Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable MOTEURS ELECTRIQUES ASPECT MECANIQUE Energie et Environnement Cours T ale 1. Introduction MOTEURS ELECTRIQUES ASPECT MECANIQUE Les moteurs électriques assure la fonction convertir de la chaine d énergie. Ils convertissent l énergie électrique en énergie mécanique. A ce titre, un moteur électrique doit être abordé selon deux points de vue énergétiques : L énergie mécanique fournie. L énergie électrique consommée. 2. Les grandeurs de sortie 2.1. Puissance utile (Pu) C est la puissance mécanique fournie par le moteur sur son arbre. C est la valeur nominale de cette puissance que précisent les fabricants de moteurs. 2.2. Couple (C ou T) C est l'effort en rotation appliqué à un axe. Il est ainsi nommé en raison de la façon caractéristique dont on obtient ce type d'action : un bras qui tire (F1), un bras qui pousse (F2), les deux forces étant égales et opposées : 2.3. Vitesse (angulaire ou de rotation) C est la vitesse à laquelle tourne l arbre du moteur. On utilise différentes notations : Ω : vitesse angulaire en rad/s n : vitesse de rotation du rotor en tr/s N : vitesse de rotation du rotor en tr/min 03.1-Moteurs_Electriques-Aspect_Mecanique Lycée Jules Ferry Versailles 1/8
3. Principaux type de moteurs électriques Il existe de nombreux types de moteurs. Tous sont composés d'un rotor (partie tournante) et d'un stator (partie fixe). Les principaux sont exposés ici. 3.1. Moteurs asynchrone Ces moteurs représentent 80% des moteurs électriques, ce qui est dû à leur simplicité de construction et la facilité de démarrage. Le moteur asynchrone est une machine électrique à courant alternatif. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n'est pas proportionnelle à la fréquence des courants qui traversent le stator. Ces moteurs sont généralement triphasés. Cependant, pour de faible puissance, il en existe qui fonctionnent en monophasé (appareils ménagers par exemple). 3.2. Moteurs synchrone Les moteurs synchrones sont assez similaires aux moteurs asynchrones, que ce soit sur leur composition ou sur leur principe de fonctionnement. La principale différence est que pour le moteur synchrone, la vitesse du rotor est proportionnelle à la fréquence du courant triphasé qui alimente le stator. 3.3. Moteurs à courant continu L'avantage principal des moteurs à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation. L alimentation principale se faisant par le rotor, il en résulte une usure au niveau de cette connexion (balais). 3.4. Moteurs brushless Le moteur brushless ou «sans balai» est une machine électrique de la catégorie des machines synchrones. Vu de l'extérieur, il fonctionne en courant continu. Ces moteurs n ont pas le problème d usure des balais des moteurs à courant continu. 03.1-Moteurs_Electriques-Aspect_Mecanique Lycée Jules Ferry Versailles 2/8
4. Aspect mécanique 4.1. Puissance et couple 4.1.1. Notion de couple Si un moteur entraîne une machine par l intermédiaire d une poulie et d une courroie, il exerce sur la courroie 2 forces égales F distantes entres elles de la valeur du diamètre de la poulie. C : couple en Nm F : force en N R : rayon en m 4.1.2. Travail d un couple Au cours d une rotation d un angle θ, le couple produit un travail que l on désigne par W. W : travail en J C : couple en Nm θ : angle de rotation en rad 4.1.3. Puissance développée par un couple La puissance représente le travail effectué pendant une unité de temps. P : puissance en W W : travail en J t : temps en s 4.1.4. Puissance en fonction du couple =. et =. alors =. Or exprime une vitesse angulaire (Ω = ) d où : P : puissance en W C : couple en Nm Ω : vitesse angulaire en rad/s 4.1.5. Puissance en fonction de la vitesse : =.Ω et =. alors =..Ω. Or.Ω exprime une vitesse linéaire ( =.Ω) d où : P : puissance en W F : force en N v : vitesse linéaire en m/s 03.1-Moteurs_Electriques-Aspect_Mecanique Lycée Jules Ferry Versailles 3/8
