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Moteurs électriques principe, caractéristiques ; stators et rotors, collecteurs, moteur théorique, exemple de collecteur et câblage ; types et usages, comparaison ; évolution, moteurs spécifiques de l'électronique, informatique, voiture électrique

Le moteur à courant continu. Les moteurs sont comparables aux alternateurs et dynamos. A l'inverse, on les alimente donc en courant électrique pour qu'ils tournent. Logique. Comme dit au début de cette page, si l'on déplace un aimant devant un fil conducteur, un courant électrique y est produit. A l'inverse, si l'on fait passer un courant dans un fil conducteur placé devant un aimant, c'est le conducteur qui bouge !  pourquoi ? le conducteur parcouru par un courant crée lui-même un champs magnétique qui, s'opposant au premier, repousse le conducteur.
C'est le principe du moteur: on y oppose des champs magnétiques, le premier groupe étant dans la partie fixe du moteur, l'autre groupe dans le rotor. L'un de ces groupes peut être composé d'aimants permanents, comme sur la photo de ce petit moteur, mais pour l'autre groupe, ici celui qui tourne (le rotor), les champs magnétiques sont obligatoirement créés en faisant passer un courant dans les fils (bobinages).

Moteur théorique. Entre les pôles d'un aimant tourne un cylindre ferreux (rotor) sur le pourtour duquel sont répartis des conducteurs, perpendiculairement au champ de l'aimant (gros pointillé bleu, flèches rouges et vertes, et qui coupent le champs en travers).
Le cylindre a un collecteur en son centre, constitué de lamelles de cuivre (en blanc) séparées par des isolants (noirs). Le fil bleu> donne un exemple de câblage: le fil part d'une lamelle du collecteur, remonte sur la flasque avant du cylindre, traverse la surface ronde du cylindre, descend derrière la flasque arrière, retraverse la partie ronde opposée, est  finalement soudé sur la lamelle suivante du collecteur. On recommence avec le fil suivant (rouge). Chaque tour de fil (spire) est ainsi soudé, sur une même lamelle, au tour de fil suivant; l'ensemble constitue finalement un bobinage unique, accessible par points grâce aux balais du collecteur. Chaque spire est un cadre rectangulaire qui tourne dans le champ magnétique.
Comment le moteur tourne: les conducteurs sont alimentés en courant. Leurs segments représentés par  les gros pointillé bleu, flèches rouges et vertes, coupent le champs en travers. Les courants qui y circulent génèrent chacun une force qui tend à chasser le conducteur du champ (vu au début de la page).
Si les conducteurs étaient tous parcourus par un courant de même sens, le rotor ne bougerait pas car ceux qui sont placés devant la pôle sud subiraient une force inverse de ceux qui sont placés devant le pôle nord.
Le collecteur inverse donc le sens du courant d'une spire quand elle passe à la verticale, en haut et en bas, de sorte que chaque demi rotor ait des courants de sens opposé à l'autre. deux flèches rouge et verte précise les sens. Deux balais frottent sur les lamelles pour apporter le courant. Sens du déplacement du rotor
height="100%" width="41%"> Les moteurs à plusieurs pôles alternent aimants Nord et Sud - ou électroaimants - soit successivement un Nord, un Sud, un Nord.. Les enroulements du rotor doivent embrasser tout le flux du champ magnétique entre deux pôles Nord et Sud, mais pas plus. chaque spire ne ne se déploiera donc ici que sur 1/4 de tour et non sur un demi comme ci-dessus. Chaque champ est maintenant coudé à 90 degrés.

Seuls deux circuits de champ magnétique sont représentés pour ne pas surcharger le dessin (flèches marron), mais il n'y a pas de discontinuité et il y a bien des flux entre chaque pôle Nord et les deux Sud, vers la gauche et vers la droite. Les flèches devraient donc être doublées dans chacun des pôles pour mieux les représenter.

