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TPE (2010-2011) 1 Modèle, Modélisation Les Moteurs électriques à courant continu Jérémy Chemla Bastien Nicolas.

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1 TPE ( ) 1 Modèle, Modélisation Les Moteurs électriques à courant continu 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 2

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

4 Introduction 4 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 5

6 A. Magnétisme 6 Lignes de champ dun aimant permanent Lignes de champ dun solénoïde Lignes de champ avec limaille de fer

7 C. Magnétisme Conducteur rectiligne parcourut par un courant I Mise en évidence de la Force de Laplace 7

8 A. Magnétisme Intensité du champ en fonction du nombre de spire et du noyau 8 Électroaimant

9 B. Principes de fonctionnement Deux parties – Le Stator – Le Rotor Carter et aimants permanent Rotor complet Balais et collecteur 9

10 B. Principes de fonctionnement Représentation des forces de Laplace dans le moteur Bobinage du rotor 10

11 B. Principes de fonctionnement U = E + R. I Vitesse : = E / k = U – R. I / k Couple : C = k. I Puissance électrique : P élec = U. I Puissance mécanique : P méca = C. Rendement : n = P méca / P élec 11

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

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

14 A. Conception 14 Mise en fonctionnement du moteur

15 A. Conception 2 ème 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 15 Matériel nécessaire Montage Idée prise sur :

16 A. Conception 16 Mise en fonctionnement du moteur

17 A. Conception Vidéo 2 ème moteur Vidéo 2 ème moteur 17 2 ème moteur

18 A. Conception 3 ème 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 18 Notre moteur

19 A. Conception 19 Fabrication du rotor

20 A. Conception 20 StatorRotor Vidéo 3 ème moteur Vidéo 3 ème moteur

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 dacier 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 21

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

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

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

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

26 B. Expérimentations Mesure de la vitesse en fonction de la tension 26 Valeurs expérimentales Graphique de la vitesse U (V)V (RPM) (rad.s -1 ) 5,248050, ,157560, ,567570, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,495547

27 B. Expérimentations Mesure du couple en fonction de lintensité 27 Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

28 B. Expérimentations Mesure du couple en fonction de lintensité 28 Valeurs expérimentales Graphique du couple I (A)Force (N)C (N.m)k 0,151,10,002750, ,191,50,003750, ,211,90,004750, ,252,50,006250,025 0,272,70,006750,025 0,2930,00750, ,323,30,008250, ,343,50,008750, ,374,10,010250, ,394,30,010750, ,414,50,011250, ,434,80,0120, ,4550,01250, ,485,10,012750, ,525,30,013250, ,

29 Conclusion 29 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 30 Comment fonctionne un moteur électrique à courant continu ? Un moteur électrique à courant continu convertit lénergie électrique en un champ magnétique à laide des plusieurs bobines (ou électroaimants) du rotor. Ce champ magnétique créé une force dattraction (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 1 ère 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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