Le moteur électrique et son fonctionnement

Que ce soient nos smartphones, nos voitures électriques ou nos machines industrielles, ces moteurs jouent un rôle vital dans notre société. 

En effet, ces moteurs électriques sont utilisés dans de nombreux types d’applications et de machines dont les puissances peuvent varier. Mais alors comment fonctionnent-ils réellement ? Ont-ils tous un principe différent puisque leurs caractéristiques varient ? Et bien non, et dans ce guide, nous allons vous montrez que malgré leurs différences, les moteurs électriques fonctionnent tous sur le même principe. Ils utilisent la propriété d'attraction des deux pôles d'un aimant ou d'un électro-aimant plus puissant et convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique entraînant ainsi le mouvement des objets.

Principe de fonctionnement 

Faire circuler un courant électrique dans une bobine, le mouvement des électrons génère un champ magnétique, la bobine se transforme en un aimant avec un pôle nord et un pôle sud, la bobine se met à tourner… Ça vous rappelle vos cours de physique-chimie ?C’est le principe de fonctionnement de base d’un moteur électrique.

En effet, le fonctionnement d'un moteur électrique est basé sur le principe bien établi de l'action-réaction. Selon ce principe, lorsqu'un courant électrique circule à travers une bobine conductrice placée dans un champ magnétique, il crée une force qui pousse le conducteur vers une direction particulière.

Un moteur électrique est composé de deux parties principales : le stator et le rotor. Le stator est la partie fixe du moteur et contient les bobines conductrices. Le rotor, quant à lui, est monté sur un axe qui permet sa rotation à l'intérieur du stator. Les pôles du rotor tournent alors librement, en continu : les pôles positifs attirent les négatifs, et inversement.

Les différents composants d’un moteur électrique

Les composants que vous retrouverez toujours dans n’importe quel type de moteur électrique sont les suivants : 

Le stator

Le stator est la partie fixe du moteur électrique. Il est composé de bobines en cuivre, appelées enroulements, qui sont réparties de manière régulière autour d'un noyau en fer laminé. Lorsque le courant électrique passe à travers les enroulements du stator, il génère un champ magnétique statique.

Le rotor 

Le rotor est la partie mobile du moteur électrique. Il est également composé d'un noyau en fer laminé, généralement constitué de lamelles empilées pour réduire les pertes par courants induits. Sur le rotor se trouvent des aimants permanents ou des bobines (dites bobines d'excitation) alimentées en courant continu.

Selon l’application, un moteur électrique fonctionne soit en courant continu (CC) ou en courant alternatif (CA). Cela dépend si le rotor tourne à la même vitesse ou pas que le champ magnétique généré par le stator. 

Collecteur (pour les moteurs à courant continu) 

Les moteurs à courant continu ont un collecteur, qui est une pièce métallique connectée aux bobines du rotor. Le collecteur permet de transférer l'énergie électrique vers les bobines, créant un champ magnétique rotatif qui met le rotor en mouvement.

Commutateur (pour les moteurs à courant alternatif)

Pour les moteurs à courant alternatif, il n'y a pas de collecteur car l'alimentation se fait directement depuis une source de courant alternatif (comme le réseau électrique). À la place, le commutateur inverse périodiquement la polarité des bobines, créant ainsi un champ magnétique rotatif.

Roulements

Les roulements permettent de soutenir et guider le rotor afin de minimiser les frottements. Ils se fixent sur l’arbre moteur. Ils sont essentiels pour réduire les pertes d'énergie par chaleur et pour assurer le bon alignement des différents composants.

Boîtier

Le boîtier est l'enveloppe externe du moteur électrique. Il protège les composants internes et fournit une structure solide pour fixer le moteur sur différents types d'applications. Le boîtier est généralement en métal ou en plastique, en fonction de l'application du moteur.

Les enroulements

Les enroulements sont constitués de bobines en cuivre qui se trouvent sur le stator du moteur. Lorsqu'un courant électrique est appliqué sur les enroulements, ils créent un champ magnétique statique. Ce champ magnétique attire le rotor et permet ainsi de générer le mouvement rotatif au sein du moteur.

