Moteurs électriques et générateurs

Moteurs à courant continu

• * Un certain nombre de nmémoniques différentes sont utilisées pour se souvenir de la direction de la force.Certains utilisent la main droite, d'autres la gauche.Pour les étudiants connaissantmultiplication vectorielle, il est facile d'utiliser directement la force de Lorentz :F= qvXB, d'oùF= jedLXB.C'est l'origine du schéma présenté ici.

• Partout, nous utilisons le bleu pour le pôle Nord et le rouge pour le Sud.C'est juste une convention pour clarifier l'orientation : il n'y a pas de différence dans le matériau à chaque extrémité de l'aimant, et ils ne sont généralement pas peints d'une couleur différente.

Notez l'effet de lapinceauxsur leanneau fendu.Lorsque le plan de la bobine rotative atteint l'horizontale, les balais rompent le contact (on ne perd pas grand-chose, car c'est de toute façon le point de couple nul - les forces agissent vers l'intérieur).Le moment cinétique de la bobine l'entraîne au-delà de ce point de rupture et le courant circule alors dans le sens opposé, ce qui inverse le dipôle magnétique.Ainsi, après avoir passé le point de rupture, le rotor continue de tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et commence à s'aligner dans le sens opposé.Dans le texte qui suit, j'utiliserai largement l'image du "couple sur un aimant", mais sachez que l'utilisation de balais ou de courant alternatif peut provoquer le changement de position des pôles de l'électroaimant en question lorsque le courant change de sens.

Le couple généré sur un cycle varie avec la séparation verticale des deux forces.Elle dépend donc du sinus de l'angle entre l'axe de la bobine et le champ.Cependant, à cause de l'anneau fendu, c'est toujours dans le même sens.L'animation ci-dessous montre sa variation dans le temps, et vous pouvez l'arrêter à tout moment et vérifier la direction en appliquant la règle de la main droite.
 

Moteurs et générateurs

Si vous utilisez de l'énergie mécanique pour faire tourner la bobine (N tours, zone A) à une vitesse angulaire uniforme ω dans le champ magnétiqueB, il produira une fem sinusoïdale dans la bobine.emf (une emf ou une force électromotrice est presque la même chose qu'une tension).Soit θ l'angle entreBet la normale à la bobine, donc le flux magnétique φ est NAB.cos θ.La loi de Faraday donne :

• fem = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

Un alternateur

Dans l'animation suivante, les deux brosses entrent en contact avec deux anneaux continus, de sorte que les deux bornes externes sont toujours connectées aux mêmes extrémités de la bobine.Le résultat est la force électromotrice sinusoïdale non rectifiée donnée par NBAω sin ωt, qui est illustrée dans l'animation suivante.

Emf arrière

Voici donc un corollaire intéressant.Chaque moteur est un générateur.Cela est vrai, en un sens, même lorsqu'il fonctionne comme un moteur.La force électromotrice générée par un moteur s'appelle laretour emf.La force contre-électromotrice augmente avec la vitesse, à cause de la loi de Faraday.Ainsi, si le moteur n'a pas de charge, il tourne très rapidement et accélère jusqu'à ce que la force contre-électromotrice, plus la chute de tension due aux pertes, soit égale à la tension d'alimentation.La force contre-électromotrice peut être considérée comme un « régulateur » : elle empêche le moteur de tourner infiniment rapidement (évitant ainsi aux physiciens un certain embarras).Lorsque le moteur est chargé, alors la phase de la tension se rapproche de celle du courant (il commence à avoir l'air résistif) et cette résistance apparente donne une tension.Ainsi, la force contre-électromotrice requise est plus petite et le moteur tourne plus lentement.(Pour ajouter la force contre-électromotrice, qui est inductive, au composant résistif, vous devez ajouter des tensions déphasées. VoirCircuits CA.)

Les bobines ont généralement des noyaux

En pratique (et contrairement aux schémas que nous avons dessinés), les générateurs et les moteurs à courant continu ont souvent un noyau à haute perméabilité à l'intérieur de la bobine, de sorte que des champs magnétiques importants sont produits par des courants modestes.Ceci est illustré à gauche dans la figure ci-dessous dans laquelle lestators(les aimants qui sont stat-ionary) sont des aimants permanents.

Moteurs "universels"

Les aimants du stator pourraient également être fabriqués comme des électroaimants, comme indiqué ci-dessus à droite.Les deux stators sont bobinés dans le même sens de façon à donner un champ dans le même sens et le rotor a un champ qui s'inverse deux fois par cycle car il est relié à des balais, ici omis.L'un des avantages d'avoir des stators bobinés dans un moteur est que l'on peut fabriquer un moteur qui fonctionne en courant alternatif ou en courant continu, ce qu'on appellemoteur universel.Lorsque vous pilotez un tel moteur avec du courant alternatif, le courant dans la bobine change deux fois à chaque cycle (en plus des changements des balais), mais la polarité des stators change en même temps, donc ces changements s'annulent.(Malheureusement, cependant, il y a encore des brosses, même si je les ai cachées dans ce croquis.) Pour les avantages et les inconvénients de l'aimant permanent par rapport aux stators bobinés, voirdessous.Regarde aussiplus sur les moteurs universels.