Fonctionnement d'un moteur à trois pôles alimentés. Le moteur sans courant se positionne en équilibre des flux magnétiques comme ci-contre, soit une bobine et son pôle en pleine face de l'aimant Nord, les deux autres en bas à gauche et à droite, à demi face. Par convention,  lorsqu'une bobine est alimentée dans le sens fil rouge - fil vert , elle crée un nord sur son pôle (partie circulaire orange).

Démarrage. On suppose que le balai supérieur du collecteur (tige noire avec flèche rouge) frotte sur deux secteurs du collecteur, comme indiqué. La bobine supérieure est alors court-circuitée, la bobine droite, dont le fil rouge (flèche rouge) entre dans le bobinage avec un courant de même sens, crée un pôle nord à demi face du pôle Sud (négatif) de l'aimant. La bobine gauche, dont le fil vert (flèche verte), entre dans le bobinage avec un courant inversé, crée un pôle sud à demi face de ce même pôle sud. La bobine droite est attirée vers la gauche alors que la bobine gauche est repoussée dans la même direction.
Si le moteur a tourné d'un rien dans le même sens, le balai supérieur ne touche plus que le secteur gauche du collecteur. La bobine supérieure est maintenant alimentée en série avec le balai du haut, en suivant le fil rouge, fil vert, rouge, et vert sur le balai du bas), ce qui donne un pôle nord pleine face de l'aimant Nord et toujours un pôle nord pour la bobine de droite. Rien ne change pour la bobine gauche


La fabrication de tels moteurs, surtout les plus petits à usage "approximatif" domestique, dont on n'attend guère de performance particulière, est bien trop onéreux. Afin que les forces exercées soient importantes, les conducteurs représentés ici seraient en réalité remplacés des faisceaux de fils au câblage délicat, logé dans des rainures transversales du rotor.
 Le modèle présenté ci-dessous est très simplifié et l'on peut voir que les conducteurs eux-mêmes, éloignés de la périphérie, ne satisfont pas à la théorie précédente. Tout d'abord, les conducteurs éloignés de la périphérie n'offrent pas un bon couple par rapport à l'axe du rotor et ensuite, les deux deux brins d'une bobine sont proches et parcourus par deux courants opposés dans un même champ. Enfin, il y a une dissymétrie entre le nombre de pôles du rotor et celui des aimants (trois pôles pour le rotor et deux pour le stator. Ce sont donc ici des flux magnétiques qui s'attirent d'opposent ou s'attirent.


Un exemple de moteur à aimants. Ici la photo d'un de ces assez petits moteurs qui sont dans les brosses à dents électriques, ventilateurs de poche, râpes et polissoirs de manucure électrique, rasoirs à bouloches pour tissus etc. Ils fonctionnent avec une ou deux piles 1,5 volts AA ou AAA.

Longueur, 2 cm. Dans la carcasse de ce moteur, deux aimants en arc de cercle produisent le flux magnétique (en rouge et en vert).

Rotor du moteur avec trois bobines de fil. Pour renforcer les flux magnétiques générés par les bobines, les fils sont enroulés autour de pièces métalliques (*). Pièces métalliques des bobines, 1 cm de long - diamètre 1,4 cm.
(*) ces pièces métalliques sont feuilletées en couches isolées afin de lutter contre des courants induits indésirables, d'où cet aspect nervuré.

