LE MOTEUR À INTERRUPTEUR MAGNÉTIQUE (MIM)

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1 LE MOTEUR À INTERRUPTEUR MAGNÉTIQUE (MIM) CAHIER DE L ÉLÈVE Decembre 2007 moteur_eleve.doc 1 15/02/08

2 Mise en situation Toi et ton collègue travaillez pour un laboratoire d essais en génie électrique. La compagnie de transport Camions écolos vous demande de mettre au point un nouveau type de moteur «le MIM». Les principes de fonctionnement de ce moteur sont connus, mais plusieurs ajustements sont nécessaires. Un plan de montage vous est fourni, mais le support de l interrupteur magnétique du moteur est absent. À vous deux, serez-vous capables de relever le défi? Mandat Le mandat de votre équipe est donc de mettre au point le moteur à interrupteur magnétique (MIM), le rendre le plus performant possible et évaluer ses caractéristiques de façon qualitative et quantitative. Voici les étapes par lesquelles vous devrez passer. 1. S approprier les concepts électriques touchés par un moteur électrique. Les élèves doivent former des équipes de 2 personnes et se réunir pour compléter «Les cartes d exploration des notions théoriques». Plusieurs sources sont disponibles pour mener à bien votre recherche (Internet, anciens livres d I.A.T. anciens livres de sciences physiques, l enseignant, ) 2. Étudier les schémas de principes du fonctionnement du MIM. Chaque équipe étudie les schémas de principes du fonctionnement du MIM et répond au «Questionnaire sur le fonctionnement du MIM». 3. Fabriquer un MIM (sans son interrupteur magnétique). L équipe devra fabriquer, assembler et ajuster les principales composantes du MIM à l aide du «dossier technique» : (dessin d ensemble, dessins de sous-ensembles, dessins de détails, dessin isométrique, gammes de fabrication et cahier des charges). 4. Fabriquer un support pour l interrupteur magnétique. Les deux coéquipiers doivent concevoir, fabriquer, assembler et ajuster le support de l interrupteur magnétique du MIM à l aide du «Cahier des charges» compris dans le dossier technique. Les performances du moteur sont intimement liées à la réalisation de cette tâche. La précision et la minutie se doivent d être au rendez-vous. 5. Rédiger un rapport final qui sera remis à la compagnie de transport «Camion écolos». Ce rapport devra contenir les sections suivantes : Toutes les étapes de conception du support de l interrupteur magnétique : les notes, les croquis, les matériaux nécessaires, les manipulations, Une mise à l essai du MIM (étude de ses caractéristiques) : o Déterminer sa résistance électrique, sa puissance, l énergie électrique qu il consomme. o Évaluer l efficacité du MIM en le soumettant à un effort mécanique. o Se questionner sur la loi de la conservation de l énergie et sur le rendement du MIM. o Pour ceux qui suivent le cours optionnel, calculer son rendement à l aide de l énergie potentielle gravitationnelle. Une analyse des résultats et des propositions d améliorations du MIM. moteur_eleve.doc 2 15/02/08

3 CARTES D EXPLORATION DES NOTIONS THÉORIQUES Symbolisme Isolant Schéma Circuit simple Circuit Conducteur Circuit mixte Circuit série Circuit parallèle Les résultats de mes recherches (ce qu il faut retenir) moteur_eleve.doc 3 15/02/08

4 Substance magnétique Substance non magnétique Substance ferromagnétique Pôles magnétiques Magnétisme Force d attraction Aimant permanent Boussole Lignes de champ magnétique Force de répulsion Les résultats de mes recherches (ce qu il faut retenir) moteur_eleve.doc 4 15/02/08

5 Noyau ferromagnétique Règle de la main droite Pôles magnétiques Électromagnétisme Intensité du courant Nombre de spires Solénoïde Lignes de champ magnétique Les résultats de mes recherches (ce qu il faut retenir) moteur_eleve.doc 5 15/02/08

6 Loi d ohm Intensité du courant Voltmètre Mesure Ampère Volt Tension Résistance Ampèremètre Ohm Les résultats de mes recherches (ce qu il faut retenir) moteur_eleve.doc 6 15/02/08

7 Puissance Équation Unité de mesure Énergie électrique Équation Unité de mesure Grandeur physique Grandeur physique Les résultats de mes recherches (ce qu il faut retenir) moteur_eleve.doc 7 15/02/08

8 Enrichissement pour le cours optionnel seulement Énergie potentielle gravitationnelle Rendement Équation Unité de mesure Grandeur physique Les résultats de mes recherches (ce qu il faut retenir) moteur_eleve.doc 8 15/02/08

9 QUESTIONNAIRE SUR LE FONCTIONNEMENT DU MIM Sur les quatre schémas de principes suivants, vous retrouvez l électroaimant à gauche et le rotor à droite. Chaque schéma vous présente le rotor du moteur à des positions différentes. Vous devez étudier tous ces schémas et comprendre ce qui se passe sur chacun d eux. Les questions qui suivent ont pour but de vous guider lors de votre réflexion. Il est à noter que, dans ce cas-ci, le côté rouge des aimants est son pôle nord. Le sens de rotation du rotor est indiqué par la flèche. Question 1 Sur ce schéma, le circuit est-il ouvert ou fermé? Schéma de principe N o 1 Question 2 La règle de la main droite est-elle respectée sur ce schéma et pourquoi? N S Question 3 Ce moteur fonctionne-t-il en attraction ou en répulsion? Question 4 Ce moteur, pourrait-il tourner en sens inverse et pourquoi? Question 5 Sur ce schéma, le circuit est-il ouvert ou fermé? Schéma de principe N o 2 Question 6 À ce moment, l électroaimant est-il en fonction? Question 7 À ce moment, quelle type de force y a-t-il entre le noyau ferromagnétique de l électroaimant et l aimant? Question 8 À ce moment, pourquoi le moteur continue-t-il à tourner? moteur_eleve.doc 9 15/02/08