Construire un moteur simple

Fabriquez la bobine en fil de cuivre rigide, de sorte qu'elle n'ait besoin d'aucun support externe.Enroulez 5 à 20 tours dans un cercle d'environ 20 mm de diamètre, et faites pointer les deux extrémités radialement vers l'extérieur dans des directions opposées.Ces extrémités seront à la fois l'axe et les contacts.Si le fil a de la laque ou une isolation en plastique, dénudez-le aux extrémités.

Moteurs à courant alternatif

La première chose à faire dans un moteur à courant alternatif est de créer un champ tournant.Le courant alternatif "ordinaire" d'une prise à 2 ou 3 broches est un courant alternatif monophasé - il a une seule différence de potentiel sinusoïdale générée entre seulement deux fils - l'actif et le neutre.(Notez que le fil de terre ne transporte pas de courant sauf en cas de défaut électrique.) Avec le courant alternatif monophasé, on peut produire un champ tournant en générant deux courants déphasés à l'aide par exemple d'un condensateur.Dans l'exemple illustré, les deux courants sont déphasés de 90 °, de sorte que la composante verticale du champ magnétique est sinusoïdale, tandis que l'horizontale est cosusoïdale, comme indiqué.Cela donne un champ tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.

(* On m'a demandé d'expliquer ceci : du simpleThéorie AC, ni les bobines ni les condensateurs n'ont la tension en phase avec le courant.Dans un condensateur, la tension est maximale lorsque la charge a fini de s'écouler sur le condensateur et est sur le point de commencer à s'écouler.Ainsi la tension est derrière le courant.Dans une bobine purement inductive, la chute de tension est la plus importante lorsque le courant change le plus rapidement, c'est-à-dire lorsque le courant est nul.La tension (chute) est en avance sur le courant.Dans les bobines de moteur, l'angle de phase est plutôt inférieur à 90¡, car l'énergie électrique est convertie en énergie mécanique.)

Dans cette animation, les graphiques montrent la variation dans le temps des courants dans les bobines verticales et horizontales.Le tracé des composantes du champ B_Xet B_ymontre que la somme vectorielle de ces deux champs est un champ tournant.L'image principale montre le champ tournant.Il indique également la polarité des aimants : comme ci-dessus, le bleu représente un pôle Nord et le rouge un pôle Sud.

Si nous mettons un aimant permanent dans cette zone de champ tournant, ou si nous mettons une bobine dont le courant va toujours dans le même sens, alors cela devient unMoteur synchrone.Dans une large gamme de conditions, le moteur tournera à la vitesse du champ magnétique.Si nous avons beaucoup de stators, au lieu de seulement les deux paires montrées ici, alors nous pourrions le considérer comme un moteur pas à pas : chaque impulsion déplace le rotor sur la prochaine paire de pôles actionnés.N'oubliez pas mon avertissement concernant la géométrie idéalisée : les vrais moteurs pas à pas ont des dizaines de pôles et des géométries assez compliquées !

Moteurs à induction

L'animation de droite représente unmoteur à cage d'écureuil.La cage d'écureuil comporte (dans cette géométrie simplifiée, en tout cas !) deux conducteurs circulaires reliés par plusieurs barres droites.Deux barres et les arcs qui les relient forment une bobine, comme indiqué par les tirets bleus dans l'animation.(Seuls deux des nombreux circuits possibles ont été représentés, par souci de simplicité.)

Ce schéma suggère pourquoi ils pourraient être appelés moteurs à cage d'écureuil.La réalité est différente : pour des photos et plus de détails, voirMoteurs à induction.Le problème avec les moteurs à induction et à cage d'écureuil présentés dans cette animation est que les condensateurs de grande valeur et à haute tension nominale sont chers.Une solution est le moteur à «pôle ombré», mais son champ tournant a certaines directions où le couple est faible et il a tendance à reculer dans certaines conditions.La meilleure façon d'éviter cela est d'utiliser des moteurs multiphasés.

Moteurs triphasés à induction à courant alternatif

Si l'on met un aimant permanent dans un tel ensemble de stators, il devient unmoteur triphasé synchrone.L'animation montre une cage d'écureuil, dans laquelle, pour simplifier, une seule des nombreuses boucles de courant induit est représentée.Sans charge mécanique, il tourne pratiquement en phase avec le champ tournant.Le rotor n'a pas besoin d'être une cage d'écureuil : en fait, tout conducteur qui transportera des courants de Foucault tournera, tendant à suivre le champ tournant.Cette disposition peut donner unemoteur à inductioncapable d'un rendement élevé, d'une puissance élevée et de couples élevés sur une plage de taux de rotation.

Moteurs linéaires