La première fonction d'un collecteur est d'alimenter la partie tournante par contact glissant. Deux "balais" frottent sur le collecteur pour apporter le courant continu. Sa deuxième fonction, pour les moteurs à courant continu, est d'inverser le courant dans les différentes bobines (expliqué ci-dessus).
Ici, le collecteur est composé de trois plaquettes de cuivre en arc de cercle, chacune étant isolée électriquement des autres. Une bobine a ses fils soudés sur deux lamelles consécutives. Comme dans l'exemple ci-dessus, le sens d'alimentation des bobines doit être inversé entre un passage côté pole Nord et le suivant côté pôle sud.
Le moteur présenté ici est du même type que le précédent (ci-dessus), mais une fabrication plus soignée le classe dans la catégorie supérieure. Chez le premier, les balais sont de simple lames qui appuient sur le collecteur. Ici, ce sont deux ressorts "boudin" par "balai", recouverts d'or, dont le nombre de spires assurent une pression bien contrôlée et constante sur le collecteur (photo de droite). Les deux fils (balais), qui terminent les ressorts d'un même côté, sont de longueur inégale afin de prévenir tout accord de vibrations éventuelles  (résonance), susceptibles de perturber les contacts. Le rotor de ce moteur présente les mêmes qualités de fabrication. Les bobinages sont plus soignés et ne sont pas enroulés autour d'un pièce de fer feuilleté mais d'une matière plus perméable (composite) qui doit moins favoriser la création de courants parasites, induits dans sa propre masse. Les pôles sont aussi moins épais, mais cela tient aux aimants permanents, et au fait qu'il fonctionne sous une tension plus élevée. La Toyota Prius ancien modèle fonctionnait sous 274 volts continu !  je ne connais pas ce moteur mais il devait avoir un collecteur à secteurs, comme tous les moteurs à courant continu. Les moteurs puissants n'ont pas de lamelles ni ressorts comme celui-ci, mais des "charbons" - de courts bâtons carrés de graphite dur poussés dans un guide par un ressort. Ces charbons assurent un très bon contact, s'usent lentement et préservent le collecteur. Ils peuvent être aussi assez facilement remplacés.


Moteur d'appareil ménager avec des balais à charbon. Le charbon, un bâtonnet carré, coulisse dans le guide métallique doré situé à la gauche de la photo. Un ressort relié au fil électrique le pousse contre le collecteur que l'on aperçoit dessous. Ces charbons relativement tendres sont conçus pour s'user en préservant le collecteurs. Ils sont remplaçables. Moteurs sans aimants permanents. Lorsqu'on n'utilise pas d'aimants permanents, il faut envoyer du courant dans les deux groupes de bobines ; si l'on entre par le stator et que l'on relie sa sortie à l'entrée du rotor pour sortir par celui-ci, on obtient un moteur dit "série". Si l'on entre à la fois dans le rotor et le stator en reliant respectivement leurs entrées ensemble, puis leurs sorties, on obtient un moteur dit parallèle. (voir physique 3, les montages série et parallèle).
Le moteur dit "série" à courant continu, est le meilleur moteur jamais créé en terme de puissance au démarrage (fort couple) et de vitesse (locomotives). Mais il est sensible à la charge et baisse vite de régime. Un autre  inconvénient provient du collecteur à secteurs, coûteux et fragile; les balais ou "charbons" s'usent en frottant sur les lamelles du collecteur qui s'usent aussi et en plus se piquent sous l'effet des étincelles. On sait les réduire mais chaque passage du charbon d'une lame à l'autre fait changer de bobinage et de ce fait, un extra courant de rupture est créé (voir self dans Physique 3).
Le moteur dit "parallèle". Il a pour lui une bonne stabilité de la vitesse selon la charge. Vitesse et puissance au démarrage  limitées. Le moteur dit "série parallèle" combine évidemment les avantages et les inconvénients des deux. Le moteur est dit "parallèle" parceque l'arrivée du courant se fait à la fois dans le rotor et le stator,  soit en reliant ensemble leurs entrées, puis leurs sorties.

Force contre électromotrice des moteurs.

Si l'on empêche un moteur de tourner alors qu'il est alimenté en courant, il chauffe rapidement et peut brûler son collecteur et ses conducteurs si la puissance électrique fournie se maintient. On en conclut qu'il n'y a guère de risque avec un petit moteur à pile !  Que se passe t-il donc quand le moteur tourne ?  il produit ce que l'on nomme une F.C.E.M, Force Contre Electromotrice qui s'opposant à la tension qui lui est appliquée, la réduit d'autant et par conséquence limite le courant. Les enroulements des moteurs sont constitués de fils assez gros pour pouvoir produire des champs intenses et leur résistance est généralement faible. Sans FCEM, le moteur est une résistance pure de faible valeur et il y a danger. A vide, le moteur ne fournit pas d'effort et la FCEM est maximale, presque égale à la tension d'alimentation et le moteur ne consomme presque rien. Plus on le charge et moins la FCEM agit, l'intensité augmente donc dans les bobinages ce qui est normal puisque un effort est fournit.

