Fonctionnement du moteur électrique

FONCTIONNEMENT D'UNE AUTO  

Les voitures électriques faisant partie de plus en plus de notre quotidien, il était donc temps de se pencher sur le fonctionnement de leur moteur ainsi que des différentes déclinaisons (synchrone, asynchrone, permanent, à induction etc.). Voyons donc le principe général de cette technologie qui pourtant ne date pas d'hier ...
Notez au passage que toutes les voitures thermiques ont au moins un moteur électrique, c'est en effet le démarreur qui l'incarne (ou encore l'alternateur). Certains l'utilisent même pour déplacer leur voiture en panne sur quelques mètres : il suffit de se mettre en première et d'activer le contact, le démarreur va alors se lier au volant moteur et faire tourner ce dernier, faisant alors avancer la voiture.

L'article résume les différentes technologies de moteurs électriques, vous pouvez toutefois  accéder aux articles dédiés pour chaque technologie :

• Moteur synchrone à rotor bobiné
• Moteur synchrone à aimant permanent
• Moteur asynchrone à induction (rotor induit)
• Moteur synchrone à réluctance variable
  

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

Principe de base d'un moteur électrique

Attention, en réalité le courant va du - vers le + . Si la convention il a été décidé qu'il irait du + vers le - (on a décidé de cette convention avant des avoir quel était le vrai sens du courant)

Le principe d'un moteur électrique, quelque soit sa conception, est d'exploiter la force magnétique pour obtenir un mouvement. La force magnétique nous est un peu familière grâce aux aimants qui peuvent repousser ou attirer d'autres aimants.
Pour cela, on va s'aider de deux éléments principaux : des aimants permanents et des bobines de cuivre (matériaux parfait pour cet emploi car c'est le plus conducteur qui soit ...), ou même que des bobines de cuivre dans certains cas (sans aimant permanent donc). On va monter le tout sur un axe circulaire pour obtenir un mouvement permanent et linéaire, le but est d'avoir quelque chose qui a un cycle qui se répète à l'infini tant qu'on alimente le moteur.

Il faut aussi savoir qu'une bobine traversée par du courant (des électrons donc) se comporte alors comme un aimant, avec un champ électromagnétique avec deux pôles : nord et sud / + et -. Le résultat est que si je fais passer du courant dans la bobine, cette dernière va générer un champ magnétique qui va alors influer sur celui de l'aimant, qui va alors bouger. Le principe est donc simple, si j'alimente ma bobine j'obtiens une force de rotation par le biais de l'aimant, et si j'arrête de l'alimenter je n'ai plus de force (voici le principe général et simplifié de l'accélérateur d'une voiture électrique, qui sera géré par une électronique de puissance qui va alors s'occuper d'alimenter les moteurs : tension, intensité, alternatif ou continu (selon technologie moteur) etc.

Tout moteur électrique est réversible : si on bouge l'aimant manuellement cela génère un courant électrique dans la bobine (on peut alors recharger la batterie par exemple, c'est la régénération). Si on injecte du courant dans la bobine, alors l'aimant se met à bouger.

Les pièces d'un moteur électrique

Résumons brièvement ce qui compose un moteur électrique :

• Accumulateur : c'est là d'où vient le courant qui va alimenter le moteur, à savoir en général d'une batterie Lithiuim Ion ou encore batterie NiMH
• Stator : il s'agit de la partie périphérique du moteur, celle qui ne tourne pas. Pour vous aider à vous en rappeler dites-vous que c'est la partie statique (stator). Il est dans 99% des cas constitué de bobines qu'on va plus ou moins alimenter (mais aussi plus ou moins alterner en =/- avec les moteurs à courant alternatif) pour faire tourner le rotor.
• Rotor : il s'agit de la partie mobile, et pour vous en rappeler pensez au mot rotation (rotor). Il est généralement non alimenté car étant mobile cela est difficile à faire (ou en tout cas c'est peu pérenne dans le temps)

Fonctionnement d'un électro-aimant

Si vous voulez éviter les explications fondamentales n'hésitez pas à sauter ce paragraphe.

Champ électrique

Commençons rapidement par expliquer que champ magnétique et champ électrique sont deux choses différentes mais qui sont intrinsèquement liées. Le champ électrique découle d'une charge : toute particule élémentaire chargée positivement ou négativement  a un champ électrique (une particule neutre n'aura rien, comme le neutron) . Ce champ électrique apparaît à partir du moment où on applique une tension à des fils électriques (tension = Volt). Mais attention, tension ne veut pas dire qu'il y a passage de courant ! Le voltage correspond en effet à une différence de potentiel entre les deux extrémités d'un circuit + et - (un peu comme une pente plus ou moins abrupte, et si je ne mets rien sur cette pente il n'y a rien qui circule ...).

