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Machine électrique

Une machine électrique est un dispositif permettant la conversion d'énergie électrique en travail ou énergie mécanique :

  • Produit d'un couple par un déplacement angulaire pour les moteurs rotatifs,
  • Produit d'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf....) par un déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale,...) linéaire pour les moteurs linéaires.
Différent type de moteurs.
Différent type de moteurs.

Machines tournantes

Généralités sur les machines électriques

Machine à courant continu (Une machine à courant continu est une machine électrique : convertisseur électromécanique permettant la conversion bidirectionnelle d'énergie entre une installation électrique parcourue par un courant...)

Voir l'article de fond Machine à courant continu.

Un des premiers moteurs électromagnétiques a été fabriqué par Michael Faraday en 1821. Il était composé comme suit :

  • Un fil électrique (Un fil électrique, ou câble électrique est un organe fait d'un matériaux conducteur servant au transport de l'électricité. Il peut être mono-brin ou multi-brin, entouré ou non d'une enveloppe isolante...) formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par son...) une boucle plonge dans un récipient de mercure.
  • Un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous). Cela lui donne des propriétés particulières comme...) permanent est placé au milieu du récipient.
  • Quand le courant passe à travers le fil électrique, le fil tourne autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de l'aimant, démontrant que le courant génère un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout...) autour du fil électrique.

Ce moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) rudimentaire est toujours utilisé en démonstrations pendant les cours de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...), mais il pose un grave problème : il utilise du mercure qui est un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) très toxique.

Le premier vrai moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie (éolienne, chimique,...) électrique rotatif fut la roue (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) de Barlow (1822).

La première dynamo (Abréviation de dynamoélectrique, dynamo désigne une machine à courant continu fonctionnant en générateur électrique. Elle a été inventée en Belgique en 1869 par Zénobe Gramme. La dynamo repose sur un principe...) industrielle, la " Machine de Gramme " de Zénobe Gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.), est présentée à l'académie des sciences (Une académie des sciences est une société savante dont le rôle est de promouvoir la recherche scientifique en réunissant certains des chercheurs les plus éminents, en tenant des séances au cours desquelles des...) en 1871. Hippolyte Fontaine, son financier, découvre sa réversibilité et donc, le premier moteur électrique industriel.

Machines à courant alternatif (Le courant alternatif est un courant électrique qui change de sens.)

Les machines à courant alternatif sont reliées directement au réseau de distribution (Le mot réseau (du latin retis) est apparu pour la première fois dans la langue française sous la forme "resel", au XII ème siècle. Employé dans un premier temps, dans le domaine textile, de la biologie, du...) soit en monophasé soit en triphasé (Le triphasé est un système de trois tensions sinusoïdales de même fréquence qui sont déphasées entre elles (de 120 ° ou ?π radians dans le cas idéal). Si la fréquence est de 50 Hz par exemple, alors les trois...). Pour les applications de faible et moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...) puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) (jusqu'à quelques Ch) le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) monophasé standard suffit. Pour des applications de forte puissance, les moteurs alternatifs sont généralement alimentés par une source de courants polyphasés. Le système le plus fréquemment utilisé est alors le triphasé (phases décalés de 120°) utilisé par les distributeurs d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche...).

Ces moteurs alternatif se déclinent en trois types :

  • Les moteurs universels;
  • Les moteurs asynchrones;
  • Les moteurs synchrones.

Ces deux dernières machines ne diffèrent que par leurs rotors.

Les moteurs universels

Voir l'article de fond : Moteur universel.

Ce sont en fait des machines à courant continu de type " série ", avec un stator feuilleté afin d'éviter que le courant statorique alternatif n'y induise trop de courants de Foucault (On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux...). Ils sont utilisés dans des dispositifs exigeant un couple assez fort, tel qu'un robot (Un robot est un dispositif mécatronique (alliant mécanique, électronique et informatique) accomplissant automatiquement soit des tâches qui sont généralement dangereuses,...) de cuisine (La cuisine est l'ensemble des techniques de préparation des aliments en vue de leur consommation par les êtres humains (voir cuisinerie). La cuisine...), l'outillage électroportatif de faible puissance (jusqu'à 1200 W) ou encore les aspirateurs. La vitesse de rotation de ces moteurs peut être facilement réglée par un dispositif peu coûteux tel qu'un gradateur (Un gradateur est un dispositif de l'électronique de puissance destiné à modifier un signal électrique dans le but de faire varier sa tension efficace de sortie et de...) (variateur servant à régler l'intensité lumineuse des luminaires).

Les moteurs Brushless

Moteur
Moteur

Un moteur brushless est un moteur synchrone, dont le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et auquel est adjoint un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...) de position rotorique (capteur à effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une tension perpendiculaire à ceux-ci.), synchro-résolver, codeur incrémental par exemple). Vu de l'extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation Brushless vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun balais. Par contre un système électronique de commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques. Ce dispositif peut être soit intégré au moteur, pour les petites puissances, soit extérieur. Le rôle de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) capteur-électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage du moteur c'est-à-dire l'orthogonalité du flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est...) rotorique par rapport au flux statorique, rôle autrefois dévolu à l'ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu.

Les moteurs Brushless équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD (Le DVD officiellement Digital Versatile Disc - même si d'autres dénominations sont employées - est un disque optique numérique exploité pour la sauvegarde et le...) de nos ordinateurs. Il sont également très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères et de voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée...).

Les machines synchrones

Voir l'article de fond : machine synchrone.

