Les moteurs Jouef 3 et 5 pôles

Dernière mise à jour :
11/02/2009
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Les moteurs étudiés
Caractéristiques moyennes du moteur 5 pôles Jouef
Changement d'aimant
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).

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

*K_C*	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
*R_S*	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
*R_V*	tr/(mn.mN.m)	28845	20394	5678	5770	4985	5375	6808	4750	6593	7085	5711
*C_B*	mN.m	0,41	1,03	2,20	2,64	2,82	2,68	2,37	2,74	2,36	2,26	2,67
*P_MAX*	W	0,13	0,57	0,72	1,05	1,04	1,01	1,00	0,94	0,96	0,95	1,07
*ρ_MAX*	%	5	27	30	39	37	42	34	35	40	37	37
*ω_M*	tr/mn	7440	14064	8402	10973	10319	10800	11182	9222	11610	11233	10946
*C_M*	mN.m	0,15	0,34	0,72	0,74	0,75	0,67	0,73	0,80	0,60	0,68	0,76
*I_M*	mA	218	155	173	181	184	150	210	185	152	179	197

Commentaires de ce tableau :

Le moteur 1 démagnétisé présente une constante K_C particulièrement faible (rien de surprenant, cette constante est proportionnelle au flux magnétique dans l'induit). Le reste des caractéristiques en souffre également : très faible couple, consommation élevée, puissance restituée faible.
Le moteur 2 est le seul "3 pôles" en bon état apparent à ma disposition. Ne disposant donc que d'un seul jeu de mesures, je ne peux pas affirmer qu'il est représentatif de l'ensembles des moteurs de sa famille. Il apparaît en tout cas nettement moins performant que les "5 pôles".
Les 9 autres moteurs (tous des 5 pôles) présentent une dispersion des caractéristiques relativement faible compte tenu de leurs origines diverses (fabrications échelonnées sur plusieurs années, vécu différent). Seul le n° 3 s'écarte un peu plus du lot.

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
*K_C*	mN.m/A	6,2	Constante de couple
*R_S*	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
*R_V*	tr/(mn.mN.m)	5811	Constante de régulation de vitesse (tours/mn perdus à chaque mN.m de couple soumis à l'arbre)
*C_B*	mN.m	2,5	Couple de blocage (rotor bloqué), sous 12V
*P_MAX*	W	1,0	Puissance mécanique maximale sur l'arbre, sous 12V
*ρ_MAX*	%	37	Régime de fonctionnement donnant le meilleur rendement sous 12V. De haut en bas : Rendement maximal, vitesse, couple, consommation.
*ω_M*	tr/mn	10530
*C_M*	mN.m	0,72
*I_M*	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 :

D'après plusieurs modélistes qui en ont fait l'expérience, ils ne doivent en aucun cas être déposés du moteur : Mis en circuit magnétique "ouvert", les lignes de champ se referment partiellement dans l'aimant lui-même, ce qui le démagnétise partiellement de manière irréversible (sauf par réaimantation sur un banc dédié). Tant qu'il reste installé sur le moteur en revanche, les ligne de champ se referment dans le rotor par l'intermédiaire des masses polaires.
Par ailleurs (et là c'est moi qui en ai fait l'expérience accidentellement), le contact avec un autre aimant peut produire le même effet.

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 K_C (voir la page Théorie moteur), proportionnelle au flux magnétique dans l'induit.
Ainsi, si l'aimantation est divisée par 2 :

La constante de régulation de vitesse R_V est multipliée par environ 4 (catastrophe, la vitesse du moteur s'écroule à la moindre charge !)
Le couple maximal du moteur est divisé par 2
La tension de seuil U₀ est multipliée par 2.
La vitesse à vide ω₀ tend d'abord à augmenter. Puis en diminuant encore l'aimantation, la vitesse passe par un maximum puis diminue enfin.
Globalement, le courant consommé I tend à augmenter à tous les régimes.

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.

A gauche :
l'aimant d'origine

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

Ces aimants de conception plus moderne (composition Néodyme-Fer-Bore) se caractérisent par un champ rémanent (B_R) très élevé ("force" de l'aimant) et une excitation coercitive (H_C) 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.
n°		1a	5a	7a	10a	11a
*K_C*	mN.m/A	4,63	7,34	6,40	6,77	6,85
*R_S*	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
*R_V*	tr/(mn.mN.m)	7316	4445	5678	4564	4435
*C_B*	mN.m	1,49	2,74	2,75	2,50	3,23
*P_MAX*	W	0,43	0,88	1,13	0,74	1,21
*ρ_MAX*	%	18	37	39	30	44
*ω_M*	tr/mn	7473	8933	11263	8097	10640
*C_M*	mN.m	0,47	0,74	0,77	0,72	0,83
*I_M*	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 :

Sur un moteur démagnétisé (mais sain par ailleurs), il permet non seulement de rétablir, mais aussi de dépasser les performances initiales.
Sur un moteur en bon état de marche, il ne faut pas espérer des miracles, mais le traitement s'avère également bénéfique, avec une amélioration des performances de l'ordre de 20% (assez variable d'un moteur à l'autre).

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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