Une meilleure connaissance des moteurs électriques

Servomoteur, Induction, Brushless, Pancake

a marqué ce sujet comme résolu.

Bonjour à tous,

J’essaye de comprendre intégralement le fonctionnement des moteurs. Du mieux possible du moins, j’ai pas vraiment les études qui faut pour être spécialisé mais j’espère bien en apprendre plus.

A travers mon apprentissage j’ai cru comprendre des trucs qui semblait intuitif dans les PDF/vidéos que j’ai vue, mais qui sont peut-être faux ? Alors j’ai envie de vous montrer ce que j’ai pigé, comme ça si vous voyez des conneries vous me le faites savoir. A l’inverse si vous pouviez valider :magicien: ce qui est juste ça serait parfait.

Moteur général

Bon un moteur de manière général c’est constitué d’un rotor et d’un stator. L’un sera donc mobile autour d son axe de symétrie et l’autre ne bougera pas et fera partie de la structure fixe.

Au départ j’ai cru que le stator c’était forcément le niveau où il y a des bobines, parce que c’est pas simple de faire tourner des fils dans tout les sens. Puis j’ai vue les modèles $\mathrm{Brush}$ qui semblent être justement basé sur ce principe. Donc j’y reviendrais plus tard

Le stator ou le rotor peut être constitué :

  • de bobines que l’on polarisera
  • d’aimants (ou d’autres bobines) alternativement disposé

Rappel : une bobine se comporte comme un aimant (quand elle est conçue pour ça)

Le principe est donc de convertir une énergie électrique en mouvement (énergie mécanique). Les aimants de même polarité se repoussent et génère une force de répulsion dont on peut se servir dans un moteur. On va par exemple avoir le couple, à un instant $t$ :

  • $\mathrm{Aimant\;Sud}$ et $\mathrm{Bobine\;polarisée\;Sud}$

Suite à ça le rotor va bouger (puisque le stator est statique) pour éviter cette configuration. Et on se retrouve, dans les cas les plus simple avec la face, cette fois, $\mathrm{Nord\;de\;l'aimant}$ face à la $\mathrm{Bobine\;polarisée\;Sud}$ .

Donc on se sert de ce mouvement de rotation (le rotor ici c’est l’aimant) :

Répulsion.

Ce mouvement de répulsion est déjà un pas vers la conception d’un convertisseur d’énergie. Un mouvement est déjà initié. Et pour le rendre plus uniforme il va falloir utiliser plusieurs bobines.

Une amélioration est faisable pour augmenter le couple de la rotation qu’on vient de voir.

  • La face de l’aimant (bleue) est repoussée par la face de la bobine (bleue) $F_1$
  • Une fois à mi chemin c’est la face de la bobine (bleue) qui attire la face opposé (rouge) de l’aimant $F_2$

A l’aide d’un deuxième aimant on peut obtenir :

Augmentation du couple.
  • La face de l’aimant (bleue) est repoussée par la face de la bobine droite (bleue) $F_{1d}$
  • La face de l’aimant (rouge) est repoussée par la face de la bobine gauche (rouge) $F_{1g}$
  • Une fois à mi chemin c’est la face de la bobine droite(bleue) qui attire la face opposé (rouge) de l’aimant $F_{2d}$
  • Une fois à mi chemin c’est la face de la bobine gauche (rouge) qui attire la face opposé (bleue) de l’aimant $F_{2g}$

On peut multiplier cette idée à l’infinie si l’on arrive gérer la polarité des bobines de manière synchronisé avec le parcours de l’aimant.

Maintenant qu’on peut lui faire faire 1 tour complet à notre aimant, tout est près non ?

D’après moi pas vraiment. Il nous reste encore 2 trucs à élucider :

  • Comment le faire continuer à tourner ?
  • Comment lui éviter la marche arrière ?

Une bobine ça s’alterne ?

Là c’est assez chiant parce que justement je crois que c’est ce qui se passe, sans en être sûr ???

Une bobine selon son sens de spirale va donner un champ "Nord/Sud" ou un champ "Sud/Nord" (la direction change). Mais c’est aussi dépendant du sens de courant que l’on va mettre à l’intérieur, si l’on change le sens du courant la bobine changera la direction de sa polarité.

Dans un cas idéale ça donne ça :

Nickel.

Mais comme je l’ai pressenti il faut lui éviter la marche arrière… C’est un cas qui peut se produire :

Aller-retour non souhaité.