Générateur

La machine synchrone est souvent utilisée comme génératrice. On l'appelle alors alternateur. Mis à part pour la réalisation de groupe électrogène (Un groupe électrogène est un dispositif autonome capable de produire de l'électricité. La plupart des groupes sont constitués d'un moteur thermique qui actionne un alternateur. Leur taille et leur poids peuvent varier de quelques...) de faible puissance, cette machine est généralement triphasée. Pour la production d' électricité, les centrales électrique utilisent des alternateurs dont les puissances peuvent avoisiner les 1500 MW.

Comme le nom l'indique, la vitesse de rotation de ces machines est toujours proportionnelle à la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) des courants qui la traversent. Ce type de machine peut-être utilisé pour relever le facteur de puissance (Le facteur de puissance est une caractéristique d'un récepteur électrique.) d'une installation. On appelle celle-ci un Compensateur synchrone.

Moteur

Les machines synchrones sont également utilisées dans les systèmes de traction (tel le TGV). Ces machines sont associées à des onduleurs de courants, ce qui permet de fixer le couple moteur moyen constant avec un minimum de courant. On parle d'autopilotage (asservissement des courants statoriques par rapport à la position du rotor).

Les machines asynchrones

Voir l'article de fond : machine asynchrone.

Inventée par Tesla, la machine asynchrone (ou machine à induction, ce dernier terme est plutôt " anglo-saxon "), est la machine électrique (Une machine électrique est un dispositif permettant la conversion d'énergie électrique en travail ou énergie mécanique :) la plus répandue, car c'est actuellement celle qui offre le meilleur rapport qualité prix.

Comme le nom l'indique, la vitesse de ces machines n'est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui la traversent.

Ces machines étaient uniquement utilisées en moteur mais, grâce aux progrès de l'électronique de puissance (L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les dispositifs (convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie électrique.), il est de plus en plus fréquent qu'elles puissent être utilisées en génératrice.

Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage. Pour des applications de forte puissance, les moteurs asynchrones sont uniquement alimentés par des systèmes de courants triphasés

  • Modulation de largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un rectangle, l'autre...) d'impulsion

Les machines autosynchrones

Ce sont des machines synchrones dont le démarrage se fait en asynchrone et lorsque la fréquence de rotation est proche du synchronisme (Le synchronisme désigne le caractère de ce qui se passe en même temps, à la même vitesse. L'adjectif synchrone définit deux processus qui se déroulent de manière synchronisée.), le rotor s'accroche au champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) statorique en se synchronisant sur la vitesse du champ magnétique.

Caractéristiques communes des machines à courant alternatif

Excepté pour le moteur universel, la vitesse des machines à courant alternatif est généralement liée à la fréquence des courants qui traversent la machine.

ll existe une grande variété de moteurs hybrides (par exemple " asynchrone synchronisé " dans les pompes de lave-vaisselle).

Moteurs pas à pas

Voir l'article de fond Moteur pas à pas.

Un autre genre de moteur électrique est le moteur pas à pas. Un rotor interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à...) contenant des aimants permanents est déplacé par un ensemble d'électroaimants placés dans le stator commutés par une électronique de puissance. L'alimentation ou non de chacun définit une position angulaire différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à...). (L'enchaînement permet le mouvement.) Les moteurs pas à pas simples ont un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) limité de positions, mais les moteurs pas à pas à commande proportionnelle (alimentation variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques,...) des bobines) peuvent être extrêmement précis. On parle alors de "demi-pas" puisque le moteur peut s'équilibrer entre deux pas.

Ces moteurs commandés par une électronique numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) sont une des formes les plus souples des systèmes de positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible, différente et attractive au sein d’un marché et dans l’esprit des...), en particulier dans les organes servocommandés numériquement : exemple, les moteurs de positionnement des têtes de lecture/écriture des disques dur d'ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des données sous forme...) ont longtemps été positionnées par ce type de moteur, désormais trop lents pour cette application, ils ont été remplacés par des moteurs linéaires à impulsion beaucoup plus rapides.

Principe de fonctionnement

Type de moteur pas à pas

Électronique de commande moteurs pas à pas

Moteurs linéaires

Un moteur linéaire est essentiellement un moteur électrique qui " a été déroulé " de sorte qu'au lieu de produire un couple (rotation), il produise une force linéaire sur sa longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) en installant un champ électromagnétique (Le champ électromagnétique est le concept central de l'électromagnétisme. On le conçoit souvent comme composition des deux champs vectoriels que l'on peut mesurer indépendamment : le champ électrique E et le champ...) de déplacement. Ils se divisent en ceux à accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle...) faible utilisés dans le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) aussi bien le Transrapid (Le Transrapid est un train monorail allemand utilisant la lévitation magnétique. Sur la base d'une ébauche datant de 1934, la mise au point de l'actuel Transrapid débuta en 1969. Sa piste d'essai se trouve à Lathen, en...) que le SkyTrain (SkyTrain ou Skytrain), et ceux à accélération rapide dans les armes comme le canon magnétique et les engins spatiaux.

Dans la même catégorie figurent les Pompes électromagnétiques à induction qui permettent de véhiculer un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui...) conducteur. Les premiers essais de ce type de machine ont été fait avec du mercure puis du NAK (mélange de Sodium/Potassium). Les grandes réalisations industrielles concernent la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) du sodium dans certains types de réacteurs nucléaires et des pompes doseuses d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.).

  • électro-aimant
  • sustentation électromagnétique (Il existe deux concepts fondamentaux permettant de faire léviter un objet.)
  • magnétohydrodynamique (La magnétohydrodynamique (MHD) est une discipline scientifique qui décrit le comportement d'un fluide conducteur du courant électrique (liquide ou gaz ionisé appelé plasma) en présence de champs...) (MHD)
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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