Les Moteurs électriques à courant continu

Les Moteurs électriques
à courant continu
TPE (2010-2011)
Modèle, Modélisation
Jérémy Chemla
Bastien Nicolas
1
Sommaire
Introduction
I. Fonctionnement du moteur à courant continu
A. Magnétisme
B. Principe de fonctionnement
II. Conception / Expérimentations
A. Conception
B. Expérimentation
Conclusion
2
Introduction
Comment fonctionne un moteur électrique
à courant continu ?
3
Introduction
• Un moteur électrique à courant continu est
une machine électrique permettant de
convertir une énergie électrique en énergie
mécanique.
Schéma éclectique
4
I. Fonctionnement du moteur à
courant continu
• A. Magnétisme
• B. Principe de fonctionnement
5
A. Magnétisme
Lignes de champ
d’un aimant permanent
Lignes de champ avec limaille de fer
Lignes de champ
d’un solénoïde
6
C. Magnétisme
•
•
Conducteur rectiligne parcourut
par un courant I
Mise en évidence de la Force de
Laplace
7
A. Magnétisme
Électroaimant
Intensité du champ en fonction du
nombre de spire et du noyau
8
B. Principes de fonctionnement
• Deux parties
– Le Stator
– Le Rotor
Rotor complet
Carter et aimants permanent
Balais et collecteur
9
B. Principes de fonctionnement
Bobinage du rotor
Représentation des forces de
Laplace dans le moteur
10
B. Principes de fonctionnement
•
•
•
•
•
•
U=E+R.I
Vitesse : Ω = E / k = U – R. I / k
Couple : C = k . I
Puissance électrique : Pélec = U . I
Puissance mécanique : Pméca = C . Ω
Rendement : n = Pméca / Pélec
11
II. Conception / Expérimentations
• A. Conception
• B. Expérimentations
12
A. Conception
• 1er Moteur à courant continu (simple)
– 50 cm de fil émaillé
– Du fil de cuivre rigide dénudé (support/balais)
– Un aimant
Fonctionnement
13
A. Conception
Mise en fonctionnement du moteur
14
A. Conception
• 2ème Moteur à courant continu
– 20 m de fil émaillé
– Un bouchon
– Deux cure-dent (axe)
– Deux aiguilles (collecteur)
– Du fil de cuivre (balais)
– Un aimant
Idée prise sur : http://bernard.gillot.pagesperso-orange.fr
Montage
Matériel nécessaire
15
A. Conception
Mise en fonctionnement du moteur
16
A. Conception
• Vidéo 2ème moteur
2ème moteur
17
A. Conception
• 3ème Moteur à courant continu
– Un support en bois
– 5 m de fil émaillé
par bobines (x8)
– Deux bouchons
(rotor et collecteur)
– Des clous (rotor
et fixations)
– Du papier aluminium
(collecteur)
– Un axe
Notre moteur
– Deux aimants de HP
– Deux support en acier avec vis pour les aimants
18
A. Conception
Fabrication du rotor
19
A. Conception
• Vidéo 3ème moteur
Stator
Rotor
20
A. Conception
• Prototype finale
– Six pièces conçu sous SolidWorks et réalisé avec la
machine à prototypage rapide du lycée
– 24 m de fil émaillé par bobine (x8)
– Une tige en acier inoxydable Φ5 (axe)
– 16 tiges d’acier Φ5 (noyau)
– Un raccord en cuivre de plomberie Φ16 (collecteur)
– Deux roulement à bille 5*8*2,5 (mm)
– Deux bornes de piles 4,5V (balais)
– Deux gros aimants céramique de HP
– Deux morceaux de plexiglas (pour plaquer les aimants)
– Un support en bois
– 10 vis, 10 rondelles et 10 écrous Φ3 et deux vis Φ5
21
A. Conception
Support du rotor
Base du rotor, SolidWorks
Machine à prototypage
rapide du lycée
Support des aimants
Support des balais
22
A. Conception
Fabrication du support
Finition du support des balais
Brasure des collecteur
Montage du stator
23
A. Conception
• Vidéo prototype final
Rotor
Prototype achevé
2ème moteur
Stator
24