Le moteur à courant alternatif. C'est (ou c'était ?) le moins puissant des moteurs et il faut créer un artifice pour le faire démarrer, puis le synchroniser sur la fréquence du courant. Il est intéressant pour sa parfaite régularité puisqu'il suit la fréquence du courant. Bien des pendules branchées sur le courant 230 volts ont possédé un tout petit moteur de ce type et les programmateurs simples en ont encore un. Là ne s'arrête pas cependant son usage, car il a également bénéficié de larges progrès, témoin celui de la nouvelle Toyota Prius hybride, dont le premier moteur était à courant continu. Le moteur de la première Toyota Prius fonctionnait sous 274 volts continu!   la nouvelle Toyota Prius fonctionne sous 500 volts alternatif.

Il faut dire qu'autrefois, un moteur à courant alternatif ne fonctionnait que sur le secteur à 50 périodes par seconde (voir Physique 3, le courant alternatif), et un ensemble de bobines créait ce que l'on appelle un champ tournant. Ce champ tournant peut être simplement représenté et visualisé par un aimant qui tourne.
Si on alimente des bobines fixes placées à l'intérieur d'un cylindre avec du courant alternatif, chaque pôle fixe change alternativement de polarité + puis - puis +, - etc. Plaçons un aimant pivotant autour d'un axe au milieu du cylindre. Sollicité par des pôles magnétiques changeants, il ne bouge pas. Si maintenant on le lance à la vitesse qui lui permet de suivre ces alternances, il s'accroche dessus et tourne avec le champ. Si on le freine; il résiste et se décale, puis finit par "décrocher" si on le force trop. Voilà le principe du moteur alternatif. Un collecteur peut être nécessaire, mais il est simple, avec seulement deux bagues lisses sans coupure (sans lames).


Moteur diphasé. Dans ce moteur, le champ est crée par quatre bobines. Le rotor est constitué d'aimants permanents. Deux bobines opposées sont parcourues par un même courant alternatif. Chaque paire est alimentée par un courant décalé de l'autre (déphasé d'une demi période, ce qui veut dire qu'ils s'opposent en sens de circulation : l'un est au maximum   quand l'autre est au maximum   (voir physique 1). Le courant de phase 1 pour deux bobines (fil noir), le courant de phase 2  pour les deux autres (fil rouge). On obtient ainsi l'équivalent d'une rotation mécanique des pôles des électroaimants, qui vont entraîner ceux du rotor dans une valse "collé serré" ; si les pôles aimantés sont freinés, il y a retard (glissement en arrière comme avec un élastique qui se tend puis, si la charge est trop forte, décrochage et arrêt ( le champs tourne toujours mais n'entraîne plus le rotor, "l'élastique est cassé"). Conçus à l'origine pour du courant 230,  50 périodes, ce qui donnait dans le cas simple 50 tours/mn, la production de courants électriques alternatifs par l"électronique ; à façon, a permis de bien meilleurs développements, dont les moteurs de CD/DVD à vitesse variable.



