Qu’est-ce qu’un moteur électrique et comment fonctionne-t-il ?

Du point de vue de la physique, l’électricité et le magnétisme se combinent pour former la force électromagnétique. Un moteur électrique est un dispositif qui utilise cette force pour produire une énergie mécanique.

Ses divers composants permettent de transformer la puissance d’un champ magnétique en énergie mécanique. Les moteurs électriques sont disponibles dans une multitude de tailles et de configurations. Certains sont assez puissants pour déplacer des véhicules lourds, alors que d’autres peuvent être intégrés dans les plus petits systèmes électroniques.

Les moteurs électriques font partie des systèmes de production d’énergie mécanique les plus efficaces. Grâce à cette efficacité et à leur longévité, leurs rôles sont incroyablement variés.

 

Où peut-on trouver des moteurs électriques dans la vie quotidienne et comment peuvent-ils nous être utiles ?

Les moteurs électriques sont présents dans une gamme impressionnante d’applications, à l’intérieur même de nos foyers. Tout ventilateur utilisé pour améliorer le confort est animé par un moteur électrique, qui convertit l’énergie électrique en énergie mécanique pour faire tourner les pales et faire ainsi circuler l’air dans une pièce.

Tous les outils manuels électriques contiennent un moteur électrique. Ils font tourner les mèches pour forer, les lames circulaires pour scier, etc. Grâce à leur longévité et à leur résistance, ce sont d’excellentes solutions, même pour des utilisations industrielles lourdes où d’autres dispositifs ne résisteraient pas aux contraintes tolérées par les moteurs électriques.

Des moteurs électriques que vous ne voyez jamais jouent pourtant un rôle essentiel dans votre vie quotidienne. Par exemple, des moteurs électriques font circuler l’eau des stations de pompage, garantissant l’approvisionnement en eau courante à domicile. Ils font tourner l’hélice des grands navires et sont un élément essentiel des services de transport maritime.

Les moteurs électriques sont partout, à tel point qu’il serait difficile de réunir même quelques appareils sans en trouver un seul qui n’en contienne aucun. Depuis les jouets aux ventilateurs des climatiseurs, jusqu’aux systèmes de chauffage, les moteurs électriques font partie des composants électriques les plus courants de nos jours.

 

Histoire du moteur électrique

Comme de nombreux dispositifs électriques, les moteurs électriques sont nés d’expériences scientifiques, progressivement améliorées pour servir de démonstration d’un principe physique, avant de trouver des applications pratiques.

On attribue à Andrew Gordon l’invention du premier moteur électrique au début des années 1700. Son modèle était remarquablement simple par rapport à ceux d’aujourd’hui.

En 1821, Michael Faraday, un des plus grands noms de l’ingénierie électrique, a réussi une expérience qui a clairement démontré la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique. Bien que cette réussite semble aujourd’hui assez évidente, elle a été la base de toutes les évolutions qui ont suivies dans ce domaine.

Ányos Jedlik est un physicien hongrois qui a commencé ses expériences sur les bobines électromagnétiques en 1827. Il a construit ce qu’il a appelé la « foudre magnétique auto-rotor » et qui est le premier exemple de moteur électrique, tel que nous le connaissons aujourd’hui.

Les développements se sont poursuivis jusque dans les années 1800 pour aboutir aux moteurs électriques à courant continu et à courant alternatif. L’efficacité et la longévité des moteurs électriques actuels est le fruit des efforts continus de la recherche pendant près de cent ans. Grâce à ce développement continu, la résistance à l’usure, la puissance et la fiabilité des moteurs électriques ont progressé, pour en faire des composants incroyablement solides et omniprésents dans notre vie quotidienne.

 

Comment fonctionne un moteur électrique ?

Le principe de fonctionnement du moteur électrique est très simple. En physique, on sait que l’application d’un courant électrique dans un champ magnétique génère une force mécanique. Un moteur électrique contient des bobinages de fil électrique (fil identique à celui qui sert à transporter le courant). Ce bobinage est perpendiculaire au champ magnétique du moteur électrique. Comme un champ magnétique a toujours deux pôles, les extrémités des fils sont placées dans des directions opposées. Cette configuration crée un mouvement rotatif.

Le couple de rotation est contrôlé en augmentant les enroulements de fil sur les armatures. Le champ magnétique est généré par un électroaimant. Cette conception permet au rotor de pivoter sous l’effet de la force électromécanique. Très peu de pièces sont exposées à l’usure. Grâce à ces deux facteurs combinés, les moteurs électriques peuvent tourner pendant des durées extrêmement longues, sans s’user ou presque.

 

 

Quels sont les composants d’un moteur électrique?

La faible quantité de composants est une des caractéristiques les plus remarquables des moteurs électriques. Comparé à un moteur à combustion interne, par exemple, un moteur électrique est un système d’une très grande simplicité. Tous les composants d’un moteur électrique peuvent être aisément démontés et alignés sur une petite table, selon la taille du moteur, bien sûr.