Chaque électron a son champ électrique (que j'ai mis en flou / bleu par le biais d'un halo) quand il y a une tension dans le fil (sans forcément de circulation d'électrons donc)

Champ magnétique

Maintenant, le champ magnétique est un deuxième type de champ qui apparaît au niveau de chaque particule quand on fait circuler du courant (courant = intensité = ampère), et donc quand on fait avancer les particules élémentaires. Dans notre cas il s'agit des électrons sur les couches électroniques externes de nos atomes de cuivre (cuivre car parfait au niveau de sa "physionomie" pour faire circuler du courant). Notez que l'intensité du courant (ampérage) induit l'effet joule : chaleur des induits (fils électriques). Et donc un moteur chauffe d'autant plus qu'on le traverse de courant (surchauffe liée aux "frottements" des nombreux électrons qui cherchent à passer par un seul canal, qui devient trop étroit si il y a trop d'électrons / d'intensité).
Quand les électrons se déplacent, leur champ électrique se déforme (relativité restreinte) et fait apparaître un champ magnétique bipolaire (malgré que l'éle

Le mouvement des électrons induit l'apparition d'un champ magnétique tournant autour de ces derniers

Pour finir, si je fait circuler un champ électrique près d'un champ magnétique il va avoir une influence sur ce dernier (si je fais circuler du jus dans un fil j'ai un aimant), et vice versa (si je bouge un aimant à côté d'un fil cela fait circuler les électrons via leur champ électrique) : cela rend possible la réversibilité d'un moteur électrique (récupération d'énergie), l'induction dans une bobine ou encore ça explique le "fonctionnement" d'un rayon lumineux (lumière = rayon électromagnétique) qui se propage par impulsions de champs électrique et magnétique (ces deux champs se propagent dans l'espace à la vitesse de la lumière c).

Les petits champs s'additionnent pour en faire un grand coordonné qui permet donc d'avoir un aimant polarisé nord / sud. Je vous laisse aller consulter la force de Laplace pour que vous connaissiez la géométrie et l'orientation du déploiement des forces quand le courant circule.

Différence aimant / électro-aimant

La différence est qu'un aimant permanent à un pôle nord et sud tout le temps : il a été conçu en faisant en sorte que les pôles de toutes les particules qui le composent pointent dans la même direction. Cela grâce à un électro-aimant très puissant qui a permis d'aligner tous les spins (caractéristique peu intuitive des particules élémentaires) des particules dans la même direction, et donc toutes les polarités des particules élémentaires sont dirigées dans le même sens. Et toutes ensembles elles génèrent un seul et même champ magnétique coordonné qui pointe dans la même direction.

Un électro-aimant est un matériaux qui n'est pas magnétique au repos mais qui le devient quand on le traverse d'un courant. On a alors apparition des pôles nord et sud.
Ce phénomène s'explique par la relativité restreinte d'Einstein, et notamment par le fait que quand quelque chose avance (une particule, vous, moi ...) il se contracte dans la longueur par rapport au référentiel immobile. Si par exemple je vois une voiture de 3 mètres de long passer près de moi à une vitesse proche de la lumière, je la verrai quasiment écrasée (seul moyen de respecter la règle numéro une : la vitesse de la lumière est indépassable), avec une longueur qui fera quelques centimètres seulement (certes il faut avoir le regard vif !) ...

Les différents types de moteurs électriques

Voyons maintenant les différents types de moteurs qui existent dans le domaine de l'automobile.

Moteur Synchrone / Asynchrone

Cet caractéristique permet de savoir si le rotor tourne à la même vitesse que le champs magnétique du stator ou pas.
Dans le cas d'un moteur à induction (rotor cage d'écureuil), on aura un décalage entre la vitesse de rotation du champ magnétique et la vitesse du rotor. Exemple : si le champ magnétique tourne à 1500 tours/minutes mon rotor sera plutôt vers les 1400 tours/min. On appelle cela un glissement.

Moteur électrique à balais / charbon (Synchrone)

Le moteur électrique à balais est un type de moteur électrique (ou génératrice si on exploite le mouvement pour créer du courant, ex : alternateur) dont le rotor est alimenté en électricité. Pour pouvoir connecter le rotor mobile à alimenter on a inventé les balais, une sorte de petit balais au premier sens du terme (à poils métalliques) qui frottent contre l'axe du rotor : cela permet le passage de l'électricité.
On a depuis abandonné ces balais pour utiliser des charbons en graphite, ces derniers sont utilisés de la même manière mais leur durabilité est meilleure.
Le problème ici est que ces dispositifs s'usent et à terme ils ne permettent plus d'alimenter le rotor. Dans certains cas les charbons sont usés et ne touchent plus le rotor et dans d'autres cas c'est la crasse qui vient s'intercaler entre le balais et le rotor (du généralement aux arcs électriques qui se produisent épisodiquement et qui génèrent des brûlures donnant lieu à des dépôts).

Ce type de moteur fonctionne "habituellement" avec un courant continu. Quand on l'adapte pour qu'il fonctionne en alternatif et continu (ce qui est assez simple à faire techniquement parlant) on dit alors qu'il s'agit d'un moteur électrique universel (il accepte soit du continu soit de l'alternatif sans préférence particulière).

