Les Moteurs lectriques courant continu TPE 2010 2011

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

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

Introduction Comment fonctionne un moteur électrique à courant continu ? 3

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

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

A. Magnétisme Lignes de champ d’un aimant permanent Lignes de champ avec limaille de fer Lignes de champ d’un solénoïde 6

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

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

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

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

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 11

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

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

A. Conception Mise en fonctionnement du moteur 14

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 Idée prise sur : http: //bernard. gillot. pagesperso-orange. fr Montage Matériel nécessaire 15

A. Conception Mise en fonctionnement du moteur 16

A. Conception • Vidéo 2ème moteur 17

A. Conception • 3ème Moteur à courant continu – Un support en bois – 5 m de fil émaillé par bobines (x 8) – Deux bouchons (rotor et collecteur) – Des clous (rotor et fixations) – Du papier aluminium (collecteur) – Un axe Notre moteur – Deux aimants de HP – Deux support en acier avec vis pour les aimants 18

A. Conception Fabrication du rotor 19

A. Conception • Vidéo 3ème moteur Stator Rotor 20

A. Conception • Prototype finale – Six pièces conçu sous Solid. Works et réalisé avec la machine à prototypage rapide du lycée – 24 m de fil émaillé par bobine (x 8) – Une tige en acier inoxydable Φ 5 (axe) – 16 tiges d’acier Φ 5 (noyau) – Un raccord en cuivre de plomberie Φ 16 (collecteur) – Deux roulement à bille 5*8*2, 5 (mm) – Deux bornes de piles 4, 5 V (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 Φ 3 et deux vis Φ 5 21

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

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

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

B. Expérimentations • Mesure de la vitesse en fonction de la tension Xxxxxxxxxxxxxx 25

B. Expérimentations • Mesure de la vitesse en fonction de la tension V (RPM) 480 575 675 905 1330 1500 1620 1771 1863 1970 2130 2300 2440 2550 2645 2800 3016 3156 Ω (rad. s-1) 50, 2654825 60, 2138592 70, 6858347 94, 7713784 139, 277274 157, 079633 169, 646003 185, 458686 195, 092904 206, 297918 223, 053078 240, 855437 255, 516202 267, 035376 276, 983752 293, 215314 315, 834781 330, 495547 Valeurs expérimentales Vitesse 400 350 300 250 Ω (rad. s-1) U (V) 5, 2 6, 1 6, 5 7 7, 8 8, 2 9, 1 10, 1 11, 4 12, 4 13, 2 14, 4 15, 5 16 16, 7 17, 6 18, 9 19, 5 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 U (V) 12 14 16 18 20 22 Graphique de la vitesse 26

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

B. Expérimentations • Mesure du couple en fonction de l’intensité Force (N) 1, 1 1, 5 1, 9 2, 5 2, 7 3 3, 5 4, 1 4, 3 4, 5 4, 8 5 5, 1 5, 3 C (N. m) 0, 00275 0, 00375 0, 00475 0, 00625 0, 00675 0, 00825 0, 00875 0, 01025 0, 01075 0, 01125 0, 0125 0, 01275 0, 01325 k 0, 01833333 0, 01973684 0, 02261905 0, 02586207 0, 02578125 0, 02573529 0, 0277027 0, 0275641 0, 02743902 0, 02790698 0, 02777778 0, 0265625 0, 02548077 0, 02523345 Valeurs expérimentales Couple 0. 016 0. 014 0. 012 0. 01 C (N. m) I (A) 0, 15 0, 19 0, 21 0, 25 0, 27 0, 29 0, 32 0, 34 0, 37 0, 39 0, 41 0, 43 0, 45 0, 48 0, 52 0. 008 0. 006 0. 004 0. 002 0 0 0. 1 0. 2 0. 3 I (A) 0. 4 0. 5 0. 6 Graphique du couple 28

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 – – – 29

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. 30

Sources Merci à : http: //www. supermagnete. fr/ http: //google. fr/ http: //fabrice. sincere. pagesperso-orange. fr/ http: //fr. wikipedia. org/ http: //physilien. midiblogs. com/ http: //www. youtube. com http: //www. electrons. ch/ http: //bernard. gillot. pagesperso-orange. fr http: //www. tribunes. com/ http: //membres. multimania. fr/ http: //www. garmanage. com/ http: //forums. futura-sciences. com/ http: //subaru 2. univ-lemans. fr/ http: //www. installations-electriques. net/ ère Manuel de physique 1 S, collection Parisi http: //www. zeva. com. au/ http: //sitelec. org/ http: //home. scarlet. be/ http: //lsc. univ-evry. fr/ … Et surtout aux professeurs encadrant et à toutes http: //2 fbj. free. fr/ les personnes qui ont aidées à la réalisation du projet. http: //fr. academic. ru/ 31