26 5,83 5,68
RS Ω 32,6 38,5 33,6 25,7 23,8 26,7 25,3 26,7 26,9 28,6 24,1
Uo V 2,00 1,24 1,19 1,05 0,92 1,12 1,53 0,74 1,86 0,91 0,66
ωo tr/mn 11854 21053 12479 15230 14081 14413 16125 13027 15572 16018 15273
Io mA 129 77 84 70 67 50 93 77 52 76 78
RV tr/(mn.mN.m) 28845 20394 5678 5770 4985 5375 6808 4750 6593 7085 5711
CB mN.m 0,41 1,03 2,20 2,64 2,82 2,68 2,37 2,74 2,36 2,26 2,67
PMAX W 0,13 0,57 0,72 1,05 1,04 1,01 1,00 0,94 0,96 0,95 1,07
ρMAX % 5 27 30 39 37 42 34 35 40 37 37
ωM tr/mn 7440 14064 8402 10973 10319 10800 11182 9222 11610 11233 10946
CM mN.m 0,15 0,34 0,72 0,74 0,75 0,67 0,73 0,80 0,60 0,68 0,76
IM mA 218 155 173 181 184 150 210 185 152 179 197

Commentaires de ce tableau :
On est maintenant en mesure de dresser un portrait typique du moteur 5 pôles, en calculant la moyenne de ces caractéristiques :

Caractéristiques moyennes du moteur 5 pôles Jouef

Elles sont résumées dans le tableau ci-dessous et exprimées dans des unités usuelles :

Moteur 5 pôles avec aimant d'origine Commentaire
KC mN.m/A 6,2 Constante de couple
RS Ω 27 Résistance série
Uo V 1,1 Tension de "seuil", nécessaire pour vaincre les frottements internes (très variable sur les vieux moteurs)
ωo tr/mn 14700 Vitesse à vide sous 12V
Io mA 72 Consommation à vide sous 12V
RV tr/(mn.mN.m) 5811 Constante de régulation de vitesse (tours/mn perdus à chaque mN.m de couple soumis à l'arbre)
CB mN.m 2,5 Couple de blocage (rotor bloqué), sous 12V
PMAX W 1,0 Puissance mécanique maximale sur l'arbre, sous 12V
ρMAX % 37 Régime de fonctionnement donnant le meilleur rendement sous 12V. De haut en bas :
Rendement maximal
, vitesse, couple, consommation.
ωM tr/mn 10530
CM mN.m 0,72
IM mA 178

Courbes caractéristiques correspondantes :

Graphe Jouef 5 pôles moyen

Changement d'aimant

Pertes d'aimantation

Les aimants d'origine des moteurs Jouef (probablement des AlNiCo à mon avis) sont relativement fragiles et peuvent perdre une partie de leur aimantation dans certaines circonstances :
Cette démagnétisation fait perdre au moteur sa "puissance motrice".
Pour ma part, c'est le moteur 3 pôles de ma CC40101 qui avait subi cet incident (un contact accidentel avec un aimant puissant), à la suite duquel cette locomotive avait bien du mal à avancer à plat, et refusait toute rampe même sans aucune voiture remorquée.

Quelle constante fondamentale du moteur est touchée par cette démagnétisation ? C'est la constante de couple KC (voir la page Théorie moteur), proportionnelle au flux magnétique dans l'induit.
Ainsi, si l'aimantation est divisée par 2 :

Aimants de remplacement

On trouve pour quelques € sur un célèbre site d'enchères (et peut-être ailleurs) des aimants de remplacements pour les moteurs Jouef (3 ou 5 pôles).
Leurs dimensions correspondent exactement (11.9mm entre pôles, 10mm de large) et l'installation sur le moteur est très simple.

Aimant d'origine A gauche :
l'aimant d'origine


A droite :
 l'aimant de rechange au NdFeB, et moteur équipé
Aimant NdFeB Moteur équipé

Ces aimants de conception plus moderne (composition Néodyme-Fer-Bore) se caractérisent par un champ rémanent (BR) très élevé ("force" de l'aimant) et une excitation coercitive (HC) non moins élevée (il se "désaimante" difficilement), le tout sous un faible volume. L'aspect brillant est dû à un revêtement de nickel destiné à les protéger de l'oxydation, à laquelle ils sont très sensibles.

En pratique, ils ne craignent pas d'être mis en circuit magnétique ouvert, et ne souffrent pas du contact avec leurs congénères.

Quelques moteurs du lot étudié ont été équipés de tels aimants, puis remesurés : il s'agit des moteurs 1 (3 pôles démagnétisé), 5, 7, 10, 11 (5 pôles). Les 4 moteurs 5 pôles choisis étaient ceux présentant la plus faible constante de couple du lot.

