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Dossiers-Conseils > Fonctionnement d'une auto > Le moteur électrique 02/12/2017

Fonctionnement du moteur électrique

Les autos électriques faisant partie de plus en plus de notre quotidien (certes difficilement), il était donc temps de se pencher sur le fonctionnement d'un moteur électrique. Voyons donc le principe général de cette technologie qui pourtant ne date pas d'hier ...
Notez au passage que toutes les voitures ont un moteur électrique, c'est en effet le démarreur qui l'incarne ...

A lire aussi : le fonctionnement global d'une voiture électrique.



Exemple 1 : Aimant comme rotor

Attention, en réalité le courant va du - vers le + . En fait c'est assez compliqué car par convention il a été décidé qu'il irait du + vers le - . Hélas, avec les avancées scientifiques on s'est aperçu que les électrons allaient dans le sens inverse.
Le système est réversible : si l'on bouge l'aimant manuellement cela génère un courant électrique dans la bobine, on peut alors recharger la batterie. Ici il n'y a pas de balais / charbons comme sur la figure du dessous.

Exemple 2: Bobine comme rotor
(avec balais / charbons / collecteur)


Ici on a affaire à un aimant situé en périphérie. De plus, j'ai illustré ici un moteur avec balais en carbone (ils transmettent l'électricité à la bobine). Ce type n'est plus utilisé dans la fabrication de moteur électrique pour voiture car le rendement est moins bon et les balais s'usent.
Notez que dans les deux cas l'aimant peut être remplacé par une bobine de cuivre alimentée en électricité. En effet, une bobine alimentée se comporte exactement comme un aimant (il induit un champs magnétique de par la circulation des électrons), c'est ce qu'utilisent les casses pour attraper les épaves avec les fameuses grues à électro-aimant (l'avantage est qu'on peut stopper l'effet aimant en coupant le courant). On peut donc établir un troisième cas où il n'y a que des bobines et aucun aimant permanent (et finalement tous sont similaires car aimant permanent = bobine électrifiée).


Moteur à courant alternatif triphasé



Voici le fonctionnement d'un moteur électrique triphasé à induction (pas de balais). Les trois bobines voient leurs polarités changer constamment. Les pôles - et + passent donc leur temps à changer à cause du courant alternatif qui traverse les bobines (sur le schéma nous sommes donc à un instant T, le moment d'après les pôles vont changer sur chaque bobine et ainsi faire tourner l'aimant en lui faisant des sortes de "poussettes"). En faisant cela l'aimant se met alors à bouger par à-coups, mais le rythme de rotation peut être très stable en réglant bien les trois bobines au niveau de la fréquence. Si jamais le courant n'était pas alterné dans les bobines, l'aiment au centre sur l'axe (rotor) se mettrait alors dans une position (selon le sens des pôles des bobines) et resterait coincé par la force magnétique induite par les bobines alimentées (qui deviennent donc des aimants, ce que l'on appelle électro-aimant). L'aimant permanent peut être remplacé par un électro-aimant, dans ce cas il faut l'alimenter en électricité (courant continu et non alternatif contrairement aux 3 bobines situées sur le stator)



(Auteur : Abnormaal Wikipedia)


Moteur Brushless (sans balais) / moteur avec balais

Le moteur sans balais (brushless) a de nombreux avantages :

  • Meilleur rendement
  • Meilleure longévité (pas besoin de contact via les charbons qui s'usent et génèrent de la poussière noire)
  • Plus silencieux
  • Régimes possibles élevés

La différence principale est donc qu'il n'y a pas besoin d'alimenter la bobine rotative en électricité de manière physique. Il n'y a donc plus besoin d'installer des charbons vecteur de problèmes et de rendement réduit de par leur frottement.

Moteur synchrone / asynchrone ?