La Mitsubishi électrique "Miu", également commercialisée par Citroën, est propulsée par des moteurs à aimants permanents !   c'est dire la puissance des aimants actuels, "dopés" aux métaux des terres rares,  et la persistance de leur aimantation. La Miu sera-t-elle à courants alternatifs, de type synchrone, comme je l'ai lu sur une fiche technique, ou finalement  à courant continu de tension élevée (pour limiter l'intensité) ? selon une revue, toutes les voitures seraient à courant continu, mais les options divergeraient sur l'équipement à bord ou non du bloc d'alimentation pour la recharge de la batterie. En attendant, et selon toute probabilité, les réseaux de  recharge et distribution de batteries s'organisent .. car il y a un marché à saisir.
Les voitures des épreuves du trophée Andros. Fin janvier 2010, les voitures électriques du Trophée Andros (sur glace), ont ouvert officiellement le bal des "vraies" voitures électriques viables et fiables que l'on avait jusqu'alors pas vues;  rude tâche pour cette grande première : 35 minutes de course sur glace à 160 km/h avec des accélérations fulgurantes ; moteurs de type asynchrone - sous toute réserve - à aimants permanents. Les pilotes ont adoré car la disparition de beaucoup de contraintes associées au "thermique", passage de vitesse, freinage, bruit, leur permettrait de mieux se concentrer sur une conduite.. acrobatique !

Les possibiltés de l'électronique-informatique a révolutionné le monde des moteurs spéciaux, en ouvrant de fabuleuses possibilités d'alimentation en courants variables "divers et variés"..  Une autre révolution est arrivée par l'extraordinaire puissance d'aimantation que l'on peut induire en permanence dans le métal, y compris sur de tout petits volumes tels que les boutons de fermeture de sacs ! Je suppose que les recherches ont été initiées par la fabrication des disques durs d'ordinateurs, afin de positionner le bras-stylet sur des points micrométriques (il y a deux aimants extrêmemenet puissanrs).


Moteurs spécifiques.

Ces moteurs ont tous quelque chose en commun. Original, un moteur plat. Quelques bobines plates sur une plaquette de composants  électroniques, aucun collecteur ne distribue le courant !
Ces bobines sont recouvertes à très faible distance par le disque magnétique, uniforme d'apparence, etprésenté ici soulevé au-dessus pour les besoins de la photo. ce disque possède de nombreux pôles magnétiques alternés Nord et Sud, appairés aux bobines. Test de la surface du disque : un petit tournevis saute d'un pôle à l'autre quand on tente de le faire glisser tout autour de sa surface, révèlant la présence d'aimants puissants.

Voici une partie d'un moteur électrique : il s'agit à première vue  d'un rotor mais c'est un stator fixé sur une plaquette de composants électroniques; il ne bouge pas du tout !  et aucun collecteur ne distribue le courant !  en cliquant, vous verrez que ces bobines s'insèrent dans un cylindre magnétique (le rotor) qui, bien qu'uniforme d'apparence, possède de nombreux pôles magnétiques sur son pourtour. Le  champ tournant produit par le stator (les quatre bobines), fait tourner le rotor aimanté. Voir aussi le schéma ci-dessus; "production d'un champ tournant" Voici le même que le premier à gauche, mais avec 9 pôles au lieu de 4; bien bobinés sur métal ferreux feuilleté, presque "à l'ancienne"; aucun collecteur ne distribue le courant non plus.  Les bobines produisent donc un champ tournant, comme pour tous les autres. Quel est le plus récent des deux celui à 9 pôles, plus sophistiqué et qui doit "tourner plus rond" ou celui à 4 ?  

Réponse: celui à 9 pôles faisait tourner le CD/DVD de ce lecteur laser 1 alors que celui à 4 pôles en actionne un plus récent ! voir page précédentePhysique 3.1

Ces moteurs "spécifiques" se distinguent par leur alimentation en électricité.  Cette alimentation peut aller de la simple l'impulsion "pas à pas" à la variation de fréquence". Par rapport au moteur classique, c'est un grand pas car chez ce dernier seule la vitesse de rotation peut être contrôlée, par variation de la tension du courant qui lui est appliqué. Le moteur "piloté", c'est aussi des circuits électroniques complexes. Sans eux, il n'aurait pas existé. On le trouve dans les matériels informatiques (disques durs, lecteurs numériques..), ainsi que dans bien des matériels industriels, sans oublier les robots d'usines.



