TPE (2010-2011)

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Modèle, Modélisation

Les Moteurs électriquesà courant continu

Jérémy ChemlaBastien Nicolas

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Sommaire

Introduction

I. Fonctionnement du moteur à courant continuA. MagnétismeB. Principe de fonctionnement

II. Conception / ExpérimentationsA. ConceptionB. Expérimentation

Conclusion

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Introduction

Comment fonctionne un moteur électrique à courant continu ?

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Introduction

• Un moteur électrique à courant continu est une machine électrique permettant de convertir une énergie électrique en énergie mécanique.

Schéma éclectique

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I. Fonctionnement du moteur à courant continu

• A. Magnétisme• B. Principe de fonctionnement

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A. Magnétisme

Lignes de champ d’un aimant permanent

Lignes de champ d’un solénoïde

Lignes de champ avec limaille de fer

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C. Magnétisme

Conducteur rectiligne parcourutpar un courant I

Mise en évidence de la Force de Laplace

• •

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A. Magnétisme

Intensité du champ en fonction du nombre de spire et du noyau

Électroaimant

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B. Principes de fonctionnement

• Deux parties– Le Stator– Le Rotor

Carter et aimants permanent

Rotor complet

Balais et collecteur

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B. Principes de fonctionnement

Représentation des forces de Laplace dans le moteur

Bobinage du rotor

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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

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II. Conception / Expérimentations

• A. Conception• B. Expérimentations

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A. Conception

• 1er Moteur à courant continu (simple)– 50 cm de fil émaillé– Du fil de cuivre rigide dénudé (support/balais)– Un aimant

Fonctionnement

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A. Conception

Mise en fonctionnement du moteur

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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

Matériel nécessaire

Montage

Idée prise sur : http://bernard.gillot.pagesperso-orange.fr

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A. Conception

Mise en fonctionnement du moteur

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A. Conception

• Vidéo 2ème moteur

2ème moteur

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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– Deux aimants de HP– Deux support en acier avec vis pour les aimants

Notre moteur

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A. Conception

Fabrication du rotor

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A. Conception

Stator Rotor

• Vidéo 3ème moteur

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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

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A. Conception

Base du rotor, SolidWorks

Support des balais

Support du rotor

Support des aimants

Machine à prototypagerapide du lycée

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A. Conception

Brasure des collecteur

Finition du support des balais Montage du stator

Fabrication du support

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A. Conception

• Vidéo prototype final

2ème moteur

Rotor

Stator

Prototype achevé

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B. Expérimentations

• Mesure de la vitesse en fonction de la tension

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B. Expérimentations

• Mesure de la vitesse en fonction de la tension

Valeurs expérimentales Graphique de la vitesse

U (V) V (RPM) Ω (rad.s-1)5,2 480 50,26548256,1 575 60,21385926,5 675 70,68583477 905 94,7713784

7,8 1330 139,2772748,2 1500 157,0796339,1 1620 169,646003

10,1 1771 185,45868611,4 1863 195,09290412,4 1970 206,29791813,2 2130 223,05307814,4 2300 240,85543715,5 2440 255,51620216 2550 267,035376

16,7 2645 276,98375217,6 2800 293,21531418,9 3016 315,83478119,5 3156 330,495547

4 6 8 10 12 14 16 18 20 220

50

100

150

200

250

300

350

Vitesse

U (V)

Ω (r

ad.s-

1)

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B. Expérimentations

• Mesure du couple en fonction de l’intensité

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B. Expérimentations

• Mesure du couple en fonction de l’intensité

Valeurs expérimentalesGraphique du couple

I (A) Force (N) C (N.m) k0,15 1,1 0,00275 0,018333330,19 1,5 0,00375 0,019736840,21 1,9 0,00475 0,022619050,25 2,5 0,00625 0,0250,27 2,7 0,00675 0,0250,29 3 0,0075 0,025862070,32 3,3 0,00825 0,025781250,34 3,5 0,00875 0,025735290,37 4,1 0,01025 0,02770270,39 4,3 0,01075 0,02756410,41 4,5 0,01125 0,027439020,43 4,8 0,012 0,027906980,45 5 0,0125 0,027777780,48 5,1 0,01275 0,02656250,52 5,3 0,01325 0,02548077

0,02523345 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.550

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

Couple

I (A)

C (N

.m)

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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

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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.

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SourcesMerci à :

http://google.fr/

http://fr.wikipedia.org/

http://www.youtube.com

http://bernard.gillot.pagesperso-orange.fr

http://membres.multimania.fr/

http://forums.futura-sciences.com/

http://www.installations-electriques.net/

http://www.zeva.com.au/

http://sitelec.org/

http://home.scarlet.be/

http://lsc.univ-evry.fr/

http://2fbj.free.fr/

http://fr.academic.ru/

http://www.supermagnete.fr/

http://fabrice.sincere.pagesperso-orange.fr/

http://physilien.midiblogs.com/

http://www.electrons.ch/

http://www.tribunes.com/

http://www.garmanage.com/

http://subaru2.univ-lemans.fr/

Manuel de physique 1ère S, collection Parisi

… Et surtout aux professeurs encadrant et à toutes les personnes qui ont aidées à la réalisation du projet.