André Mousset
"Un moteur électrique est une machine électromécanique capable de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique.
Après la découverte du lien entre l'électricité et le magnétisme en 1821 par le chimiste danois Hans Christian Ørsted, les physiciens britanniques Michael Faraday et Peter Barlow font dès l'année suivante la démonstration de dispositifs transformant un courant électrique en un mouvement,
En 1887, le physicien serbe Nikola Tesla dépose le premier brevet du moteur électrique actuel, à courant alternatif.
Les moteurs électriques sont tous réversibles : ils sont capables de produire du courant électrique si on les fait tourner par un moyen mécanique. C'est pourquoi les spécialistes préfèrent parler de machines électriques."
Source : https://fr.vikidia.org/wiki/Moteur_%C3%A9lectrique
Il y a de nombreux types de moteurs électriques : moteurs à courant continu (peu utilisé de nos jours), moteur universel (électroménager, outillage électrique), moteur synchrone (TGV, alternateurs), moteur asynchrone (train, tram, voiture électrique), moteur sans balais (disques durs, graveurs dvd).
Pour tous les moteurs, le mouvement résulte de la force dite « de Lorentz » à laquelle les charges électriques (électrons dans les fils métalliques) sont soumises lorsqu’elles se déplacent dans un champ magnétique.
Le moteur électrique asynchrone ayant aujourd’hui le plus d’importance dans le domaine de l’électromobilité, nous allons expliquer son fonctionnement en détail.
Comment fonctionne un moteur électrique asynchrone?
Prenez un aimant dans la main et approchez-le de l’aiguille magnétique d’une boussole. Cette aiguille réagit immédiatement en changeant de direction : dans le champ magnétique de votre aimant, l’aiguille est sollicitée par une force magnétique.
Tournez l’aimant autour de la boussole et vous verrez l’aiguille tourner avec l’aimant. Le champ magnétique tournant de votre aimant a entraîné l’aiguille.
Au lieu de tourner l’aimant vous disposerez trois électroaimants fixes, parcourues par des courants alternatifs déphasés tel que le champ magnétique résultant tourne autour de l’aiguille de la même façon que précédemment. L’aiguille tournera avec ce champ tournant. Vous aurez réalisé un moteur électrique, rudimentaire il est vrai.
Quelques explications supplémentaires...
Champ magnétique et electroaimants
Un champ magnétique est une région de l’espace dans laquelle des actions magnétiques peuvent être mises en évidence. Ces actions magnétiques sont des forces s’exerçant sur des aimants, des courants électriques ou bien des particules électriquement chargées en mouvement. (En fait, des particules chargées en mouvement sont équivalents à un courant électrique.)
Or, de telles forces sont exercées par les aimants et les courants placés à proximité. Les régions de l’espace entourant les aimants et les courants électriques sont donc des champs magnétiques.
Autour de notre planète Terre règne également un champ magnétique. Il est dû au mouvement des matières fluides à l’intérieur de la Terre, contenant des particules chargées.
Un champ magnétique peut être plus ou moins intense selon l’effet qu’il produit. Son intensité est exprimée en teslas (T). Le champ créé par un aimant ordinaire se situe à environ 10-3 T. Le champ terrestre vaut en moyenne 5∙10-5 T à proximité de la Terre. Un champ de même intensité règne à 4 mm d’un fil parcouru par un courant de 1 A. Pour obtenir un champ plus fort, il faut disposer un grand nombre de fils parcourus chacun par un fort courant.
Les électroaimants créent ainsi un champ magnétique plus ou moins puissant grâce à des bobines à un grand nombre de spires. Ces bobines comportent en plus un noyau de fer (fermé) qu’s’aimante dans le champ de la bobine renforçant celui-ci.
Force de Lorentz
Toute charge électrique se déplaçant à travers un champ magnétique subit une force de Lorentz d’autant plus grande que et la charge, et la vitesse de la charge, et le champ sont plus importants, et que l’angle entre la vitesse et le champ est plus proche de 90°. Pour un angle de 0° (déplacement parallèle au champ), il n’y a pas de force de Lorentz. La force de Lorentz agit perpendiculairement à la fois au déplacement et au champ magnétique.