C’est là que ça devient intéressant de guider encore plus la bobine. Lui éviter de rentrer dans le cas de figure "demi-tour" via des bobines supplémentaires; Par exemple :

Ça devient un peu compliqué à suivre alors je vous propose cette animation un peu plus claire mais abstraite :

La zone bleue de l’aimant est repoussé par la zone rouge. Mais cette même zone bleu de l’aimant est arrivé par la zone rouge, donc l’aiment fuit l’une des zones et est attiré par l’autre. Et ça avec plus de bobines ça donne un mouvement fluide et homogène.

Question : on inverse juste le sens du courant pour changer la polarité de la bobine ?

Moteur Brush

Les moteurs possédant des brush sont opposé aux moteurs dit brushless. En gros "brush" c’est un système de connexion entre un rotor et un stator. Cette connexion créer des contacts selon l’angle auquel il est orienté. On peut imaginer avoir plein de bobines, mais seulement 2 en marche à chaque instant :

A un même instant seulement 2 bobines sont allumés. Les autres ne sont pas branchées. C’est ainsi qu’on force l’aimant à suivre pas à pas un trajet défini. Il existe donc un système mécanique pour débranché les autres bobines au fur et à mesure. Les connecteurs qui effectuent la connexion c’est eux les "brush". Ils sont en contact avec la partie rotative donc ils s’usent néanmoins.

Ces contacts pouvant s’usé, cela en fait un moteur avec une faible durée de vie. Souvent (sur les perceuse notamment) les brush sont échangeables et sont des petites mines sur ressorts faites pour s’usées d’une certaine manière.

Par contre vue qu’il n’y a que 2 bobines à chaque fois d’alimenté cela fait, de base, un moteur moins performant pour le couple qu’on peut en tirer.

Rappel : Dans un moteur avec bobines plus l’intensité est élevé plus le couple augmente. Si c’est la tension qui augmente c’est la vitesse de rotation (tour par minute) qui est plus importante

Moteur inductif pancake

Ces moteurs sont des moteurs électrique qui peuvent être plat (d’où le "pancake"). Mais cette configuration n’est pas obligatoire et intrinsèque aux moteurs inductifs. C’est juste que c’est ce modèle là qui m’intéresse vraiment pour sa forme.

Les bobines sont formé de manière à être très plate et à remplir un cercle. Une sorte d’optimisation. Sur le rotor sont disposé les aimant qui vont se trouver face à face aux bobines.

Imaginons un moteur inductif avec 6 bobines :

Schéma d’un moteur pancake 6 bobines

On voit que les aimant sont entraînés de la même manière que sur un moteur classique (celui avec 4 bobines). Ici on est donc 6 bobines qui travaillent, cela nous donne pas mal de couple et de rpm (rotation per minutes). Grace à ce système on peut fabriquer des ventilateurs de PC (c’est très plat) mais aussi des moteurs de stores (où le couple est augmenté via un engrenage).

GearBow What is it ?

Les engrenages servent à convertir une haute rapidité en un couple plus fort. Quand j’étais petit et que je jouais aux lego je n’avais pas compris l’importance du couple. Et j’me disais :

Waw, avec un engrenage on peut créer des tours jusqu’à l’infinie !

Mini-Blackline

Je n’avais pas constaté qu’il fallait que je donne énormément plus de force en entrée pour faire faire à la roue finale plus de tours. Sur un vélo c’est pareil on pédale comme des malade en vitesse 1, sans force mais avec énormément de tour par minutes du coups on créer un gros couple sur notre vélo et on peut ainsi franchir une montée par exemple.

Donc on a maintenant un autre lien entre couple et vitesse :

  • Les RPM superflues peuvent être convertis en force de traction via un engrenage
  • Un couple trop puissant peut être converti en plus de tour via un engrenage

Je crois d’ailleurs que les rapports on un sens physiquement :

$$ \dfrac{\Pi \left( Dents_{Menantes}\right)}{\Pi \left(Dents_{Menées}\right)} $$

mais je ne sais plus bien ce que ça signifie ?

[En cours de rédaction]

Moteur pas à pas
Servomoteur
Courant alternatif
Triphasé (étoile/triangle)
Questions diverses

[En cours de rédaction]

Vous pouvez dors et déjà me dire si vous voyez des fautes ou des précisions à ajouter. Je vous remercie pour le temps de lecture accordé à ce post.

+1 -0

Salut,
Pourquoi ne pas en faire un billet ou un tuto en bêta ?
Tu devrais préciser moteur électrique, avant de lire le contenu je ne savais pas si le sujet était les moteurs de jeux, ou encore les moteurs à combustion.
(J’essaierai de retrouver mes cours aussi, c’est pas un chapitre où j’ai été très attentif :euh: )

+1 -0

Aabu : je sens que je vais te harceler :ange:

Pas de tutoriel, j’y connais pas assez. J’essaye justement d’en savoir plus. Donc dans les premier jet j’vais raconter pas mal de conneries lol.