La différence est que dans le cas d'un synchrone le rotor tourne à la même fréquence (proportionnellement) que celle du courant alternatif envoyé dans les bobines. Le changement se situe au niveau du rotor qui est de conception différente : il peut alors avoir un courant induit sur sa surface grâce à sa conception : il y a des bobines dispersées tout autour sur le rotor, ce ne sont donc plus de simples aimants. De l'électricité est induite dans les bobines (comme de petits moteurs électriques indépendants) du rotor quand le tout se met en mouvement, ce qui génère un autre champs magnétique qui vient interférer avec le stator. L'avantage de l'asynchrone est d'être un peu moins cher à fabriquer tout en étant plus robuste. Il est en revanche un peu moins bon en terme de rendement puisque le rotor ne tourne pas à la même vitesse que la fréquence du courant alternatif envoyé : il y a donc une perte par glissement (il semble que le courant induit dans le stator est moins efficient que d'avoir un aimant permanent).

L'électricité c'est quoi ?

Essayons un peu de vulgariser le principe, en évitant si possible de faire grincer des dents les spécialistes de la physique (qui sont d'ailleurs les bienvenus pour ajouter des commentaires).

L'électricité est incarnée par les électrons, ou plutôt leur mouvement dans un matériaux conducteur. Un électron est une "chose" qui est à la fois une particule et une onde, ça se comporte donc à la fois comme une bille et comme une vague ... Une onde de probabilités pour être plus précis (tant que rien n'interagit avec lui il est diffus dans l'espace en utilisant les équations d'onde). Les scientifiques eux-mêmes ont du mal à cerner tout ça, tout comme la lumière qui est incarnée par les photons (à la fois particule et onde, et qui est la base des interactions des aimants. Oui la lumière compose la "force" qui fait que deux aimants s'attirent). Sachez aussi que le fait d'observer un électron a un effet sur sa manière de se comporter puisque le "regarder" c'est interagir avec lui, il devient alors une bille.

Présents partout, ils forment aussi la "coquille" des atomes en tournant très rapidement autour du noyau (sur différentes couches superposées). Selon le nombre d'électrons qui tournent autour du noyau, l'objet sera alors conducteur ou non (c'est ce qui fait que le bois n'est pas conducteur alors que le fer oui). Sachant aussi que le noyau est composé de protons de charge positive et que les électrons sont de charge négative. Tout atome cherchera donc à s'équilibrer pour que le positif et le négatif soient égaux, ce qui fait que certains électrons situés sur la dernières couche de la "coquille" (qu'on définit de libres) peuvent se balader d'une couche d'atome à l'autre. Bref, les atomes qui "bavent" des électrons sont conducteurs.


Voici un fil de cuivre et ses atomes qui le composent. En vert les noyaux et en rouge les électrons qui tournent autour (en réalité, cela est simplificateur, car en vrai le phénomène est plus qu'étrange ... Mais il faut bien trouver un moyen de comprendre pour notre pauvre petit cerveau). Quand un électron quitte un atome pour un autre, un autre électron (qui vient aussi d'un autre atome) vient le remplacer. Il y a donc un flux (et même un courant !) qui provoque une force électromagnétique. Force que l'homme va se servir pour provoquer un mouvement grâce à un aimant (sensible à la force électromagnétique justement)



C'est donc en faisant bouger ces électron dans un sens (grâce aux bornes + et - d'un pile ou grâce à un aimant en mouvement), en allant d'un atome à l'autre, qu'on obtient une force exploitable. Et même mieux, c'est réversible !
Plus il y a d'électrons qui passent, plus la résistance est grande. Et plus elle est grande, plus cela provoque de la chaleur, c'est le principe de l'ampoule.

Exploiter les électrons

Grâce à des matériaux conducteurs et l'électron, on peut commencer à entrevoir le moteur électrique ...