Pour une charge positive on pourra trouver le sens de la force de Lorentz à l’aide des doigts de la main droite : le pouce indique le déplacement, l’index le champ et le médius la force de Lorentz. Pour une charge négative (électron par exemple) le sens de la force de Lorentz est déterminé à l’aide de la main gauche.
Figure schématique : Les 3 électroaimants (en gris) créent un champ magnétique (direction en rouge) qui tourne. Ce champ entraîne l’aiguille de boussole (en bleu)
Afin de perfectionner ce moteur vous n’utiliserez plus d’aiguille mais un électroaimant mobile autour d’un axe. Cet électroaimant tournera également avec le champ tournant. Et il pourra entraîner un dispositif extérieur avec une certaine force, car vous avez maintenant la possibilité de créer un fort champ magnétique tournant (avec un fort courant dans les électroaimants fixes) et un fort électroaimant tournant (en y envoyant également un fort courant). En effet, les moteurs du tram sont sensés entraîner les roues du tram avec une grande force !
Un problème se pose : Comment amener un fort courant électrique dans un électroaimant qui tourne ? En connectant un fil électrique celui-ci se bobinerait lors de la rotation. Il faut réaliser des contacts glissants, avec risque d’étincelles et pertes d’énergie ! Il existe une très bonne autre solution, celle du moteur électrique asynchrone.
Vous vous souvenez encore du phénomène de l’induction électromagnétique ? Un courant électrique prend naissance dans un conducteur déplacé dans un champ magnétique ! C’est ainsi que fonctionnent les génératrices de courant : il fait tourner une bobine dans un champ magnétique et le courant naît dans les fils de la bobine. La raison intime est que les électrons (charges négatives) dans les fils sont déplacés à travers le champ et subissent la force de Lorentz qui les pousse parallèlement aux fils : ils se mettent alors en mouvement, c’est-à-dire, un courant électrique (induit) circule.
Il suffit de tourner une cage constituée de nombreux fils dans un champ magnétique pour créer du courant dans ces fils. Ou bien, et cela revient au même, de faire tourner le champ magnétique autour de la cage. Ce qui compte, c’est que les fils sont en mouvement relatif par rapport au champ magnétique. Ce n’est qu’à cette condition qu’un courant induit se produit dans les fils.
Figure schématique : Cage avec de nombreux fils, pouvant tourner autour de leur axe
Le courant dans les fils subit évidemment l’action du champ magnétique tournant. En fait les électrons se déplacent à travers ce champ et subissent, chacun, une minuscule force de Lorentz. Les innombrables forces de Lorentz s’exerçant sur les innombrables électrons en mouvement à travers les fils de la cage se transmettent sur ces fils. En fait, les électrons sont liés par le métal du fil et toute force qui s’exerce sur eux s’exerce directement sur le fil métallique.
C’est cette force-là, s’exerçant sur les fils de la cage qui font tourner la cage !
Figure schématique : La cage parcourue par des courants induits est entrainé par le champ tournant
En résumé, le champ tournant crée dans les fils de la cage des courants induits qui à leur tour subissent une force électromagnétique de la part du champ tournant. Pour cela il faut que la cage et donc les fils tournent moins vite que le champ magnétique, car le courant dans le fils ne se produit que si les fils sont en mouvement relatif par rapport au champ. Ce type de moteur est appelé moteur asynchrone car il ne tourne pas à la même vitesse de rotation que le champ tournant, mais à une vitesse légèrement inférieur. Il n’y a pas de synchronisme entre le champ tournant et la vitesse de rotation du moteur.
Le couple (moment de force) des forces électromagnétiques agissant sur la cage finissent par augmenter la vitesse de rotation de celle-ci jusqu’à ce qu’elle égale celle du champ tournant. Il n’y a alors plus de mouvement relatif entre cage et champ tournant, donc plus de courants induits dans la cage, donc plus de couple. La vitesse de rotation du moteur va donc diminuer, les courants induits se réinstallent, le couple du moteur augmente, la cage accélère. Finalement la vitesse de rotation du moteur est légèrement inférieure à celle du champ tournant. L’écart entre ces vitesses est d’autant plus grand que le couple à fournir par le moteur est élevé.
Comment le moteur permet-il d’accélérer ?