10 Question 9 Lors de l installation des aimants, doit-on tenir compte de l orientation des pôles de ceux-ci et pourquoi? Schéma de principe N o 3 Question 10 Pourquoi les lamelles situées à l intérieur de l interrupteur se collent-elles? N S Question 11 Sur ces schémas, pourquoi l interrupteur est-il légèrement déplacé vers le bas? Question 12 Lorsque l interrupteur est fermé, la polarité de la source de courant a-t-elle une importance et pourquoi? Question 13 Idéalement, quelle distance devait-il y avoir entre l électroaimant et l aimant permanent lorsqu ils sont vis-à-vis et pourquoi? Schéma de principe N o 4 Question 14 Combien de fois par tour l électroaimant est-il en fonction? Question 15 Le nombre de tours de fil composant le solénoïde a-t-il de l importance et pourquoi? Question 16 La distance fixée entre l aimant permanent et l interrupteur magnétique a-t-elle une importance? Expliquez. moteur_eleve.doc 10 15/02/08

11 FABRICATION DU MIM (sans son interrupteur magnétique) Il est maintenant temps de fabriquer la base, le solénoïde ainsi que le rotor du moteur. Pour ce faire, vous avez à votre disposition les documents suivants. Ils sont disponibles auprès de ton enseignante ou ton enseignant : Les dessins techniques Les gammes de fabrication moteur_eleve.doc 11 15/02/08

12 CÂBLAGE DU CIRCUIT ÉLECTRIQUE Voici, à droite, le schéma du circuit du MIM. Complétez le dessin ci-dessous afin de vous préparer à souder les composants adéquatement. À l aide d un crayon de couleur, tracez les fils comme ils seront soudés sur ton prototype. N.B. Les polarités des bornes d alimentation sont indiquées audessus des boulons. La longue électrode de la DEL est positive. moteur_eleve.doc 12 15/02/08

13 CAHIER DES CHARGES (CONCEPTION D UN SUPPORT D INTERRUPTEUR MAGNÉTIQUE) Au regard du milieu physique, le support devra : être fixé au support du moteur que vous aurez fabriqué; Au regard du milieu technique, le support devra: être démontable ou accessible pour permettre le remplacement de l interrupteur; être ajustable pour obtenir une efficacité maximale du moteur (tourner vite et démarrer seul); être ajustable afin d inverser le sens de rotation du moteur; Au regard du milieu industriel, le support devra: être entièrement réalisable dans un local de science et technologie du 2 e cycle du secondaire; être réalisé uniquement avec le matériel disponible et les matières premières mises à votre disposition. Note : La gommette, les rubans adhésifs et les élastiques ne sont pas permis comme liaisons techniques. moteur_eleve.doc 13 15/02/08

14 RAPPORT FINAL POUR LA COMPAGNIE «CAMIONS ÉCOLOS» CONCEPTION DU SUPPORT DE L INTERRUPTEUR MAGNÉTIQUE 1. Je dois cerner mon problème en fonction de mon dossier technique et du cahier des charges. (Je résume donc ce qui doit être fait). 2. Quel sera mon plan d action pour répondre à ce mandat? moteur_eleve.doc 14 15/02/08

15 3. Mes idées sous forme de textes et de croquis, pour m amener à la conception de mon support. Mes croquis et mes explications moteur_eleve.doc 15 15/02/08

16 TITRE NOM DATE ÉCHELLE 1 = 1 NO moteur_eleve.doc 16 15/02/08

17 4. Comment je procéderai pour réaliser mon support à interrupteur magnétique? (Matériaux, liaisons, guidages, outils, ) Description des étapes que je suivrai pour la fabrication. Problèmes de construction et ajustements effectués dans la fabrication. moteur_eleve.doc 17 15/02/08

18 MISE À L ESSAI DU MIM (Étude de ses caractéristiques) Déterminer sa résistance électrique lorsqu il est soumis à une tension de 9 volts. Données Calcul(s) Équation(s) Réponse : Calculer sa puissance à une tension de 9 volts. Données Calcul(s) Équation(s) Réponse : moteur_eleve.doc 18 15/02/08

19 PROPOSER une façon d évaluer l efficacité du MIM. Quel genre d effort mécanique pourrais-tu faire effectuer à ton moteur? Mes propositions : Ma solution finale : Explication détaillée : moteur_eleve.doc 19 15/02/08

20 TESTER À l aide de votre solution de mise à l essai, calculer l énergie électrique consommée par le moteur. La tension utilisée doit être de 9 volts. Données Calcul(s) Équation(s) Réponse : Comment ton MIM se compare aux d autres MIM de ta classe? Les autres équipes ont-elles utilisé la même solution d effort mécanique que toi? Crois-tu qu il y a conservation de l énergie lors du fonctionnement de ton MIM? S il n y a pas de conservation d énergie, sous quelles formes l énergie électrique s est-elle transformée? Le rendement du moteur peut-il être de 100%? Expliquez. moteur_eleve.doc 20 15/02/08

21 Pour ceux qui suivent le cours optionnel, calculer l énergie potentielle gravitationnelle. Données Calcul(s) Équation(s) Réponse : Calculer maintenant son rendement en utilisant l équation suivante. Données Calcul(s) Équation(s) Rendement=E p /E é 100, où E p est l énergie potentielle gravitationnelle. Réponse : moteur_eleve.doc 21 15/02/08

22 ANALYSE DES RÉSULTATS ET AMÉLIORATIONS DU MIM (INTERRUPTEUR COMPRIS) moteur_eleve.doc 22 15/02/08