MAGÉTIME + ÉLECTRICITÉ MOTEUR! eras-tu capable de comprendre comment fonctionnent les moteurs de olar Impulse et de fabriquer un moteur électrique? Ce sont les défis que te propose cette fiche. Projet : EPFL dgeo olar Impulse Rédaction : Marie-oëlle Kaempf Graphisme : Anne-ylvie Borter, Repro Centre d impression EPFL uivi de projet : Yolande Berga 1/9
LA RÉVOLUTIO! Jusqu en 1820, deux chapitres de physique semblaient distincts On connaissait le galvanisme et le magnétisme. On ne pouvait pas tirer grand-chose de ces phénomènes pris séparément. Le galvanisme étudiait le maigre courant électrique continu produit par des piles volumineuses et lourdes comme celles de Volta. Le magnétisme était peu connu. a seule application concrète était la boussole, utilisée par les Chinois avant le premier siècle! Hans Christian Ørsted, convaincu depuis quelques années que le magnétisme et l électricité sont liés, publie le 21 juillet 1820 le fruit de ses recherches Un courant qui passe dans un fil électrique crée un champ magnétique! En automne de la même année, François Arago, sur les conseils d André-Marie Ampère très intéressé par ces travaux, améliore la trouvaille. Il embobine le fil, pour amplifier l effet, inventant l électroaimant avec un pôle nord et un pôle sud, comme pour les aimants permanents : Hans Christian Ørsted (1777 1851) est un chercheur danois. Pharmacien à 20 ans, puis médecin 3 ans plus tard, il est passionné de chimie et de physique ce qui le conduit à étudier le courant électrique produit par les piles de l époque. En 1820, il découvre, en préparant un cours d électricité, que le courant électrique dévie l aiguille d une boussole placée à proximité. Il comprend que le courant électrique crée un champ magnétique. a découverte, relatée dans un article de 4 pages, est diffusée dans le monde scientifique. Elle est à l origine du développement des génératrices, des moteurs et d une énorme révolution technique. C est lui qui isole, pour la première fois, de l aluminium pur. Voici une astuce pour savoir facilement où se trouve le pôle nord de la bobine. Entoure la bobine avec tes doigts en plaçant ta main droite de la manière suivante : l extrémité de tes doigts se place dans la direction où va le courant. Ce dernier va de la borne positive de la source de tension à la borne négative. Le pouce de ta main pointera en direction du pôle nord de la bobine. I I I I 2/9 LE MOTEUR
Tu as sans doute déjà joué avec des aimants et constaté qu ils s attirent ou se repoussent. Deux aimants qui présentent des pôles opposés (nord et sud) s attirent. ils présentent des pôles de même nature, ils se repoussent. On peut donc mettre un aimant en mouvement en utilisant sa répulsion ou son attraction par des électroaimants. C est sur ce principe que repose le moteur électrique. Un moteur est donc un élément qui permet de transformer l énergie électrique en énergie mécanique cinétique (mouvement). ous allons essayer de comprendre comment fonctionne un moteur électrique sans balais, car olar Impulse est propulsé par 4 moteurs de ce type. LE MOTEUR ÉLECTRIQUE DE BAE Un moteur est composé de deux parties : l une, fixe, que l on appelle «stator» et l autre, mobile, que l on nomme «rotor». stator rotor partie fixe partie mobile Fig. 1 Un aimant permanent est monté sur la partie mobile du moteur. on champ magnétique va interagir avec le champ magnétique créé dans les bobinages qui sont montés sur la partie fixe. Les trois bobinages sont alimentés par du courant, dont l intensité et le sens varient avec le temps. Ils produisent donc un champ magnétique dont le sens et l intensité vont également varier. La combinaison de ces trois champs va créer un champ magnétique qui va tourner mais dont l intensité reste constante. L aimant du rotor va s aligner sur ce champ. Fig. 2 ur la Figure 1, l aimant central (mobile) est repoussé par le champ magnétique de la bobine (placée sur la partie fixe) qui présente un pôle nord mais est attiré par le pôle sud de la bobine. Bientôt (Fig. 2), la bobine émettra un champ nul, alors que la bobine présentera à l aimant un pôle nord qui le repoussera, mais il sera attiré par la bobine qui exposera un pôle sud. Cette force magnétique, produite par l énergie électrique, va mettre l aimant en mouvement, générant ainsi de l énergie cinétique. Il ne reste plus qu à monter une hélice sur le rotor pour en faire un moteur pour olar Impulse! LE MOTEUR 3/9