En utilisant la force magnétique produite par un aimant, on peut faire bouger les électrons libres situé sur la dernière couche des atomes de cuivre d'un fil. De ce fait, le mouvement d'un aimant à côté d'une bobine de cuivre provoque un courant électrique (vous savez maintenant ce qu'est un alternateur). Il faut cependant que le circuit de la bobine de cuivre soit fermé, et non pas ouvert, car il faut que le chemin revienne sur lui-même pour qu'il y ait une boucle. Dans le cas contraire, le courant est bloqué dans le matériaux et ne peut circuler. Si je fais l'inverse : envoyer du courant électrique dans la bobine (toujours située à côté de l'aimant) fera tourner l'aimant ! Voila pourquoi je parlais de phénomène réversible. Récupérer l'énergie grâce à un mouvement est donc tout bête (après il faut pouvoir stocker l'énergie dans une batterie).

Donc pour résumer, j'arrive à faire bouger un aimant grâce au courant qui passe dans une bobine de cuivre située à côté. Cela en raison du champ magnétique généré par l'électricité qui circule dans le fil de cuivre (qui se propage aux alentours, à l'extérieur du fil). Car quand de l'électricité circule dans une bobine de cuivre, cela la transforme en aimant ! Donc cet "aimant électrique" (appelé électroaimant) pourra faire bouger l'autre "aimant statique" situé à proximité.
Au final, il me reste deux moyens de générer du courant, soit je fais mouvoir un aimant (dans ce cas je dois pédaler ...) ou alors je branche la bobine à une batterie qui m'envoie du courant. Bien évidemment, c'est la deuxième solution qu'on retrouve dans les voitures électriques.

Pas d'usure ?

La fiabilité des moteurs électriques semblent donc quasi infaillible car il n'y a pas de frottement ni d'usure puisque c'est un champ magnétique qui provoque le mouvement. Les mécanos peuvent trembler si les autos électriques se généralisent ...
Toutefois, il faut bien un palier/roulement pour générer le mouvement rotatif. Et c'est donc principalement là que se situe l'usure (comme quand un alternateur a son palier de défectueux).
N'oublions pas non plus les dépôts liés aux arcs électriques vers les charbons qui peuvent rendre inopérant le moteur électrique. C'est exactement le même problème avec les démarreurs qui sont eux aussi des moteurs électriques.

Au final, un moteur électrique est bien plus simple qu'un moteur thermique doté des dizaines d'éléments complexes qui doivent être synchronisés.

Pour mon entretien et révisions je vais :

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Par Aston (Date : 2016-06-27 19:29:01)

J'aimerais savoir qu'est ce qui lance la bobine dans un premier temps? Par la suite c'est l'aimant qui lui permet de tourner sans cesse, mais la premier mouvement ?

Il y a 4 réaction(s) sur ce commentaire :

  • Par Wanu1966 TOP CONTRIBUTEUR / MECANO (2016-06-27 20:13:35) : Expliquez vous plus clairement, une bobine tourne en fonction du régime moteur pour alimenter chaque cylindre !
  • Par burton78 (2016-08-30 11:01:22) : Je pense qu'Aston parle d'un moteur électrique qui possède aussi une bobine... Le champ magnétique créé par le bobinage (rotor) est décalé par rapport aux aimants (stator) c'est ce qui fait tourner le moteur ..; donc besoin de rien d'autre pour le démarrer !
  • Par Aston (2016-08-30 11:32:52) : Oui en effet c'est de cela que je parlais, merci pour votre reponse
  • Par taurus TOP CONTRIBUTEUR (2017-09-04 18:00:53) : je pense qu'il parle des moteur en 220 v (certain avec une bobine a l'extérieur), cette bobine permet au moteur de démarre, sinon le 220 en alternatif et un courant qui change de polarité a 50 périodes seconde, ce qui fait que le moteur ne démarre pas il grogne légèrement et a tendance a vouloir partir dans un sens puis dans l'autre, très rapidement du fait de la polarité qui change sens arrêt, le condensateur étend un déphaseur le moteur va pouvoir démarre dans le sens prévus par l'usine, si vous avais un moteur avec bobine qui démarre pas mais grogne et qu'il y et un ventilateur lance le a la main il va tourne dans le sens que vous le lancer, ATTENTION AU DOIGTS.

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