Le ventilateur 

Le ventilateur est généralement monté sur l'arbre du moteur et il est souvent situé à l'arrière de la carcasse du moteur. Son rôle est d'assurer un refroidissement adéquat du moteur afin d’éviter les surchauffes et la dégradation du bobinage. Lorsque le moteur fonctionne, il produit de la chaleur due aux pertes d'énergie. Le ventilateur aide à dissiper cette chaleur en faisant circuler l'air autour des composants internes.

La boîte de raccordement ou boîte à bornes

La boîte de raccordement est un compartiment externe situé sur le moteur électrique. Elle contient les connexions électriques nécessaires pour alimenter le moteur et relier les câbles d'alimentation au stator du moteur. La boîte de raccordement assure une connexion sécurisée entre l'alimentation électrique externe et le moteur, elle permet ainsi d’assurer la connexion avec le réseau électrique ainsi que le couplage des bobines entre elles.

La carcasse et les flasques

La carcasse est l'enveloppe externe rigide qui entoure tous les autres composants internes du moteur électrique. Sa principale fonction est de fournir une protection mécanique et une isolation électrique. La carcasse peut être en métal ou en plastique, selon l'application et les besoins du moteur.

Les flasques sont des plaques métalliques fixées à chaque extrémité de la carcasse du moteur. Elles assurent la fermeture hermétique du moteur et protègent l'intérieur contre la poussière, l'humidité et d'autres contaminants dangereux.

Ces différents éléments interagissent harmonieusement pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique, permettant ainsi au moteur électrique de faire fonctionner toutes sortes d'appareils et machines. Que ce soit dans une voiture électrique, un ventilateur, une pompe ou encore une machine industrielle, ces composants constituent la base du fonctionnement des moteurs électriques que nous utilisons au quotidien.

Schéma représentatifs de la composition interne d'un moteur électrique

Explication du fonctionnement d'un moteur électrique à courant continu

Un moteur électrique à courant continu (CC) crée un champ magnétique stable dans le stator à l’aide d’enroulements inducteurs ou d’aimants permanents. Lorsque le courant électrique circule dans les bobines conductrices du stator, il génère un champ magnétique qui interagit avec celui créé par les aimants permanents.

Ces forces d'attraction et de répulsion entre les aimants permanents et les bobines conductrices font tourner le rotor. 

Pour maintenir cette rotation continue, le sens du courant électrique doit être inversé périodiquement. C'est là qu'interviennent les collecteurs et les brosses, qui permettent de changer la polarité des contacts électriques.

Ce type de moteur électrique permet une réalisation économique de nombreux moteurs, en général de faible puissance pour des utilisations dans le milieu automobile, audiovisuel, robotique, des jouets etc.

Fonctionnement d'un moteur électrique à courant alternatif

Les moteurs électriques à courant alternatif (CA) utilisent un courant qui change continuellement de direction pour générer un champ magnétique rotatif dans le stator. Contrairement aux moteurs CC, ils n'ont pas besoin de collecteurs ou de brosses pour inverser la polarité. Le champ magnétique à courant alternatif crée un flux magnétique qui peut varier en intensité et direction.

Pour créer ce champ magnétique rotatif, les moteurs CA utilisent une “excitation 3 phases”, c'est-à-dire trois bobines conductrices décalées l'une par rapport à l'autre. En appliquant un courant alternatif dans ces bobines, un champ magnétique résultant se déplace autour du stator et fait tourner le rotor.

Finalement, les moteurs électriques sont des dispositifs essentiels qui convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique et sont omniprésents dans notre vie quotidienne. En comprenant les principes fondamentaux de leur fonctionnement, nous pouvons mieux apprécier leur utilité et leur impact positif sur notre société. Que ce soit un moteur à courant continu ou à courant alternatif, ces moteurs électriques ont révolutionné notre façon d'interagir avec le monde qui nous entoure.

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