Ce moteur a été utilisé sur les autos électriques des années 90 et n'est que rarement utilisé aujourd'hui sur les versions modernes. Il est aussi présent au niveau des démarreur et alternateur (c'est pourquoi donner un coup de masse peut le refaire marcher un temps si il est en panne : le coup permet de faire bouger la crasse sur les charbons, crasse qui a été générée par les brûlures liées aux arcs électriques).

Moteur électrique à aimant permanent (Synchrone)

Ce moteur est très répandu sur les voitures électrique modernes ou même encore les trains. Il s'agit ici d'avoir un stator composé de plusieurs pôles (désignant des bobines) et un rotor fait à partir d'un aimant permanent.
On fait ensuite tourner l'aimant en lui donnant des impulsions grâce aux différents pôles / bobines. Les bobines sont traversées par un courant alternatif qui induit une inversion des pôles, le tout étant réglé pour pousser et attirer l'aimant du rotor (pour le faire tourner donc).

PLUS DE DETAILS SUR LE FONCTIONNEMENT ICI

Moteur électrique à induction (Asynchrone)

Dans ce type de moteur il n'y a pas d'aimant permanent et le stator n'est pas assemblé de la même manière malgré qu'il soit quand même constitué de bobines de cuivre. Nikola Tesla a eu l'idée de ce procédé sans pouvoir bien l'exploiter (avec quelques ordinateurs et des puces programmables pour gérer les flux et commutations il aurait certainement pu aller plus loin).
Commençons donc par le stator, qui est constitué de plusieurs fils de cuivre : généralement 3 sections judicieusement réparties avec pour chacune d'entre elles un courant alternatif décalé d'un tiers de temps (sur un temps donné on a pour chaque fil un courant + et un courant - qui le traverse).
Quand on injecte du courant alternatif dans le stator, on aura alors la production d'un champ magnétique qui va tourner sur lui-même (grâce à la disposition astucieuse des fils ainsi que la stratégie de diffusion de courant dans ces dernières : courant alternatif et temporisé). La manière dont est conçu le stator est très technique, il faut impérativement obtenir un champ magnétique tournant sur lui-même.

Le rotor est quand à lui formé de ce que l'on appelle une cage d'écureuil, car ça ressemble à une cage d'écureuil ...
Cette dernière n'est pas constituée d'un aimant mais de de tôles ferromagnétiques ainsi que de barres conductrices judicieusement positionnées.
Mais la manière dont a été faite cette pièce permet d'induire de l'électricité dans cette dernière si on lui soumet un champ magnétique tournant, et vous voyez certainement où je veux en venir maintenant.

Pour résumer, quand j'injecte un courant alternatif dans le stator j'obtiens un champs magnétique tournant. Ce champ magnétique tournant du stator va induire l'apparition de courant dans la cage d'écureuil du rotor, et le courant induit va lui aussi induire un champ magnétique autour du rotor. Le champ magnétique du rotor va influer avec avec celui du stator comme le ferait un aimant permanent : résultat le rotor tourne et on a un moteur électrique.

PLUS DE DETAILS SUR LE FONCTIONNEMENT ICI

Moteur pas à pas à réluctance variable

C'est la toute dernière technologie sortie sur le marché, et c'est bien domestiqué par l'industrie que depuis les années 2010 grâce à l'apparition d'électronique de puissance de plus en plus perfectionné.
Ce moteur est encore différent de tous les autres.

Le stator est constitué de phases / bobines disposées par paires les une en face des autres. Quand j'active une phase, que je l'alimente, on va alors exciter deux bobines l'une en face de l'autre. On a alors un champs magnétique qui va se former et qui va essayer de former une boucle en tentant de faire un pont / lien entre les deux phases qui sont face à face.

Le rotor est quant à lui constitué de fer doux / carbure de silicium et il n'est pas aimanté du tout.

Le principe de fonctionnement est celui-ci, quand j'alimente une phase (qui a deux pôles de part et d'autre du moteur / rotor), le champ magnétique va vouloir connecter les deux bobines de cette phase. Et comme ce champ magnétique préfère le métal à l'air pour se propager, il va induire un mouvement sur le rotor : il va alors se positionner pour que l'espace entre le stator et le rotor soit le plus petit possible (qu'il y ait le moins d'air possible à traverser). Le rotor va alors se mettre dans cette position, avec donc les dents qui sont le plus rapprochées possible du stator.

C'est pour cela qu'on l'appelle moteur pas à pas, l'avancée / rotation du rotor s'effectue par pas, et chaque pas est réalisé par l'excitation d'une des phases.

PLUS DE DETAILS SUR LE FONCTIONNEMENT ICI



Tesla est pour le moment seul à utiliser ce type de moteur, mais ce n'est pas la marque qui l'a inventé évidemment

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. Mais la simplicité du nombre de pièces n'empêche pas que le fonctionnement et l'études des flux magnétiques peut parfois être plus ardue que que l'étude d'un moteur thermique ...

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