Type 3 P 5 pôles Nouvelles mesures après changement de l'aimant (NdFeB) sur 5 des moteurs.
1a 5a 7a 10a 11a
KC mN.m/A 4,63 7,34 6,40 6,77 6,85
RS Ω 32,6 28,6 24,1 28,7 23,7
Uo V 1,50 1,32 1,61 1,44 0,81
ωo tr/mn 10899 12202 15641 11387 14325
Io mA 77 56 75 69 61
RV tr/(mn.mN.m) 7316 4445 5678 4564 4435
CB mN.m 1,49 2,74 2,75 2,50 3,23
PMAX W 0,43 0,88 1,13 0,74 1,21
ρMAX % 18 37 39 30 44
ωM tr/mn 7473 8933 11263 8097 10640
CM mN.m 0,47 0,74 0,77 0,72 0,83
IM mA 169 154 193 170 175

On est maintenant en mesure de chiffrer l'intérêt de l'installation de ces aimants, d'une part sur des moteurs sains, d'autre part sur les moteurs démagnétisés :

Le tableau de gauche ci-dessous présente l'impact du changement d'aimant sur les moteurs 5 pôles sains : Moyenne des caractéristiques avant le changement, après le changement, et écart en %. Les cases en jaunes vif sont celles qui nous intéressent le plus : Gain moyen de 17% sur la constante de couple, et de 21% sur la constante de régulation de vitesse (une diminution de cette constante est une amélioration).

On constate une amélioration des performances, qui sans transfigurer le moteur, n'en est pas moins significative et digne d'intérêt.

Personnellement, en constatant la "puissance" de ces nouveaux aimants lors de leur manipulation, je m'attendais à une amélioration encore plus marquée des moteurs.
Je soupçonne (sans pouvoir le prouver) que l'on atteint la saturation magnétique des armatures du stator, ce qui empêcherait la totalité du flux dont sont capables ces aimants d'être canalisée vers l'induit.


Impact du changement d'aimant (moteur 5 pôles sain)
Impact du changement d'aimant (3 pôles démagnétisé)


Avant Après Ecart (%)


Avant Après Référence
KC mN.m/A 5,8 6,8 17
KC mN.m/A 1,3 4,6 3,7
RS Ω 25 26 3
RS Ω 33 33 39
Uo V 1,0 1,3 28
Uo V 2,0 1,5 1,2
ωo tr/mn 15374 13389 -13
ωo tr/mn 11854 10899 21053
Io mA 78 65 -17
Io mA 129 77 77
Rv tr/(mn.mN.m) 6072 4771 -21
Rv tr/(mn.mN.m) 28845 7316 20394
Cb mN.m 2,5 2,8 11
Cb mN.m 0,4 1,5 1,0
Pmax W 1,0 1,0 -2
Pmax W 0,1 0,4 0,6
ρmax % 36 38 4
ρmax % 5 18 27
ωm tr/mn 10951 9741 -11
ωm tr/mn 7440 7473 14064
Cm mN.m 0,73 0,76 5
Cm mN.m 0,15 0,47 0,34
Im mA 192 172 -10
Im mA 218 169 155

Le tableau de droite présente l'efficacité de l'aimant sur un moteur démagnétisé :
La première colonne rappelle les caractéristiques du moteur 1 démagnétisé avant changement de l'aimant.
La seconde, le même moteur remesuré après installation du nouvel aimant.
La troisième, les caractéristiques du moteur 2 qui sert de référence (moteur 3 pôle supposé sain, dans son état d'origine)

On constate une amélioration considérable des caractéristiques : Le moteur gagne un facteur 3.5 le couple, et 4 sur la constante de régulation de vitesse.
Une fois équipé de son nouvel aimant, le moteur dépasse même assez largement les performances du moteur de référence.
On en restera sur ce constat uniquement qualitatif, car je rappelle que l'expérience n'a porté dans ce cas que sur un exemplaire.


Conclusion

L'aimant NdFeB prévu pour les moteur Jouef tient ses promesses, sa réputation n'est pas usurpée :
Par ailleurs, les mesures confirment que l'antique moteur Jouef 3 pôles, même amélioré par un nouvel aimant, ne peut pas rivaliser avec son successeur à 5 pôles qui présente des caractéristiques nettement supérieures.

Et après ?


Rendez-vous bientôt sur la page Autres motorisations, qui comparera ce bon vieux 5 pôles (remagnétisé ou non), à quelques références de moteurs disponibles neufs dans le commerce et d'encombrement comparable.




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