comment fonctionne un moteur électrique—en théorie
Photo: un électricien répare un moteur électriqueà bord d’un porte-avions.Le métal brillant qu’il utilise peut ressembler à de l’or,mais c’est en fait du cuivre,un bon conducteur beaucoup moins cher. Photo de Jason Jacobowitz gracieuseté de la marine américaine.
le lien entre l’électricité, le magnétisme et le mouvement a été découvert à l’origine en 1820 par le physicien français André-MarieAmpère(1775-1867) et c’est la science fondamentale derrière un moteur électrique., Mais si nous voulons transformer cette découverte scientifique étonnante en une technologie plus pratique pour alimenter nos tondeuses électriques et nos brosses à dents, nous devons aller un peu plus loin. Les Inventeurs qui l’ont fait étaient les Anglais Michael Faraday (1791-1867) et William Sturgeon (1783-1850) et L’Américainanjoseph Henry (1797-1878). Voici comment theyarrived à leur invention brillante.
supposons que nous plions notre fil en une boucle carrée en forme de U afin qu’il y ait effectivement deux fils parallèles traversant le champ magnétique., L’un d’eux nous éloigne du courant électrique à travers le fil et l’autre ramène le courant. Parce que le courant circule dans des directions opposées dans les fils, la règle de gauche de Fleming nous dit que les deux fils se déplaceront dans des directions opposées. En d’autres termes, lorsque nous allumons l’électricité, l’un des fils se déplace vers le haut et l’autre se déplace vers le bas.
Si la bobine de fil pouvait continuer à se déplacer comme ça, elle tournerait en continu—et nous serions bien sur le point de fabriquer un moteur électrique. Mais cela ne peut pas arriver avec notre configuration actuelle: les fils s’emmêleront rapidement., Non seulement cela, mais si la bobine pouvait tourner assez, quelque chose d’autre se produirait. Une fois que la bobine a atteint la verticalposition, elle se retournerait, de sorte que le courant électrique coulerait à travers elle dans le sens inverse. Maintenant, les forces de chaquecôté de la bobine s’inverserait. Au lieu de tourner continuellement dans la même direction, il reculerait dans la direction qu’il venait d’arriver!Imaginez un train électrique avec un moteur comme celui-ci: il continuerait à bouger et à avancer sur place sans jamais aller nulle part.,
comment fonctionne un moteur électrique—en pratique
Il existe deux façons de surmonter ce problème. L’une consiste à utiliser une sorte de courant électrique qui inverse périodiquement la direction, ce qui est connu comme un courant alternatif (AC).dans le genre de petits moteurs alimentés par batterie que nous utilisons dans la maison, une meilleure solution consiste à ajouter un composant appelé un commutateur aux extrémités de la bobine. (Ne vous inquiétez pas du nom technique dénué de sens: ce mot légèrement démodé « commutation » est un peu comme le mot « commute »., Cela signifie simplement changer d’avant en arrière dans le mêmela manière que faire la navette signifie voyager d’avant en arrière.) Dans sa forme la plus simple, thecommutator est un anneau en métal divisé en deux moitiés distinctes etson travail est d’inverser le courant électrique dans la bobine chaque fois que thecoil tourne à travers un demi-tour. Une extrémité de la bobine est attachée àchaque moitié du commutateur. Le courant électrique de la batterieconnecte aux bornes électriques du moteur.,Ceux-ci alimentent l’énergie électrique dans le commutateur à travers une paire de branchements desserrés appelés brosses,fabriqués soit à partir de morceaux de graphite (carbone tendre similaire au crayon »plomb ») ou de fines longueurs de métal élastique,qui (comme son nom l’indique) « brosse » contre le commutateur. Avec thecommutator en place, lorsque l’électricité circule à travers le circuit, thecoil tournera continuellement dans la même direction.
Illustration: Un schéma simplifié de la pièces dans un moteur électrique. Animation: Comment cela fonctionne dans la pratique., Notez comment le commutateur inverse le courant à chaque fois que la bobine tourne. Cela signifie que la force de chaque côté de la bobine est toujourspushing dans la même direction, ce qui maintient la bobine en rotation dans le sens des aiguilles d’une montre.
un simple moteur expérimental comme celui-ci n’est pas capable de produire une grande puissance. Nous pouvons augmenter la force de rotation (ou le couple)que le moteur peut créer de trois façons: soit nous pouvons avoir un aimant permanent pluspuissant, soit nous pouvons augmenter le courant électrique coulant à travers le fil, soit nous pouvons faire la bobine de sorte qu’elle a beaucoup de »tours » (boucles) de fil très mince au lieu d’un « tour » de fil épais.,En pratique, un moteur a également l’aimant permanent courbé en forme acirculaire de sorte qu’il touche presque la bobine de fil qui tourne à l’intérieur. Plus l’aimant et la bobine sont rapprochés, plus la force que le moteur peut produire est importante.