Ce petit moteur d'imprimante à jet d'encre est un petit carré de métal feuilleté de 4 x 4 x 3 cm, serré par quatre vis aux angles. Il possède deux particularités : il ne tourne pas facilement, mais avec une bonne friction ! (comme un frein à vaincre). Et deuxièmement, il tourne par fraction de tour si faible qu'il est très difficile de ne pas sauter un cran !  (96 crans par tour). Voilà qui permet un positionnement ultra précis et ultra fin de ce qu'il déplace.

Il y a huit bobines, chacune d'elle produit une induction dans son noyau, pièce polaire qui s'évase en rectangle.  Cette pièce polaire est crantée. On peut distinguer le feuilletage du métal du circuit magnétique (le carré) et ses 8 pôles (clic !), ceci afin de  stopper les courants parasites qui y sont  induits.

Le rotor, qui s'ajuste très serré dans le trou du stator, possède aussi les mêmes crans métalliques, mais en deux rangs décalés, ce qui revient du point de vue du positionnement, à doubler les 6 crans de chaque pièce polaire. Ce moteur fonctionne cran par cran (dit pas à pas)

Montres à quartz avec aiguilles analogiques : les aiguilles sont animées par un moteur pas à pas super miniature. Ce moteur est alimenté par des impulsions électriques produites par un oscillateur électronique "calé" par quartz sur une fréquence de 32.768 hertz (cas d'une Seiko kinetic). On parvient à la seconde par réductions successives de la fréquence de l'oscillation électrique.

Moteur de sortie d'objectif et de zoom d'appareil photo compact classique (années 2010) : dimensions réelles: 11 X 10 millimètres.

Son axe fileté, à droite et en noir, entraîne une roue dentée (au-dessous), selon le principe de la réduction de vitesse par vis sans fin. La force qu'il exerce s'en trouve en contrepartie fortement augmentée

Ce moteur encore plus petit, soit 8 x 6 millimètres, est intégré dans le bloc télescopique de l'objectif, donc d'un côté des des lentilles. Il assure une mise au point précise sous le contrôle d'un circuit électronique (système auto focus). Son axe à vis fait avancer ou reculer une lentille coulissante clic pour voir le bloc et la lentille à gauche). Le filetage de la vis se voit à peine à l'œil nu !  Ce bloc principal de lentilles, contenu dans le plus gros tube extérieur coulissant, ne fait que 2,5 cm de diamètre. Sable et embruns ne sont pas les amis de cette mécanique complexe.

Le record de miniaturisation de moteur électrique serait détenu par un russe, selon une information qui remonte aux années 1970/1980 : ce moteur qui fonctionnait - mais ne faisait rien d'autre - passait dans le chas d'un aiguille .. ça laisse rêveur, même si un sculpteur réalise des œuvres qui réalisent le même exploit (voir "il peint avec un poil de tête de mouche" dans Curiosité, drôle de chose, en bas de page )

Le moteur linéaire.  L'appellation peut surprendre car un moteur, ça tourne !  mais ça fait aussi bien  avancer un engin. L'idée est don venue de créer un moteur qui fait directement avancer sans passer par la rotation. Pour cela, on a imaginé de "déployer à plat un stator", les bobinages fixes du moteur, et de le prolonger ainsi sur une grande longueur en multipliant la juxtaposition des bobinages ou des aimants fixes. Le rotor, partie tournante du moteurs, constitué des mêmes bobinages qu'un rotor normal, mais mis également à plat, en face des bobines du stator, ne tournera donc plus non plus: il se translatera. Ce "translateur" est donc situé dans la machine qui se déplace.  Entre l'équivalent stator et l'équivalent rotor, l'espace est "presque à toucher". Sanyo produit un rasoir électrique dont le moteur est un élément linéaire. Cela simplifie la mécanique tout en permettant de plus grandes vitesses. Les Grandes Tours. Au-delà des 600 mètres de hauteur, les ascenseurs ne peuvent plus être tirés par des câbles car ils casseraient sous leur propre poids. On fait don appel à la technologie du moteur linéaire pour propulser les cabines qui, par le fait, ne seraient plus suspendues à rien !! on voit que cela doit être plus compliqué

Moteur linéaire et Sustentation électromagnétique.



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