Moteur électrique

Règle de la main gauche de Fleming

La règle de la main gauche de Fleming est un outil simple qui peut être utilisé pour calculer facilement la direction de la force agissant sur un fil conducteur de courant dans un champ magnétique. Avec ta main gauche, tiens ton pouce, ton index et ton majeur à angle droit l'un par rapport à l'autre, comme indiqué ci-dessus. Ensuite, pointe ton index dans la direction du champ magnétique (du nord au sud) et ton majeur dans la direction du courant (+ à -). Ton pouce pointe alors dans la direction de la force résultante sur le fil !

Types de moteurs électriques

Il existe d'innombrables variantes de la conception d'un moteur électrique pour diverses applications, mais on peut les classer en deux grandes catégories : Les moteurs à courant alternatif (CA) et les moteurs à courant continu (CC).

Moteurs à courant continu

La forme la plus simple de moteur à courant continu se compose d'un champ magnétique stationnaire et d'une bobine conductrice reliée à un collecteur à anneau fendu, lui-même relié à une alimentation en courant continu par l'intermédiaire de balais. Le schéma ci-dessous montre ce type de moteur en position de démarrage.

Schéma montrant les composants d'un moteur à courant continu très simple, et la façon dont ils créent une force de rotation autour de l'axe du moteur. Ross MacDonald, StudySmarter Originals.

Voyons maintenant comment fonctionne un moteur à courant continu, étape par étape :

1. Lorsqu'une tension est appliquée aux balais, le collecteur à anneau fendu transmet cette tension à la bobine, ce qui crée un courant sur la bobine. La bobine porteuse du courant se trouve dans un champ magnétique, de sorte que l'effet du moteur produit une force opposée de chaque côté de la bobine car le courant se déplace dans des directions opposées. Cela crée une force de rotation sur la bobine et, dans cet exemple, le moteur commence à tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

2. Après avoir tourné de 90 degrés par rapport à la position de départ, le collecteur à anneau fendu inverse le sens du courant. Le côté de la bobine situé en haut de la rotation subit alors une force vers le bas, et le côté de la bobine situé en bas du moteur subit une force vers le haut. Combinée à l'élan de la rotation initiale, cette force continue d'accélérer la bobine dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

3. Après une nouvelle rotation de 180°, le collecteur à anneau fendu inverse à nouveau le sens du courant et modifie le sens des forces exercées sur la bobine. Cela accélère la bobine dans le demi-tour suivant, et cette séquence se poursuit pendant que le moteur tourne.

Pour augmenter la puissance d'un moteur à courant continu, il existe trois approches principales :

• Augmenter la force du champ magnétique. Cela augmente le terme de l'équation de l'effet moteur, créant ainsi une force plus importante sur la bobine.$\mathit{B}$dans l'équation de l'effet moteur, ce qui crée une force plus importante sur la bobine.

• Ajouter plus de tours (boucles) à la bobine. Cela augmente la longueur totale de la bobine, ce qui augmente le terme de l'équation de l'effet moteur et crée une force plus forte sur la bobine.$\mathit{L}$terme de l'équation de l'effet moteur et produit une force plus importante.

• Utiliser un courant plus élevé dans la bobine. Cela augmente le terme de l'équation de l'effet du moteur et produit une force plus puissante.$\mathit{I}$terme de l'équation de l'effet moteur, ce qui crée une force plus importante.

Les performances peuvent également être améliorées en ajoutant un noyau de fer au rotor de l'électroaimant, comme le montre le moteur à courant continu plus typique ci-dessous.

Diagramme d'un moteur à courant continu typique, montrant la bobine du rotor avec de nombreuses boucles et un noyau de fer pour améliorer les performances. Wikipédia.

Un type de moteur à courant continu plus avancé est le moteur sans balais. Comme son nom l'indique, la principale différence de ce type de moteur est qu'il n'a pas de collecteur à anneau fendu ni de balais. Au lieu de cela, la polarité de la tension d'alimentation en courant continu est modifiée numériquement à l'aide d'un contrôleur à semi-conducteur. Cela présente l'avantage d'améliorer la fiabilité, puisque les balais s'usent souvent dans les moteurs à balais et doivent être remplacés, et d'offrir de meilleures performances générales.

Moteurs à courant alternatif

Les moteurs à courant alternatif fonctionnent selon un principe similaire à celui des moteurs à courant continu, mais avec plusieurs différences essentielles. En général, les enroulements de la bobine forment le stator (partie fixe) du moteur, tandis que le rotor est un aimant permanent ou un électro-aimant.