bien que nous ayons décrit un certain nombre de pièces différentes, vous pouvez penser qu’un moteur n’a que deux composants essentiels:
- Il y a un aimant permanent (ou des aimants) autour du bord du boîtier du moteur qui reste statique, c’est ce qu’on appelle le stator d’un moteur.,
- à l’intérieur du stator, il y a la bobine, montée sur un essieu qui tourne à grande vitesse—et c’est ce qu’on appelle le rotor. Le rotor comprend également le commutateur.
moteurs universels
Les moteurs À COURANT CONTINU comme celui-ci sont parfaits pour les jouets alimentés par batterie (des choses comme les trains miniatures, les voitures radiocommandées ou les rasoirs électriques), mais vous ne les trouvez pas dans de nombreux appareils ménagers. Les petits appareils (comme les moulins à café ou les mélangeurs électriques) ont tendance à utiliser ce qu’on appelle des moteurs universels, qui peuvent être alimentés par CA ou CC., Contrairement à un simple Moteur À COURANT CONTINU, un moteur universel a un électroaimant, au lieu d’un aimant permanent, et il prend sa puissance du courant continu ou alternatif que vous alimentez:
- lorsque vous alimentez en COURANT CONTINU, l’électroaimant fonctionne comme un aimant permanent conventionnel et produit un champ magnétique qui pointe toujours dans la même direction. Le commutateur inverse le courant de la bobine chaque fois que la bobine se retourne, tout comme dans un simple Moteur À COURANT CONTINU, de sorte que la bobine tourne toujours dans la même direction.,
- lorsque vous alimentez en courant alternatif, cependant, le courant traversant l’électroaimant et le courant traversant la bobine s’inversent, exactement au pas, de sorte que la force exercée sur la bobine est toujours dans le même sens et que le moteur tourne toujours dans le sens horaire ou antihoraire. Ce qui sur le commutateur? La fréquence du courant change beaucoup plus rapidement que le moteur ne tourne et, comme le champ et le courant sont toujours en phase, peu importe la position dans laquelle se trouve le commutateur à un moment donné.,
Animation: fonctionnement d’un moteur universel: l’alimentation électrique alimente à la fois le champ magnétique et la bobine rotative. Avec une alimentation CC, un moteur universel fonctionne comme un moteur CC conventionnel, comme ci-dessus. Avec une alimentation en COURANT ALTERNATIF, le champ magnétique et le courant de la bobine changent de direction chaque fois que le courant d’alimentation s’inverse. Cela signifie que la force sur la bobine pointe toujours de la même manière.,
Photo: à l’intérieur d’un moteur universel typique: les pièces principales à l’intérieur d’un moteur de taille moyenne provenant d’un moulin à café, qui peut fonctionner en courant continu ou alternatif. L’électroaimant gris autour du bord est le stator (partie statique) et son alimenté par les bobines de couleur orange. Notez également les fentes dans le commutateur et les balais de charbon qui poussent contre lui, qui fournissent de l’énergie au rotor (partie rotative)., Les moteurs à Induction dans des choses telles que les trains de chemin de fer électriques sont beaucoup plus gros et plus puissants que cela, et fonctionnent toujours en utilisant un courant alternatif haute tension (AC), au lieu d’un courant continu basse tension (DC), ou le courant alternatif domestique modérément basse tension qui alimente les moteurs universels.
autres types de moteurs électriques
dans les moteurs simples à COURANT CONTINU et universels, le rotor tourne à l’intérieur du stator. Le rotor est une bobine connectée à l’alimentation électrique et le stator est un aimant permanent ou un électroaimant., Les grands moteurs À COURANT ALTERNATIF (utilisés dans des choses comme les machines d’usine) fonctionnent d’une manière légèrement différente: ils font passer le courant alternatif à travers des paires opposées d’aimants pour créer un champ magnétique rotatif, qui « induit » (crée) un champ magnétique dans le rotor du moteur, le faisant tourner. Vous pouvez en savoir plus à ce sujet dans notre article sur les moteurs à induction à COURANT ALTERNATIF. Si vous prenez l’un de ces moteurs à induction et à « déballer », de sorte que le stator est effectivement mis dans une longue piste continue, le rotor peut rouler dans une ligne droite., Cette conception ingénieuse est connue comme un moteur linéaire, et vous le trouverez dans des choses telles que les machines d’usine et les chemins de fer flottants « maglev » (lévitation magnétique).
un autre design intéressant est le moteur brushless DC (BLDC). Le stator et le rotor échangent efficacement, avec plusieurs bobines de fer statiques au centre et l’aimant permanent tournant autour d’eux, et le commutateur et les brosses sont remplacés par un circuit électronique. Vous pouvez en savoir plus dans notre article principal sur les moteurs de moyeu.Les moteurs pas à pas, qui tournent autour à travers des angles contrôlés avec précision, sont une variation des moteurs à courant continu sans balais.,
