Moteurs éléctriques `a courant continu

Moteurs ´el´ectriques `a courant continu
Matthieu Schaller
matthieu.schaller@epfl.ch
16 mars 2008
Table des mati`eres
1 Introduction 2
2 Partie th´eorique 2
2.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Moteurs `a courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.3 Diff´erents types de moteurs `a courant continu . . . . . . . . . 3
3 Partie exp´erimentale 4
3.1 Rendement des moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.2 Contre-tension .......................... 4
3.3 Courant de d´emarrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.4 Freinage ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4 R´esultats 5
4.1 Rendement des moteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
4.2 Contre-tension .......................... 6
4.3 Courant de d´emarrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4.4 Freinage ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
5 Discussion 7
6 Conclusion 8
1

1 INTRODUCTION 2
1 Introduction
Les moteurs ´el´ectriques sont aujourd’hui pr´esents partout dans notre vie
quotidienne. Ceci est certainement dˆu `a leur grande simplicit´e de fabrication
et `a leur confort d’utilisation. Il existe diff´erents types de moteurs et chacun
d’eux est adapt´e `a une tˆache particuli`ere. Il convient donc d’´etudier ceux-ci
afin de savoir quand les utiliser et pour minimser les pertes qui surviennent
in´evitablement.
Le but de ce travail est d’´etudier le fonctionnement des moteurs `a courant
continu et de mesurer quelques grandeurs qui les caract´erisent.
2 Partie th´eorique
2.1 Principe de fonctionnement
Le fonctionnement des moteurs ´electriques est bas´e sur la force de La-
place. Consid´erons un fil ´electrique parcouru par un courant I, plac´e dans
un champ magn´etique ~ B. Chaque ´el´ement du fil ~ dl subit alors une force,
appel´ee force de Laplace, valant :
~
dF =I~ dl ∧~ B(2.1)
Si le conducteur est rectiligne et le champ magn´etique constant, on ob-
tient une force agissant sur toute la longueur Ldu conducteur donn´ee par :
~
F=I~ L∧~ B(2.2)
Consid´erons maintenant, un conducteur rectangulaire tel que repr´esent´e
sur la figure 1 plac´e dans un champ d’induction magn´etique ~ Bconstant. Le
conducteur est libre de tourner selon l’axe X et est parcouru par un courant
I. Les forces ~ Fcr´ees sur les deux cot´es du cadre s’additionnent et cr´eent un
couple ~ C. Le couple obtenu est ainsi donn´e par l’expression :
~
C=I·S·~n ∧~ B(2.3)
o`u ~n est le vecteur normal au plan du cadre et Sla surface de ce-dernier.
Pour maintenir un couple toujours dirig´e dans la mˆeme direction, il
conviendra donc de faire varier le sens du courant dans le cadre chaque
fois que l’angle αvaut 0, π, 2π, 3π, .... Pour augmenter le couple, on mettra
plusieurs spires dans le cadre.
2.2 Moteurs `a courant continu
Il est facile de produire une alternance dans le sens du courant en placant
des commutateurs et des balais. Le dispositif est pr´esent´e sur la figure 2.
On place des balais sur le cylindre tournant avec le cadre. Les balais sont

2 PARTIE TH ´ EORIQUE 3
Fig. 1: Forces agissant sur une boucle de courant dans un champ magn´etique
Fig. 2: Position des balais
maintenus `a une diff´erence de potentiel constante. A chaque demi-tour du
cadre, les balais changent de (( cot´e ))du cadre et le sens du courant change
dans celui-ci.
Le champ magn´etique est cr´e´e par un aimant permanent. Le dispositif
ainsi construit constitue donc un moteur tr`es simple.
2.3 Diff´erents types de moteurs `a courant continu
Dans un moteur plus ´evolu´e, le cadre est remplac´e par un bobinage plus
complet appel´e rotor enroul´e autour d’un noyau cylindrique. Le rotor est
reli´e `a un axe qui tourne entre l’armature des aimants fixes, appel´ee stator.
Dans notre cas, le stator sera constitu´e de deux aimants permanents.
Le rotor bipolaire est constitu´e de deux bobines dont les extr´emit´es sont

