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Les Moteurs électriques à courant continu

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Présentation au sujet: "Les Moteurs électriques à courant continu"— Transcription de la présentation:

1 Les Moteurs électriques à courant continu
TPE ( ) Modèle, Modélisation Jérémy Chemla Bastien Nicolas

2 Sommaire Introduction I. Fonctionnement du moteur à courant continu
A. Magnétisme B. Principe de fonctionnement II. Conception / Expérimentations A. Conception B. Expérimentation Conclusion

3 Comment fonctionne un moteur électrique à courant continu ?
Introduction Comment fonctionne un moteur électrique à courant continu ?

4 Introduction Un moteur électrique à courant continu est une machine électrique permettant de convertir une énergie électrique en énergie mécanique. Schéma éclectique

5 I. Fonctionnement du moteur à courant continu
A. Magnétisme B. Principe de fonctionnement

6 A. Magnétisme Lignes de champ d’un aimant permanent
B à pour norme l’intensité du champ magnétique en Tesla Lignes de champ avec limaille de fer Lignes de champ d’un solénoïde

7 C. Magnétisme Conducteur rectiligne parcourut par un courant I
Lorsqu'un courant électrique circule dans un conducteur RECTILIGNE (fil, tige, etc..), un champs magnétique apparait autour de ce conducteur, ce champs magnétique prend la forme de cercles concentriques autour du conducteur rectiligne. Force de Laplace : Un conducteur traversé par un courant et placé dans un champ magnétique est soumis à une force dont le sens est déterminée par la règle des trois doigts de la main droite. ||F|| = ||B|| * I * L F force en N B intensité du champ en T I intensité électrique en A L longueur du conducteur à l’intérieur du champ externe en m Pouce: Sens du courant Index: Champ magnétique Majeur: Force de Laplace Conducteur rectiligne parcourut par un courant I Mise en évidence de la Force de Laplace

8 A. Magnétisme Électroaimant Intensité du champ en fonction du
Intensité du champ en fonction du nombre de spires, du noyau, de l’intensité, de la longueur Électroaimant Intensité du champ en fonction du nombre de spire et du noyau

9 B. Principes de fonctionnement
Deux parties Le Stator Le Rotor Le stator ou inducteur est la partie statique du moteur, il comprend le carter, l’inducteur ou aimant permanent et les balais D'un stator qui est à l'origine de la circulation d'un flux magnétique longitudinal fixe créé soit par des enroulements statoriques (bobinage) soit par des aimants permanents. Il est aussi appelé « inducteur » en référence au fonctionnement en génératrice de cette machine. Rotor complet Carter et aimants permanent Balais et collecteur

10 B. Principes de fonctionnement
Le courant I, injecté via les balais au collecteur, traverse un conducteur rotorique (une spire rotorique) et change de sens (commutation) au droit des balais. Ceci permet de maintenir la magnétisation du rotor perpendiculaire à celle du stator. La disposition des balais sur la « ligne neutre » (c'est-à-dire la zone où la densité de flux est nulle), permet d'obtenir la force contre-électromotrice (FCEM) maximum. Cette ligne peut néanmoins se déplacer par la réaction magnétique d'induit (influence du flux rotorique sur le champ inducteur) selon que la machine travaille à forte ou à faible charge. Une surtension, due en partie à la mauvaise répartition de la tension entre lames du collecteur et en partie à l'inversion rapide du courant dans les sections de conducteur lors du passage de ces lames sous les balais, risque alors d'apparaître aux bornes de la spire qui commute et de provoquer la destruction progressive du collecteur. Pour pallier cela, c’est-à-dire compenser la réaction d'induit, et aussi améliorer la commutation, on utilise des pôles auxiliaires de compensation/commutation. L'existence du couple s'explique par l'interaction magnétique entre stator et rotor : Le champ statorique (Bs sur le schéma) est pratiquement nul sur les conducteurs logés dans des encoches et n'agit donc pas sur eux. L'origine du couple reste la magnétisation transversale du rotor, inchangée au cours de sa rotation (rôle du collecteur). Un pôle statorique agit sur un pôle rotorique et le moteur tourne. Une manière classique mais simpliste de calculer le couple est de s'appuyer sur l'existence d'une force de Laplace (fictive) créée par le champ statorique (Bs sur le schéma) et agissant sur les conducteurs rotoriques traversés par le courant d'intensité I. Cette force (FL sur le schéma) qui résulte de cette interaction est identique en module pour deux conducteurs rotoriques diamétralement opposés, mais comme ces courants sont en sens inverse grâce au système balais-collecteur, les forces sont aussi de sens opposés. La force ainsi créée est proportionnelle à I et à Bs. Le couple moteur T est donc lui aussi proportionnel à ces deux grandeurs. La tige conductrice traversée au rotor par le courant I se déplace soumise au champ statorique Bs. Elle est donc le siège d'une FCEM induite (loi de Lenz) proportionnelle à Bs et à sa vitesse de déplacement, donc à la fréquence de rotation. L'ensemble de ces forces contre-électromotrices a pour conséquence l'apparition d'une FCEM globale E aux bornes de l'enroulement rotorique qui est proportionnelle à Bs et à la vitesse de rotation du moteur. Pour permettre au courant I de continuer à circuler, il faudra que l'alimentation électrique du moteur délivre une tension supérieure à la force contre-électromotrice E induite au rotor. Bobinage du rotor Représentation des forces de Laplace dans le moteur