Partir d une feuille blanche et trouver les solutions permettant le bon fonctionnement des différentes pièces de l appareil. assurer que les solutions soient compatibles et que le puzzle une fois assemblé soit un avion performant. Tel est le rôle de Jonas chär. PORTRAIT JOA CHÄR, REPOABLE DE L ÉQUIPE DEIG CHEZ OLAR IMPULE Jonas apprécie tout particulièrement de pouvoir suivre toutes les étapes menant des premiers croquis à la production et l assemblage d une pièce. Il doit également anticiper les conséquences d un changement de concept ou de design et s assurer que cela ne perturbera pas le schéma de production global de l appareil. Jonas chär, responsable de l équipe Design chez olar Impulse, a étudié l ingénierie mécanique. Il a supervisé, entre autres, la conception et la construction de la boîte à vitesse du deuxième avion olar Impulse. olar Impulse (HB-IA) est équipé de 4 moteurs. Ces moteurs spécialement développés pour le projet doivent allier le meilleur rendement possible (pour assurer le déplacement de l avion en limitant au minimum la consommation électrique), un poids aussi faible que possible et une grande fiabilité. Ils ont été développés par l équipe de olar Impulse et construits par l entreprise ETEL. Des tests ont été conduits dans les laboratoires de l EPFL durant les phases de développement. Chaque moteur : pèse environ 8 kg (stator 5,4 kg et rotor 3,1 kg) a une puissance de 14 kw (la puissance totale de l avion correspond à celle d un scooter) est composé de 20 aimants permanents (10 nord et 10 sud) a une vitesse de rotation nominale de 4000 tours par minute a une vitesse de rotation maximale de 5000 tours par minute est branché sur un réducteur qui permet d obtenir la vitesse de rotation de l hélice souhaitée, qui est inférieure à ces valeurs. Les moteurs permettent à l avion d atteindre une vitesse de croisière de 70 km/h. 4/9 LE MOTEUR
TECHOLOGIE : U MOTEUR «FAIT MAIO» Voici un moteur à courant continu facilement réalisable. Matériel nécessaire une pile AA du fil de cuivre avec un revêtement en céramique un aimant fort (néodyme) deux épingles de sûreté (imperdables) un élastique une lame (couteau ou cutter) Attention : les aimants au néodyme sont très puissants. Il faut les manipuler avec précaution! Marche à suivre Faire tenir les deux imperdables à chaque extrémité de la pile à l aide de l élastique. Placer l aimant sur la pile. Créer un petit bobinage dont le rayon soit nettement inférieur à la longueur des imperdables. Laisser dépasser les deux extrémités. Racler l une des extrémités du fil, de manière à enlever la couche isolante sur tout le pourtour. Faire de même avec l autre extrémité, mais sur une portion de 180 seulement. Glisser le bobinage dans les deux boucles des imperdables. Comme les imperdables sont conductrices, on forme un circuit électrique. Il est fermé, lorsque la bobine est en appui sur les deux portions dénudées du fil. Il sera ouvert, quand l appui se fera sur la portion non dénudée de l une des extrémités. Une pichenette sur la bobine et c est parti! LE MOTEUR 5/9
LE MOTEUR À L EVER UE GÉÉRATRICE! Ce qu il y a d extraordinaire avec les moteurs électriques, c est qu ils pourraient voir leur usage inversé! i tu parvenais à tourner à la main suffisamment vite la mèche d une perceuse, tu pourrais produire un courant électrique digne de celui d une prise murale! Ce n est pas le cas de tous les moteurs. Tu aurais beau descendre des pentes en voiture, le moteur ne pourrait pas fabriquer de l essence il se contenterait de chauffer. L invention du moteur électrique a été précédée par celle de la génératrice dont l alternateur est l une des variantes. C est un dispositif qui comporte une bobine de fil électrique. On fait tourner un aimant au centre de la bobine pour créer un courant électrique dans le fil. Alors que son alimentation en courant aurait créé un électroaimant, un champ magnétique variable en son centre va produire un courant. C est le principe de la dynamo des vélos, des génératrices des centrales hydroélectriques des barrages ou des éoliennes. Ce dispositif permet de transformer l énergie cinétique du vent qui entraîne les pales d une éolienne en énergie électrique (Fig. 3). Il en va de même pour l énergie du courant d une rivière ou de l eau d une conduite forcée d un barrage (Fig. 4). C est le moyen de récupérer l énergie cinétique lors du freinage des véhicules hybrides pour recharger leurs batteries ; ou encore, lors du freinage des locomotives, pour redonner de l énergie au réseau. pale frein multiplicateur génératrice moyeu et commande du rotor nacelle système d orientation fondation transformateur mat lignes à haute tension Fig. 3 lac de retenue barrage conduite forcée lignes à haute tension turbine transformateur Fig. 4 6/9 LE MOTEUR
POUR ALLER PLU LOI TECHOLOGIE : L ALTERATEUR Matériel nécessaire un tournevis (tête plate) une planche de support en bois dont la largeur est un peu inférieure à la longueur de la partie métallique du tournevis (Fig. 10) 20 m de fil en cuivre émaillé un tube de 4 cm de diamètre environ (rouleau de papier WC par défaut) 2 aimants en néodyme un bout de tissu pour manipuler les aimants du scotch de carrossier 2 crochets dans lesquels passe tout juste la tête du tournevis une ampoule de lampe de poche et son support ou une diode LED Manipuler les aimants avec précaution car ils sont très puissants. En emballer un permet d avoir plus de prise pour les séparer. Il ne faut pas chercher à les écarter au moyen d une lame ou d un outil pour ne pas se blesser. Un appui sur une structure métallique permet d avoir suffisamment de prise pour les séparer. Marche à suivre Perce le cylindre d un trou qui permette à la tête du tournevis de passer. Crée un double bobinage avec le fil de cuivre (Fig. 7). En effet, il ne faut pas obstruer le trou par lequel le tournevis doit passer. Laisse 15 cm de fil de libre à chaque extrémité. (Fig. 5) Fig. 5 LE MOTEUR 7/9