B. Expérimentations
• Mesure de la vitesse en fonction de la tension
Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
25
B. Expérimentations
• Mesure de la vitesse en fonction de la tension
V (RPM)
480
575
675
905
1330
1500
1620
1771
1863
1970
2130
2300
2440
2550
2645
2800
3016
3156
Ω (rad.s-1)
50,2654825
60,2138592
70,6858347
94,7713784
139,277274
157,079633
169,646003
185,458686
195,092904
206,297918
223,053078
240,855437
255,516202
267,035376
276,983752
293,215314
315,834781
330,495547
Valeurs expérimentales
Vitesse
400
350
300
250
Ω (rad.s-1)
U (V)
5,2
6,1
6,5
7
7,8
8,2
9,1
10,1
11,4
12,4
13,2
14,4
15,5
16
16,7
17,6
18,9
19,5
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
U (V)
Graphique de la vitesse
26
B. Expérimentations
• Mesure du couple en fonction de l’intensité
Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
27
B. Expérimentations
• Mesure du couple en fonction de l’intensité
Force (N)
1,1
1,5
1,9
2,5
2,7
3
3,3
3,5
4,1
4,3
4,5
4,8
5
5,1
5,3
C (N.m)
0,00275
0,00375
0,00475
0,00625
0,00675
0,0075
0,00825
0,00875
0,01025
0,01075
0,01125
0,012
0,0125
0,01275
0,01325
k
0,01833333
0,01973684
0,02261905
0,025
0,025
0,02586207
0,02578125
0,02573529
0,0277027
0,0275641
0,02743902
0,02790698
0,02777778
0,0265625
0,02548077
0,02523345
Valeurs expérimentales
Couple
0.016
0.014
0.012
0.01
C (N.m)
I (A)
0,15
0,19
0,21
0,25
0,27
0,29
0,32
0,34
0,37
0,39
0,41
0,43
0,45
0,48
0,52
0.008
0.006
0.004
0.002
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
I (A)
Graphique du couple
28
Conclusion
• Pour amélioré notre moteur, nous pourrions :
–
–
–
–
–
Utilisés des aimants plus puissants et/ou qui englobe le rotor
Utilisés des charbons sur les balais pour réduire les frottements
Utilisés un système de ressort pour plaquer les balais
Utilisé un noyau ferromagnétique pour le rotor
Utilisé un axe moins flexible et parfaitement droit (le notre est
légèrement courbé)
– Utilisé du fil émaillé plus épais pour réduire la résistance
– Augmenter le nombre de spires du rotor pour renforcé le champ
– Le confiné dans un carter pour le rendre plus transportable et
moins volumineux
29
Conclusion
• Comment fonctionne un moteur électrique à courant
continu ?
• Un moteur électrique à courant continu convertit l’énergie
électrique en un champ magnétique à l’aide des plusieurs
bobines (ou électroaimants) du rotor. Ce champ
magnétique créé une force d’attraction (Force de Laplace)
avec les aimants du stator qui met en rotation le moteur.
Les lames du collecteur distribuent le courant au rotor
grâce au mouvement de rotation en sorte que les Forces de
Laplace soient les plus fortes possibles.
30
Sources
Merci à :
http://www.supermagnete.fr/
http://google.fr/
http://fabrice.sincere.pagesperso-orange.fr/
http://fr.wikipedia.org/
http://physilien.midiblogs.com/
http://www.youtube.com
http://www.electrons.ch/
http://bernard.gillot.pagesperso-orange.fr
http://www.tribunes.com/
http://membres.multimania.fr/
http://www.garmanage.com/
http://forums.futura-sciences.com/
http://subaru2.univ-lemans.fr/
http://www.installations-electriques.net/
ère
Manuel de physique 1 S, collection Parisi
http://www.zeva.com.au/
http://sitelec.org/
http://home.scarlet.be/
http://lsc.univ-evry.fr/
… Et surtout aux professeurs encadrant et à toutes
http://2fbj.free.fr/
les personnes qui ont aidées à la réalisation du projet.
http://fr.academic.ru/
31