11 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

12 II. Conception / Expérimentations
A. Conception B. Expérimentations

13 A. Conception 1er Moteur à courant continu (simple)
50 cm de fil émaillé Du fil de cuivre rigide dénudé (support/balais) Un aimant Fonctionnement

14 Mise en fonctionnement du moteur
A. Conception Mise en fonctionnement du moteur

15 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 Montage Matériel nécessaire Idée prise sur :

16 Mise en fonctionnement du moteur
A. Conception Mise en fonctionnement du moteur

17 A. Conception Vidéo 2ème moteur 2ème moteur

18 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

19 A. Conception Fabrication du rotor

20 A. Conception Vidéo 3ème moteur Stator Rotor

21 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

22 A. Conception Support du rotor Base du rotor, SolidWorks
Machine à prototypage rapide du lycée Support des aimants Support des balais

23 A. Conception Fabrication du support Brasure des collecteur
Finition du support des balais Montage du stator

24 A. Conception Vidéo prototype final Rotor Prototype achevé 2ème moteur
Stator

25 Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
B. Expérimentations Mesure de la vitesse en fonction de la tension Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

26 B. Expérimentations Mesure de la vitesse en fonction de la tension
U (V) V (RPM) Ω (rad.s-1) 5,2 480 50, 6,1 575 60, 6,5 675 70, 7 905 94, 7,8 1330 139,277274 8,2 1500 157,079633 9,1 1620 169,646003 10,1 1771 185,458686 11,4 1863 195,092904 12,4 1970 206,297918 13,2 2130 223,053078 14,4 2300 240,855437 15,5 2440 255,516202 16 2550 267,035376 16,7 2645 276,983752 17,6 2800 293,215314 18,9 3016 315,834781 19,5 3156 330,495547 Valeurs expérimentales Graphique de la vitesse

27 Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
B. Expérimentations Mesure du couple en fonction de l’intensité Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

28 Valeurs expérimentales
B. Expérimentations Mesure du couple en fonction de l’intensité I (A) Force (N) C (N.m) k 0,15 1,1 0,00275 0, 0,19 1,5 0,00375 0, 0,21 1,9 0,00475 0, 0,25 2,5 0,00625 0,025 0,27 2,7 0,00675 0,29 3 0,0075 0, 0,32 3,3 0,00825 0, 0,34 3,5 0,00875 0, 0,37 4,1 0,01025 0, 0,39 4,3 0,01075 0, 0,41 4,5 0,01125 0, 0,43 4,8 0,012 0, 0,45 5 0,0125 0, 0,48 5,1 0,01275 0, 0,52 5,3 0,01325 0, 0, Valeurs expérimentales Graphique du couple

29 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

30 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.

31 Sources Merci à : 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.


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