La partie stationnaire d’un moteur électrique s’appelle le stator. Des aimants permanents ou des bobinages sont associés au stator.

Ces bobinages ressemblent aux autres bobinages utilisés dans d’autres systèmes électriques. Ce sont de simples enroulements de fil de cuivre autour d’une âme en fer magnétique. Lorsqu’un courant traverse ses bobinages, un courant magnétique est généré. Les pôles des aimants peuvent être configurés de deux façons opposées. L’écart entre les pôles provoque un couple selon la loi du flux maximum. Un pôle nord attire un pôle sud, provoquant ainsi la rotation du rotor.

Le rotor convertit l’énergie électrique en énergie mécanique. La conception du rotor présente de nombreuses variations. La découverte d’une solution pour obtenir un fonctionnement continu fut l’une des étapes majeures de l’évolution du moteur électrique. Il devint possible de générer un couple ininterrompu pour animer n’importe quel système ou machine. Les moteurs électriques actuels sont capables de produire des niveaux de couple extrêmes.

Un commutateur est un dispositif qui permet d’ouvrir ou de fermer l’alimentation électrique d’un moteur électrique.

L’entrefer d’un moteur électrique est un paramètre essentiel de son fonctionnement. L’entrefer est généralement très mince. Plus il est mince plus la performance du moteur est élevée.

 

Fabrication du moteur électrique

Les moteurs électriques se caractérisent par la simplicité de leurs composants. Ils sont indiqués dans l’illustration ci-dessous.

• Le boîtier : Il contient tous les composants du moteur électrique.
• L’axe :Il reçoit l’énergie générée par la rotation du moteur. Il la transmet à un système externe par l’intermédiaire d’une connexion mécanique. Pièce de métal se prolongeant vers l’extérieur du boîtier.
• Le stator :Il est stationnaire et constitue habituellement l’aimant du moteur électrique. Il peut s’agir d’un aimant permanent ou d’un électroaimant.  Un électroaimant contient un bobinage, qui est le plus souvent en fil de cuivre.
• Le commutateur :Situé près du stator, il inverse la direction du courant dans le dispositif. Il est une des rares pièces mobiles des moteurs électriques.
• Balais : Les balais sont au contact du commutateur et complètent le circuit électrique nécessaire au passage du courant vers le bobinage.
• Roulements :Ils portent l’axe du moteur et sont montés dans les parois du boîtier. Ils autorisent une rotation libre de l’axe avec une friction minimale et éliminent les mouvements parasites.
• Armature :Ce composant conducteur est situé au centre du moteur électrique. Sous l’effet combiné du champ magnétique et du bobinage, il génère le couple mécanique qui déclenche la rotation de l’axe.
• Support d'extrémité : Monté sur le boîtier en bout d’axe, il permet de fixer le moteur et laisse passer l’axe.

 

 

Démarrage du moteur

Les mécanismes de démarrage des moteurs électriques sont très variés. Pour les modèles les plus simples et les plus petits, les démarreurs peuvent être directement connectés à la source électrique. Les moteurs plus importants nécessitent des démarreurs plus complexes. Les principaux types de démarreurs sont les suivants :

Démarreurs directs : Ce type de démarreur est directement branché sur l’alimentation électrique sans dispositif de contrôle supplémentaire. Dès qu’il est enclenché, un démarreur direct délivre la totalité de la tension au moteur. Cette méthode a toutefois une limitation, puisqu’elle exclut tout contrôle du moteur. Le moteur démarre à sa vitesse maximale, avec son couple maximal, ce qui peut imposer une contrainte mécanique sur le système.

Démarreur progressif (tension réduite) : Ce démarreur permet d’appliquer une tension réduite au dispositif. L’utilisateur peut définir les limites du courant de démarrage et autres variables. Le démarreur Star Delta est un type de démarreur progressif qui augmente progressivement la tension jusqu’à son niveau maximal, lorsque le moteur accélère sa vitesse.

Les démarreurs progressifs ont l’avantage de contrôler le stress mécanique et le couple. Le moteur monte progressivement en régime, au lieu de démarrer à sa vitesse-couple maximal, comme avec un démarreur direct.

Les démarreurs progressifs sont généralement montés sur des moteurs puissants. La tension réduite est uniquement appliquée au courant d’appel et ne sert pas à contrôler la vitesse du moteur. Le courant d’appel réduit sert à éviter qu’une forte tension tire brutalement sur l’alimentation électrique, conformément aux exigences de la gestion de l’énergie dans la plupart des entreprises.

Variateurs de vitesse : Les variateurs de vitesse, également appelés variateurs de fréquence, sont généralement installés sur des moteurs triphasés. Ils équipent des moteurs électriques de toutes tailles. Leur principal avantage est de permettre à un opérateur d’augmenter et de diminuer la vitesse et le couple du moteur en modifiant la tension et la fréquence.

Sur certains moteurs électriques, la commutation est assurée par des disjoncteurs, mais seulement lorsque la tension appliquée est très élevée.