Malgré tout à la fin, les gens pourront en apprendre plus en voyant ça.

PS : J’me sens obligé d’être plus pédagogue et précis quand j’écris un contenu donc trop d’implication si ce que j’attend son des réponses. Sachant que les articles et tuto mettent 3 ans à être validés ^^

+0 -0

Me voilà ! Merci pour la relance par ailleurs.

Je ne vais pas revenir sur ton message initial pour le moment parce qu’il y a pas mal à commenter (en bien essentiellement :) ). Du coup, je vais essayer de donner une image globale simplifiée de la physique des machines tournantes. Pose des questions sur les points obscurs, parce que je n’ai pas d’images.

Il était une fois, la force de Lorentz

En électromagnétique, la force de Lorentz dit qu’une force s’applique sur de la matière parcourue par un courant électrique en les plongeant dans un champ magnétique.

Il existe différentes façon de générer un courant électrique dans un conducteur (réseau domestique, pile électrique, accumulateur, etc). Il existe également différentes manières de générer un champ magnétique (aimant, électroaimant, etc.).

Quand la géométrie s’en mêle

L’expression de la force de Lorentz révèle également que toutes les situations géométriques ne se valent pas. Pour avoir un maximum de force pour un courant électrique et un champ magnétique donnés, il faut que leurs directions soient orthogonales.

Lorsqu’on à seulement un fil, cela ne pose pas de problème (expérience du barreau sur les rails). Mais que se passe-t-il quand on plonge une boucle complète dans un champ magnétique ? Comme le courant "fait le tour" de la boucle, on aura par symétrie une force qui tire dans un sens et une autre équivalente dans l’autre sens : c’est ce qu’on appelle un couple. Si la boucle peut tourner, elle va se retrouver dans un plan perpendiculaire au champ magnétique, et s’arrêter là : elle a tendance à s’aligner avec le champ magnétique.

De la boucle qui s’aligne à la notion de moment magnétique

Ce qui se passe pour la boucle se passe également pour les aimants. Ils vont s’aligner avec le champs magnétique (cas des boussoles), bien qu’ils n’aient pas de courant électrique qui les parcourt1.

Cette observation physique a mené à la notion de moment magnétique. Le moment magnétique traduit la faculté d’un objet à s’aligner avec le champ magnétique. Une boucle parcourue par un courant a un moment magnétique, tout comme un aimant. Les deux ont donc tendance à s’aligner avec un champ magnétique.

Champ magnétique, moment magnétique et moteurs

On a vu qu’un moment magnétique et un champ magnétique avaient tendance à s’aligner : il est possible de faire un moteur ! Différent concepts existent, qui combinent différentes manières de générer le champ magnétique et le moment magnétique. Ils ont pour point commun de chercher à les désaligner au fur et à mesure.

  • machine à courant continu : moment magnétique d’un aimant par le stator, et champ magnétique tournant généré à partir d’une tension continue et d’un commutateur mécanique (collecteur) par le rotor.
  • machine synchrone à électroaimants : moment magnétique produit par une bobine alimentée dans le rotor, champ magnétique tournant produit par un système de bobines dans le rotor.
  • machine synchrone à aimants permanents : moment magnétique produit par un aimant au lieu d’une bobine.
  • moteur à induction (machine asynchrone) : champ tournant produit comme sur une machine synchrone, moment magnétique créé par induction dans les bobines du rotor.
  • moteur pas-à-pas : champ tournant produit par un système de bobines commutées électroniquement, moment magnétique par des aimants permanents dans le rotor.

Bonus : couple de reluctance

Dans tout ce que j’ai expliqué avant, on a parlé d’alignement entre le champ et le moment magnétique ; cette approche passe sous silence le fait qu’il y ait un circuit magnétique au sein du moteur.

Il se trouve que les circuits magnétiques tendent à minimiser leur énergie en minimisant "la quantité d’air" entre le rotor et le stator. Quand le rotor et le stator ont presque une symétrie de révolution, ce phénomène n’est pas sensible. Par contre, il est possible de créer exprès des dissymétries, ce qui conduit dans sa forme la plus pure aux machines à reluctance variable, qui fonctionnent seulement en commutant leurs phases.

La plupart des autres machines existent aussi en version "reluctante" (par exemple machine synchrone à pôles saillant, alors que la version non reluctante est dite à pôle lisses). Un des intérêts possible est d’avoir plus de couple.

  1. Leur alignement est dû à des propriétés plus fondamentales de la matière, mais c’est une longue histoire. ↩

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