Dans une alimentation en courant alternatif, la tension varie de façon sinusoïdale du positif au négatif, comme indiqué ci-dessous. Lorsqu'une tension alternative est appliquée aux enroulements de la bobine du stator de l'électroaimant, la tension variable produit un champ magnétique variable. Dans un moteur à courant alternatif, ce champ magnétique variable est utilisé pour produire une force de rotation sur le rotor et faire tourner le moteur. Le collecteur à anneau divisé n'est plus nécessaire, puisque le sens du courant est inversé par l'alimentation en courant alternatif.

(En haut) - Variation sinusoïdale de la tension dans une alimentation en courant alternatif. (En bas) - Intensité et direction correspondantes du champ magnétique produit par un électro-aimant lorsqu'une tension alternative est appliquée. Ross MacDonald, StudySmarter Originals

Fonctions des moteurs électriques

Les moteurs électriques se trouvent dans d'innombrables appareils avec lesquels nous interagissons tous les jours. Les appareils ménagers utilisent généralement un moteur à courant continu s'ils sont alimentés par une batterie, et un moteur à courant alternatif s'ils sont alimentés par le secteur. Cela permet d'éviter d'avoir à convertir l'alimentation en courant alternatif en courant continu ou vice-versa, ce qui diminuerait l'efficacité et augmenterait les coûts en raison des composants supplémentaires nécessaires. Ci-dessous, tu peux voir les applications des moteurs à courant continu et à courant alternatif dans la vie de tous les jours.

Moteurs domestiques à courant continu :

• Brosse à dents électrique
• Ventilateur d'ordinateur portable
• Voiture télécommandée
• Perceuse à piles
• Moteur à vibration dans une manette de jeu
• Moteur de démarrage de voiture

Moteurs domestiques à courant alternatif :

• Ventilateur extracteur
• Mixeur électrique de cuisine
• Aspirateur
• Lave-linge
• Micro-ondes

Calcul de la puissance d'un moteur électrique

Pour calculer la puissance d'un moteur électrique, tu dois tenir compte de deux variables : la puissance de sortie et la puissance d'entrée.

La puissance de sortie d'un moteur électrique

Comme la puissance est égale à l'énergie par seconde, nous pouvons calculer la puissance mécanique de sortie d'un moteur en mesurant le temps nécessaire pour effectuer une quantité de travail connue. Pour ce faire, une expérience simple pourrait utiliser un moteur pour soulever une masse en l'enroulant sur une ficelle.

Nous savons que le travail effectué est égal à une force multipliée par la distance sur laquelle elle est appliquée :

$\mathrm{work}\mathrm{done}\left[\mathrm{J}\right]=\mathrm{force}\left[\mathrm{N}\right]\times \mathrm{distance}\left[\mathrm{m}\right]$

La puissance mécanique du moteur (qui est la puissance de sortie d'un moteur) est trouvée en divisant la quantité de travail utile effectuée par le nombre de secondes qu'il a fallu pour effectuer le travail.

$P_{Mech}\left[\mathrm{W}\right]=P_{Out}\left[W\right]=\frac{\mathrm{work}\mathrm{done}\left[\mathrm{J}\right]}{\mathrm{time}\mathrm{taken}\left[\mathrm{s}\right]}$

Puissance d'entrée d'un moteur électrique

La puissance d'entrée d'un moteur électrique peut être trouvée en utilisant l'équation générale de la puissance électrique. Remarque que cela est possible parce que la puissance d'entrée d'un moteur électrique est une puissance électrique.

$P_{Elec}=P_{In}=\mathrm{Voltage}\left[\mathrm{V}\right]\times \mathrm{Current}\left[\mathrm{A}\right]$

Rendement des moteurs électriques

Le rendement d'un appareil est une façon de mesurer la part de l'énergie que tu y mets qui est convertie en énergie de sortie utile. La formule générale du rendement d'un appareil est la suivante :

$\mathrm{Efficiency}=\frac{\mathrm{useful}\mathrm{output}\mathrm{power}}{\mathrm{input}\mathrm{power}}$

Pour un moteur électrique, la puissance d'entrée est électrique et la puissance de sortie est mécanique. La principale source d'énergie perdue dans un moteur électrique est la chaleur - elle est produite à la fois par la résistance électrique des bobines de fil et par la friction entre les composants mobiles et statiques.

Le rendement du moteur peut être calculé en divisant la puissance mécanique utile produite par la puissance électrique totale absorbée. Ce résultat est converti en pourcentage de rendement en le multipliant par 100.

${\mathrm{Efficiency}}_{motor}=\frac{P_{mechout}}{P_{elecin}}\times 100\%$