3 PARTIE EXP ´ ERIMENTALE 4
connect´ees au cylindre du commutateur. Dans notre cas, les bobines com-
portent 380 spires chaqu’une et la r´esistance totale du crcuit est de 1.35 Ω.
Il fonctionne de mani`ere optimale entre 7 et 8 Volts de tension.
Le rotor tripolaire est comme son nom l’indique fabriqu´e `a partir de trois
bobines plac´ees aux sommets d’un triangle ´equilat´eral. Dans notre cas, il
y a 340 spires par bobine et une r´esistance totale de 1.35 Ω. Sa plage de
fonctionnement se situe aux alentours de 5 Volts.
Le Rotor `a tambour est compos´e de 12 enroulements de 80 spires raccord´ees
en s´erie. Il faut environ 12 Volts pour obtenir le couple le plus ´elev´e.
3 Partie exp´erimentale
Toutes les exp´eriences seront r´ealis´ees avec les trois types de moteur
d´ecrits ci-dessus.
3.1 Rendement des moteurs
Les moteurs transforment de l’´energie ´electrique en ´energie m´ecanique.
Malheureusement ceci ne peut se faire sans pertes. Un crit`ere important
pour un moteur est donc son rendement, indiquant la proportion d´energie
fournie qui est effectivement restitu´ee. Il est d´efini de la mani`ere suivante :
η=Pm
Pe
=Pm
UI (3.1)
o`u Pmest la puissance m´ecanique d´evelopp´ee, Uet Irespecrivement
la tension et le courant en entr´ee du moteur. La puissance m´ecanique est
mesur´ee en utilisant un montage permettant de soulever un poinds. La puis-
sance n´ecessaire pour soulever un poids de masse md’une hauteur hen un
temps test de :
Pm=mgh
t(3.2)
L’exp´erience consistera ici `a d´eterminer le rendement en fonction de la
tension d’entr´ee, grandeur plus facilement mesurable que la vitesse de rota-
tion.
3.2 Contre-tension
Le courant Icirculant dans la spire induit un champ magn´etique dans
la bobine induisant lui-mˆeme une tension par auto-induction. Par la loi de
Lenz, cette tension doit s’opposer `a la cause, donc ici `a la tension induite
pour faire tourner le moteur. Cette tension induite UGs’oppose donc `a la

4 R ´ ESULTATS 5
tension UKappliqu´ee aux bornes du moteur. La tension efficace du moteur
URdu moteur est alors donn´ee par :
UR=UK−UG(3.3)
Pour augmenter l’efficacit´e d’un moteur, il convient donc de minimiser
autant que possible la tension induite UG. Pour mesurer cette derni`ere gran-
deur, on mesure la tension aux bornes UKet les courant induits IR. Ceci
nous permet de calculer UGen connaissant la valeur de la r´esistance des
bobines du rotor.
3.3 Courant de d´emarrage
La tension induite apparaissant dans le rotor d´epend de la vitesse de
rotation du moteur. Au moment o`u l’on enclenche le moteur, celle-ci est
nulle. La tension fournie par la g´en´eratrice augmente donc tr`es rapidement
jusqu’`a atteindre une valeur maximale.constante. Elle redescend ensuite `a
une valeur plus faible. Le risque de surcharger dangereusement l’installation
existe, il est donc important de connaˆıtre ces courants de d´emarrage.
Pour effectuer la mesure, on bloque le moteur et l’on augmente la ten-
sion. On mesure alors le courant circulant dans le rotor, c’est le courant de
d´emarrage. On relache ensuite le rotor et l’on mesure `a nouveau le courant
lorsque le moteur a atteint une vitesse de rotation constante, c’est le courant
de marche `a vide. On compare alors ces deux valeurs.
3.4 Freinage ´electrique
Si on inverse d’un coup le courant circulant dans le rotor, celui-ci subit
un couple de sens oppos´e. Il va donc commencer `a tourner dans l’autre sens.
Ceci va donc freiner rapidement le moteur. Il ne reste plus alors qu’`a couper
le courant lorsque la vitesse de rotation devient nulle. C’est le moyen le
plus rapide d’arrˆeter un moteur ´electrique. L’exp´erience consiste `a brancher
un inverseur de courant sur le circuit et `a observer si ce qui se passe est
conforme `a la th´eorie.
4 R´esultats
Les r´esultats sont bri`evement pr´esent´es ici. Ils seront discut´es dans la
section suivante.
4.1 Rendement des moteurs
On effectue les op´erations pr´esent´ees dans la partie exp´erimentale. La
masse du poids soulev´e est de 43.1g. Les rendements obtenus sont r´esum´es
dans le tableau suivant :