Les moteurs électriques

Présentation

Les moteurs électriques sont des moteurs dont le fonctionnement repose sur l'électromagnétisme. Ils permettent de transformer une énergie électrique transmise par un générateur en une énergie mécanique. Ayant la particularité d'être réversibles, il est également possible de transformer de l'énergie mécanique en électricité, c'est par exemple ce que l'on utilise afin de créer de l'électricité avec des éoliennes.

A quoi servent les moteurs électriques ? Les moteurs électriques équipent la plupart des appareils domestiques qui mettent en cause une rotation. Que ce soit le ventilateur, la perceuse ou le mixeur, ils ont tous équipés d'un moteur moteur qui fonctionne à l'électricité.

A l'heure de l'écologie, ces moteurs sont vus comme ayant un réel potentiel, du fait de leur pollution nulle. Cependant, on peut se demander si les mécanismes de production de l'électricité (centrales nucléaires, centrales à charbon, etc.) ne sont pas plus polluants que les énergies fossiles. C'est notamment la question que si pose dans le domaine de l'automobile depuis quelques années.

Utilisation des moteurs électriques

Les moteurs électriques ont d'abord été réservés aux appareils domestiques et aux machines industrielles. Sa facilité de fonctionnement, notamment dans des espaces confinés (pas de production de gaz, pas de combustion) en ont fait une machine privilégiée.

Dans les dernières années, on a vu de nouvelles attributions données au moteur électrique. Par exemple, avec l'arrivée du TGV, l'électricité a permis de faire circuler des centaines de personnes. On a aussi vu arriver des bus à électricité mais aussi des voitures électriques dans les derniers mois.

Même si l'électrique semble pouvoir révolutionner le monde des transports, il reste encore quelques problèmes à soulever. Tout d'abord, l'autonomie. En effet, les voitures électriques de base n'offrent une autonomie que de quelques centaines de kilomètres, ce qui est bien en dessous des autonomies d'environ 1000 km offerts par des voitures thermiques. Ensuite, le retraitement des batteries, est de nos jours encore un sujet sensible. Le lithium, premier composant de ces dernières est très écotoxique et nous ne savons pas le retraiter et le recycler efficacement.

On dit d’un objet qu’il est écotoxique lorsqu’il est toxique pour l’environnement, c’est-à-dire polluant

Comment fonctionne un TGV ? La liaison entre la France et le Royaume-Uni peut se faire par le tunnel sous la manche en empruntant un train : l'Eurostar. Ce dernier fonctionne comme un TGV et utilise de l'électricité pour fonctionner.

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La machine synchrone

Invention de la machine

La machine synchrone doit son invention à Nikola Tesla qui en dépose le brevet en mai 1888. Il dira que l'idée de cette machine lui est venue lors de ses études à l'école polytechnique de Graz.

Nikola Tesla

Nikola Tesla est un inventeur et ingénieur d'origine serbe ayant vécu en Amérique entre 1856 et 1943.

Il a tout au long de sa vie travaillé sur l’électricité et a déposé plusieurs brevets, notamment sur l'électricité et plus particulièrement sur le courant alternatif. En lui en compte plus de 300.

De nos jours, c'est encore ses découvertes qui permettent le fonctionnement de la distribution publique du courant.
On luit doit aussi les premiers robots télécommandés (des bateaux et des avions contrôlables sans fil).

En reconnaissance de ses travaux, son nom est attribué à l'unité de mesure d'induction magnétique : le tesla.

On peut consulter les documents rédigés par Tesla, comme ses nombreux brevets, dans le musée Nikola-Tesla à Belgrade, en Serbie. Sa sépulture y est également entreposée.

Description de la machine

Une machine synchrone est une machine électrique qui permet deux modes d'utilisation. La première est une utilisation en mode générateur et la seconde en mode moteur.
Pour le mode générateur, la fréquence de l'électricité produite dépendra étroitement de la vitesse de rotation du rotor.
En ce qui concerne le mode moteur, il rends une rotation en fonction de la fréquence du courant électrique qu'il absorbe.

Côté composition, on retrouve dans les moteurs synchrones plusieurs éléments : un rotor et stator. Comme dans tous les moteurs, le rotor est la partie tournante et le stator la partie fixe.

Des aimants permanent agissent comme des bobines afin de créer le champ électromagnétique nécessaire à la rotation du moteur.

Qu'est-ce qu'un rotor ? On retrouve ce principe de rotor et stator dans la plupart des moteurs électriques. C'est le cas par exemple pour le moteur de cette pompe à eau.

Avec le champ créé, le stator récupère de l'énergie qui se crée en courant alternatif dans ses bobines. La vitesse de rotation du moteur définit dont le vitesse de synchronisme.

Les champs mis en cause

En physique, on appelle champ électrique tout champ vectoriel créé par des particules électriquement chargées. Plus exactement, lorsque nous sommes en présence d'une particule chargée, les propriétés locale de l'espace défini sont alors modifié ce qui permet de définir la notion de champ. En effet, si une autre charge se trouve être dans le dit champ, elle subira ce qu'on appelle l'action de la force électrique qui est exercée par la particule malgré la distance. On dit alors du champ électrique qu'il est le médiateur de la dite action à distance. Si on se veut plus précis, on peut définir dans un référentiel galiléen défini, une charge q définie de vecteur vitesse v qui subit de la part des autres charges présentes, qu'elles soient fixes ou mobiles, une force qu'on définira de force de Lorentz.