Enroule le fil sur la face collante de deux ou trois morceaux de scotch répartis sur le tour du cylindre (Fig. 6). Une fois une couche de fil complète, colle le scotch en le refermant (Fig. 7). Cela permet de maintenir le bobinage serré et l empêche de glisser à l extérieur de la bobine. uperpose ainsi plusieurs couches. Cette étape nécessite du temps et de la méticulosité. Il faut être deux. Le bobinage doit comporter plus de 100 spires. Visse les deux crochets sur la plaque. Insère le tournevis et enroule le scotch de façon à réaliser une butée (Fig. 8). Fig.6 Fig. 7 Insère la tête du tournevis dans la bobine. Place un premier aimant sur une des faces du bout du tournevis. Emballe le deuxième aimant dans un tissu pour le placer sur l autre face du tournevis. Le tissu permet d éviter que le choc ne soit trop violent et de repositionner les aimants au besoin. Une fois qu ils sont bien placés, retire lentement l étoffe (Fig. 9) Fig. 8 Cale la bobine de façon à ce que le tournevis et les aimants puissent pivoter librement. Connecte les deux extrémités du fil aux bornes du support de lampe ou à la diode, sans oublier de gratter les extrémités du fil pour enlever la couche isolante. Il ne reste plus qu à tourner le plus rapidement possible le tournevis. Fig. 9 Améliore le montage!...une manivelle, une courroie, un meilleur bobinage, etc. 8/9 LE MOTEUR
PARETHÈE HITORIQUE Comment la découverte de l électromagnétisme a révolutionné le monde! L unification de l électricité statique, du magnétisme et du galvanisme, a marqué un tournant décisif dans l histoire des sciences et de la technologie. L utilisation de la variation d un champ magnétique pour créer un courant dans un fil conducteur a permis de mettre au point des dynamos (machines dynamoélectriques) ou des alternateurs. Il ne restait plus qu à trouver une source d énergie pour produire le mouvement des aimants nécessaire à la variation du champ : roues à aubes entraînées par l eau d une rivière ou d un barrage (énergie potentielle), vapeur d eau produite par combustion (énergie chimique transformée en énergie thermique). C est le principe utilisé par les génératrices de courant. Le dispositif peut voir son usage inversé. On peut utiliser un courant électrique pour produire un mouvement. C est alors un moteur électrique. C est ce qui est utilisé sur olar Impulse. L énergie rayonnante du oleil est transformée en énergie électrique par les cellules photovoltaïques. Cette énergie électrique sera ensuite utilisée par les moteurs pour produire le mouvement des pales de l avion et lui permettre de voler. uite à l invention des premières dynamos en 1869 ou des alternateurs triphasés (sources de courant alternatif) en 1891, on peut produire des courants électriques significatifs. Dès lors, le courant alternatif et le courant continu se livrent une compétition pour pouvoir desservir des réseaux de plus en plus étendus. Les premières centrales électriques à courant continu défendues par Edison ne peuvent alimenter initialement qu une zone de 2,5 km de rayon. Tesla, qui promeut le courant alternatif, développe des réseaux à haute tension. L invention du transformateur donne un avantage décisif au courant alternatif qui peut être transporté sur de plus longues distances. Le raccordement progressif des différents réseaux fait naître des standards. Ainsi, en Amérique du ord, le courant à 60 Hz de fréquence et à 110 120 V de tension s impose. Dans le reste du monde, le courant à 50 Hz et à 220 230 V l emporte. 220 V, 50 Hz 230 V, 50 Hz 240 V, 50 Hz 110 V, 60 Hz 120 V, 60 Hz 127 V, 60 Hz 220 V, 60 Hz 230 V, 60 Hz 240 V, 60 Hz 110 V, 50 Hz 120 V, 50 Hz 127 V, 50 Hz L extension des réseaux électriques et l amélioration des moteurs précipitent la révolution industrielle. Il n y a pas que les entreprises qui soient métamorphosées, la vie quotidienne change avec la «fée électricité», grâce à l ampoule, à l électro-ménager, aux éclairages et aux nouveaux transports publics entre autres. La première centrale hydroélectrique du monde est installée à t-moritz en 1879! La première compagnie d électricité illumine les rues de urrey (GB) en 1881. La première démonstration d éclairage électrique public suisse a lieu à Lausanne en 1882. En 1885, il y a 115 abonnés au réseau électrique, principalement les commerces de la rue de Bourg. Pendant quelques années, l électricité ne rencontre guère de succès dans le reste du canton. Mais en 1896, comme une traînée de poudre, villes et villages entrent dans la course. Les sociétés électriques suisses s unissent rapidement pour construire des barrages (1947 : la 1 ère Grande-Dixence). Difficile d imaginer la vie sans électricité maintenant! LE MOTEUR 9/9