Si on veut que le tram accélère, les moteurs qui transmettent leur mouvement aux roues du tram doivent tourner de plus en plus vite. Par cela il faut que le couple des moteurs soit plus ou moins constant. La vitesse de rotation du champ tournant doit donc augmenter progressivement afin qu’elle reste toujours supérieure à celle du moteur. Et cela se fait en augmentant la fréquence des courants alternatifs à travers les 3 électroaimants fixes.
Comment le moteur permet-il de freiner ?
Si on diminue la fréquence des courants alternatifs à travers les trois électroaimants fixes, le champ magnétique tourne moins vite que le moteur. Le mouvement relatif de la cage par rapport au champ est alors inversé. Les courants induits circulent dans l’autre sens à travers les fils de la cage, les forces de Lorentz agissent également dans l’autre sens. Les forces électromagnétiques sur les fils sont donc inversées et un couple de freinage s’exerce sur le moteur et donc sur les roues du tram. Pour que le freinage perdure, il faut en même temps abaisser la fréquence de rotation du champ tournant. Car il n’y freinage que si le moteur tourne plus vite que le champ tournant !
L’énergie cinétique du tram est convertie en énergie électrique que les moteurs fournissent. On ne parle donc de moteurs mais de générateurs. Ou bien, tout court de machine asynchrone !
Comment fonctionne le générateur asynchrone ?
Lorsque la machine asynchrone fonctionne en moteur, les électroaimants reçoivent de l’énergie électrique de la caténaire, ou bien puisent dans les réserves d’énergie des accumulateurs lithium-ion.
Lorsqu’elle fonctionne en générateur ces mêmes électroaimants fournissent de l’énergie électrique à la caténaire et aux accumulateurs. Et cela se fait également par le phénomène de l’induction électromagnétique.
Appelons enfin les choses par les noms généralement employés par les physiciens et les ingénieurs : l’ensemble des électroaimants fixes s’appelle stator, la cage tournante rotor.
Le stator crée en champ tournant, le rotor est le siège d’un courant induit qui lui aussi crée un champ magnétique tournant, à une vitesse légèrement supérieure à celle du stator dans le cas du générateur. (Pour que le champ du rotor soit renforcé la cage du rotor est remplie par du fer. Pour la même raison, les électroaimants du stator ont également des noyaux de fer !)
Il y a asynchronisme, donc mouvement relatif entre le champ du stator et celui du rotor. Le stator induit dans le rotor une tension électrique (et donc un courant) : il lui transmet de l’énergie électrique.
De même, le rotor crée dans le stator une tension induite et lui transmet donc aussi de l’énergie électrique. C’est cette énergie-là qui est récupérée et réinjectée dans la caténaire ou bien les accumulateurs lithium-ion.
La tension de la caténaire peut ainsi augmenter jusqu’à 900 V. L’énergie est utilisée par une autre rame connectée au même tronçon de ligne en train d’accélérer. Si l’énergie ne pouvait pas être utilisée tout de suite elle pourrait être convertie en chaleur dans des résistances, ce qui constituerait évidemment une perte d’énergie pure et simple. Dans ce cas il est préférable de charger les accumulateurs qui se trouvent à bord.
Auteur : André Mousset
Figures schématiques : André Mousset
Infobox
La charge électrique est « une propriété » (on n’en connaît pas encore la nature intime !) de certaines particules qui interagissent entre elles. Jusqu’à ce jour on a détecté deux sortes de charges : l’une est appelée « charge positive », l’autre « charge négative ». Les particules à même type de charge se repoussent tandis que les particules à types de charge différents s’attirent.
Les électrons ont tous une même charge négative. Ils se repoussent entre eux. Les protons sont tous une même charge positive et se repoussent également mutuellement. Par contre les électrons et les protons s’attirent. Les neutrons ne possèdent pas de charges donc n’interagissent pas de cette façon avec les électrons ou les protons.
La charge d’une particule est mesurable. Il se trouve que l’électron et le proton ont la même charge au signe près. C’est d’ailleurs la plus petite charge qu’on a pu détecter jusqu’à ce jour dans l’univers. Pour cette raison on l’appelle « charge élémentaire ». Elle est notée « e » : e = 1,6 10-19 C.
1 C = 1 coulomb : c’est l’unité de mesure avec laquelle on exprime la charge.
La tension électrique par rapport à la terre est l’énergie électrique que possède une charge de 1 C par rapport à la terre. Elle est mesurable et exprimée en volt.