Il est possible de définir un champ électrostatique à partir d'un champ électrique et d'un champ magnétique. Nous vous expliquerons pourquoi dans les paragraphes suivant.

On parle de champ électrostatique lors que les charges qui constitue le champ sont au repos dans le référentiel d'étude. Ce champ est donc déduit de l'expression de la loi de Coulomb, aussi appelée interaction électrostatique.

La loi de Coulomb

Les lois de Coulomb sont deux lois physiques qui s'appliquent à deux domaines différents. L'une est applicable à l'électrostatique et l'autre est adaptable à la mécanique.

La loi de Coulomb est une loi énoncée par le physicien d'origine française Charles-Augustin Coulomb en 1785. Elle est l'expression de la force qui s'exerce entre deux particules chargées électriquement. Voici son énoncé :

L'intensité de la force électrostatique entre deux charges électriques est proportionnelle au produit des deux charges et est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les deux charges. La force est portée par la droite passant par les deux charges

Cette loi a été énoncée sur la base de mesures que Coulomb avait réalisé grâce à sa balance de Coulomb. Cette balance permet de mesurer l'axe de torsion entre deux particules chargées. En fonction de l'angle à l’équilibre, on peut donc en déduire la force exercée sur chacune des deux particules. Voici l'expression de la force de Coulomb exercée par une charge électrique :

    \[\overrightarrow { F } _ {\ frac { 1 } { 2 } } = \frac { q _ { 1 } q _ { 2 } }{ 4 \pi \epsilon _ { 0 } } \cdot \frac { \overrightarrow { r } _ { 2 } - \overrightarrow { r } _ { 1 } } { | | \overrightarrow { r } _ { 2 } - \overrightarrow { r } _ { 1 } | | ^ { 3 } }\]

Avec :

  • F force exercée par une charge électrique ;
  • q1 charge électrique placée au point r1 ;
  • q2 charge électrique placée au point r2.

A connaître : la constante universelle diélectrique, également connue sous le nom de permittivité du vide : ε0 = 8,854 x 10-12. Il ne faut pas oublier non plus que la loi de Coulomb est applicable uniquement dans le cadre des charges fixes et pas en mouvement.

En mécanique cette fois, la loi de Coulomb est une loi qui exprime les intensités des forces exercées entre deux solides. Cette loi introduit donc les deux notions de frottements suivantes : l'adhérence et le glissement. Derrière adhérence se cache une idée de frottement statique et derrière la notion de glissement se cache une idée de frottement dynamique. Le glissement ne se produit qu'après dépassement de la composante tangentielle T0. On calcule la force limite T0 à l'aide de la loi de Coulomb :

    \[ T _ { 0 } = f _ { 0 } \times N ]\ Avec : <ul>   <li>f<sub>0</sub> coefficient d'adhérence ou de frottement statique dont la valeur dépend des matériaux et des surfaces en frottement.</li> </ul> Le champ électromagnétique est la représentation dans l'espace d'une force <strong>électromagnétique</strong> exercée par des particules chargées. Ce champ représente alors l'ensemble des composantes de la force électromagnétique qui s'appliquent à une particule chargée qui se déplace alors dans un <strong>référentiel galiléen.</strong> Celui-ci décrit ainsi la partie de la force exercée sur la charge qui dépend du déplacement de cette même charge dans le référentiel choisi. En effet la séparation de la partie magnétique et de la partie électrique de dépend que du point de vue pris selon le référentiel d'étude. De plus, il peut être intéressant de savoir que les <strong>équations de Maxwell</strong> régissent les deux composantes couplées, c'est à dire électrique et magnétique, de sorte que toute variation d'une composante induira la variation de l'autre composante. D'ailleurs, le comportement des champs électromagnétiques se trouve décrit de façon classique par les équations de Maxwell et de manière plus générale par l'électrodynamique quantique. La façon la plus utilisée afin de définir le champ électromagnétique est celle du tenseur électromagnétique de la relativité restreinte. Les circuits magnétiques sont des circuits qui sont fabriqués à partir de matières <strong>ferromagnétiques.</strong> Ces dernières font circuler en leur sein un champ magnétique. <blockquote><span style="font-weight: 400;">Un élément est dit <strong>ferromagnétique</strong> quand il possède des propriétés de ferromagnétisme.</span> <span style="font-weight: 400;">Le ferromagnétisme est le mécanisme par lequel des matériaux forment des aimants permanents ou sont attirés par d'autres aimants. Le cobalt, le nickel ou encore le fer sont des éléments ferromagnétiques</span></blockquote> Les champs magnétiques sont la plupart du temps créés par des <strong>bobines</strong> autour du <strong>circuit magnétique</strong> ou par des <strong>aimants</strong> directement dans le circuit. <h3>Mise en évidence du champ glissant statorique</h3> Différents flux de mouvements existent du fait de la rotation qui existe dans le moteur synchrone. Tout d'abord, il y a les <strong>mouvements</strong> subis par le <strong>stator.</strong> Ceux-ci peuvent s'écrire de cette façon : \[ \Phi _{A}=L_{S}i_{A}+M_{S}i_{B}+M_{S}i_{C}+M_{r}}\cos \theta \cdot I_{r},} \]

Qu'est-ce qu'un stator ? Voici à quoi peut ressembler le stator et ses bobines tels qu'on peut le trouver dans un petit moteur électrique.

Mise en évidence du champ glissant rotorique

Il existe deux champs magnétiques au sein du rotor.

Le premier, créé par les enroulements statoriques : le champ tournant. Le second est le champ propre qui trouve sa source dans la constance du courant continu.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.