 

Avantages et inconvénients des différents types de démarreurs

Les démarreurs directs sont principalement installés sur de petits systèmes. Ils incluent des pompes à eau et autres équipements simples, qui ne fonctionnent que dans une direction. Leur principal avantage est d’appliquer instantanément toute la tension disponible sur le moteur. Le manque de contrôle est leur principal inconvénient.

Les démarreurs progressifs sont généralement utilisés avec des moteurs nécessitant une tension élevée. L’augmentation progressive de la tension assure une meilleure gestion de l’énergie et élimine les risques liés à la soudaine application de la vitesse et de la rotation maximale sur l’équipement connecté.

Les variateurs de vitesse sont les plus complexes, mais ils offrent le plus haut niveau de contrôle et de fonctionnalité. Dans un environnement industriel, le contrôle du couple, de la tension, de l’accélération et du courant peuvent supporter des processus plus efficaces et contrôlés.

 

Quels sont les types de moteurs électriques actuels ?

Plusieurs types de moteurs électriques sont disponibles sur le marché. En premier lieu, ils se différencient par leur type d’alimentation en courant alternatif ou continu. D’autres différences incluent le fonctionnement continu (le moteur tourne tant qu’il est alimenté), ou le fonctionnement intermittent (le moteur tourne jusqu’à une position spécifique, s’arrête et reste à cette position jusqu’à ce que le courant soit à nouveau appliqué).

Certains moteurs électriques peuvent être équipés d’un équipement supplémentaire, principalement des engrenages standard, plus faciles à installer et que les ingénieurs n’ont pas besoin de fabriquer. Ils sont disponibles dans une multitude de tailles et de configurations.

Les tailles de moteurs électriques sont aussi nombreuses que leurs applications. Un moteur électrique peut avoir la taille d’un gros ongle, ou peut occuper une salle entière, selon son application et le travail qu’il devra fournir.

 

Moteurs CA à engrenages

Les moteurs CA à engrenages sont alimentés en courant alternatif. Leur système d’engrenage permet aux ingénieurs de bénéficier d’un train d'engrenages réducteur pour construire plus facilement les dispositifs requis. Ils sont disponibles dans de nombreuses configurations, utilisés dans une gamme étendue d’applications, depuis les processus d’automatisme industriels à grande échelle jusqu’aux plus petits dispositifs, tels que les moteurs de jouets et autres.

 

Moteurs CA

Les moteurs CA sont réputés pour être très économiques, très efficaces et adaptables pour répondre aux besoins d’une grande variété d’applications. Alimentés en courant alternatif, ils peuvent être de très grande taille et capables de supporter des charges considérables. Les moteurs CA sont présents dans une grande variété de produits de grande consommation, incluant ventilateurs, outils électriques, etc. Ils sont aussi utilisés dans de nombreuses applications industrielles.

 

Motoréducteurs CC

Comme les moteurs CA à engrenages, les motoréducteurs CC intègrent un train d’engrenages réducteur. Les ingénieurs électriques les utilisent souvent parce qu’ils leur évitent d’avoir à construire un train d’engrenages. Les moteurs CC sont alimentés en courant CC, et offrent des avantages et des inconvénients spécifiques, par rapport aux moteurs électriques alimentés en courant alternatif.

 

Moteurs CC

Les moteurs CC sont disponibles dans de nombreux designs. Incluant les moteurs CC à balais, les moteurs CC à aimants permanents et d’autres types. Leur alimentation en courant continu est leur point commun. Ils répondent donc aux besoins d’applications incompatibles avec le courant alternatif, tels que les écrans plats (dans un téléviseur alimenté en CA, le courant est toujours convertit en CC). Les moteurs CA et CC ont été développés à la même époque, au début des années 1800 et ils couvrent tous les deux une vaste variété d’applications.

 

Servomoteurs

Un servomoteur est un type de dispositif tout en un qui inclut un moteur (CC le plus souvent), un train d’engrenage, des circuits intégrés et un potentiomètre. Ils se caractérisent par leur extrême flexibilité. Ils sont utilisés dans une grande variété d’applications, depuis les applications industrielles les plus variées jusqu’à la construction de robots miniatures. Faciles à contrôler, les servomoteurs offrent des fonctions de contrôle d’une extrême spécificité. Ils fournissent constamment des données sur leur position et sont donc d’excellentes solutions pour les applications exigeant une haute précision.

 

Moteurs pas-à-pas

Les moteurs pas-à-pas sont des moteurs à fonctionnement intermittent à haute précision. Ils se différencient des autres moteurs par leur capacité de fonctionnement intermittent. Un moteur pas à pas ne tourne pas en continu mais de position à position. Il s’arrête chaque fois qu’il atteint une nouvelle position, puis continue la séquence configurée. Ils sont capables de tourner dans les deux sens et de transmettre des retours d’information qui facilitent leur contrôle.

Les moteurs pas à pas font partie des composants de disques durs d’ordinateurs, puisqu’ils peuvent s’arrêter à des positions spécifiques. Ils démarrent et tournent aussi rapidement que tout autre moteur électrique, c’est à dire presque instantanément.