En effet, une même particule chargée peut avoir beaucoup ou peu d’énergie, ou bien même n’avoir pas d’énergie du tout.
La tension électrique est encore appelée « différence de potentiel électrique ». On peut dire : la ligne aérienne de contact a un potentiel de 750 V et les rails reliés à la terre ont le potentiel 0 V. La tension entre la ligne et les rails (= la différence de potentiel entre la ligne et les rails) vaut alors 750 V.
La terre est par définition toujours au potentiel 0 V.
Un déplacement collectif de particules chargées est appelé « courant électrique ». Or ce sont justement les particules chargées qui possèdent l’énergie électrique. Un courant électrique correspond donc à un transport d’énergie électrique d’un endroit à un autre.
Dans les métaux, les particules chargées susceptibles de créer un courant électrique sont les électrons. En effet chaque atome dispose de un, deux, …, électrons libres, c’est-à-dire, non liés à l’atome. Ces électrons peuvent donc se déplacer à travers l’ensemble du corps métallique et former éventuellement un courant électrique. Pour cette raison les métaux font partie des substances qui conduisent le courant électrique : les « conducteurs électriques ». La vitesse de déplacement des électrons est environ 1 mm/s.
D’autres substances solides ne permettent pas la mise en mouvement collectif des électrons car tous les électrons sont liés aux atomes ou aux molécules. Ces matériaux sont appelés « isolants électriques ».
Dans les liquides, les particules chargées mobiles sont des ions, c’est-à-dire, des atomes, des molécules ou des fragments de molécules ayant un, deux, …, électrons en excès (ions négatifs) ou en défaut (ions positifs). La vitesse de déplacement des ions y est environ 0,01 mm/s.
Dans les gaz, les particules chargées sont à la fois des ions et des électrons. La vitesse de déplacement varie beaucoup et peut être très grande.
Le courant électrique n’est détectable que pas ses effets : échauffement, réactions chimiques dans les liquides, apparition d’un champ magnétique, émission de rayonnements lumineux.
Le courant électrique circule dans un circuit électrique fermé, c’est-à-dire, en partant d’un point, à travers un ensemble de conducteurs électriques, et revenant au point de départ. Pour qu’un courant prenne naissance il faut que deux points du circuit aient des potentiels électriques différents. C’est-à-dire qu’il existe une tension électrique entre deux points du circuit. Le rôle de créer cette tension revient au générateur électrique placé dans le circuit : pile, accumulateur, génératrice, cellule photovoltaïque, …
L’intensité de courant électrique est la quantité de charge qui traverse une section du conducteur par seconde. Elle correspond au débit de l’eau s’écoulant dans une rivière.
Elle est mesurable et exprimée en ampère. Un fil est traversé par un courant de d’intensité 1 A si une charge de 1 C traverse la section du fil en 1 seconde.
Plus l’intensité est élevée, plus l’énergie transportée par le courant est élevée, et plus les effets du courants sont donc importants : échauffement plus important, davantage de réactions chimiques par unité de temps, champ magnétique plus fort, effet lumineux plus important.
Les générateurs de tension continue ont un pôle positif fixe et un pôle négatif fixe. Exemple : pile ou accumulateur. Par définition le courant électrique sort du pôle positif et circule vers le pôle négatif par lequel il entre. Or, si le courant est dû à des électrons (de charge négative), les électrons sortent du générateur par le pôle négatif et rentrent par le pôle positif. Un tel courant est continu car il circule toujours dans le même sens.
Les générateurs de tension alternative changent constamment de polarité. Cela veut dire que le courant circule tantôt dans un sens, tantôt dans l’autre sens. Le courant est alternatif.
- http://www.energie.ch/asynchronmaschine
- http://home.teleos-web.de/vsteinkamp/antriebe/asynchronmotor/asynchronmotor.htm
- http://www.elektro-archiv.de/?artikel=Drehstrom-Asynchronmaschine
- https://www.homofaciens.de/technics-electric-motors-asynchronous-motor_ge.htm
- https://de.wikipedia.org/wiki/Drehstrom-Asynchronmaschine
- http://lycees.ac-rouen.fr/maupassant/site2/BEPME/sujet03_04/com_tech/moteur_asynchrone.pdf
- https://fr.vikidia.org/wiki/Moteur_%C3%A9lectrique