4.2. Couple moteur et couple résistant Le couple d une machine varie généralement avec la vitesse, c est une caractéristique mécanique importante. Elle s exprime par une courbe qui est de même expression pour le moteur et la machine entraînée. 4.2.1. Couple constant A l intersection des caractéristiques Cm = f(ω) et Cr = f(ω), les couples sont égaux : = Il y a équilibre. La caractéristique du couple en fonction de la vitesse dépend de la machine à entrainer. Le couple est indépendant de la vitesse, mais la puissance est proportionnelle à la vitesse (90 % des cas). Exemples : - Levage, - Pompage, - 4.2.2. Puissance constante Le couple est inversement proportionnel à la vitesse. Exemples : - Machine à enrouler et à dérouler les tôles, - Essoreuse, - 4.2.3. Couple proportionnel à la vitesse La puissance est proportionnelle au carré de la vitesse. Exemples : - Pompe volumétrique, - Frottements, - 03.1-Moteurs_Electriques-Aspect_Mecanique Lycée Jules Ferry Versailles 4/8
4.2.4. Couple proportionnel au carré de la vitesse La puissance est proportionnelle au cube de la vitesse. C est le cas des machines soufflantes. Exemples : - Ventilateurs, - 4.3. Couple de démarrage Le couple de démarrage doit, d une part, décoller la masse de moment d inertie J et, d autre part, vaincre le couple résistant relatif à la machine à entrainer, d où : Cd : couple de démarrage Cacc : couple d accélération Cr : couple résistant Le couple d accélération Cacc n existe que pendant la mise en vitesse de la masse d inertie J, alors que le couple résistant Cr se maintient durant tout le temps de fonctionnement du moteur. = au point d équilibre, =0 et =. 4.3.1. Moment d inertie J Le moment d inertie d une masse m en rotation est donné par la relation : =.² Cas d un cylindre plein : J : moment d inertie en kg.m² m : masse en kg r : moment de giration en m² Cas d un cylindre creux : 03.1-Moteurs_Electriques-Aspect_Mecanique Lycée Jules Ferry Versailles 5/8
Cas d un réducteur : on peut calculer le moment d inertie ramené sur l arbre moteur par la relation : N 1 : vitesse du moteur N 2 : vitesse de la machine entraînée J 1 : moment d inertie du rotor du moteur J 2 : moment d inertie de la machine entraînée J 2/1 : moment d inertie de la machine ramené sur l arbre moteur Moment d inertie total : les moments d inertie sur un même arbre s additionnent pour obtenir le moment d inertie total. = + / 4.3.2. Couple accélérateur Selon le temps mis par la machine à entraîner pour atteindre sa vitesse nominale, le couple accélérateur sera plus ou moins important. Cacc : couple d accélération en Nm J : moment d inertie total en kg.m² dω : variation de vitesse angulaire en rad/s dt : durée du démarrage en s 03.1-Moteurs_Electriques-Aspect_Mecanique Lycée Jules Ferry Versailles 6/8
4.4. Énergies 4.4.1. Énergie potentielle Lorsque le mécanisme entraîné par le moteur a pour fonction de modifié l altitude d une masse, l énergie est stockée sous forme potentielle. 4.4.2. Énergie cinétique =.!.h et # =.!.h# L accroissement d énergie potentielle entre les altitudes initial (hi) et finale (hf) est : Wp : énergie potentielle en J m : masse en kg g : accélération de la pesanteur en m /s² hf : altitude finale en m hi : altitude initiale en m Tout élément en mouvement peut accumuler une énergie mécanique sous forme cinétique. Mouvement de rotation : Wc : énergie cinétique en J J : moment d inertie en kg.m² Ω : vitesse angulaire en rad/s Mouvement de translation : Wc : énergie cinétique en J m : masse en kg v : vitesse linéaire en m/s 4.4.3. Réversibilité Les énergies potentielle et cinétique peuvent être accumulées ou restituées. La conversion d énergie effectuée par le moteur électrique peut alors devenir réversible. Si l énergie est accumulée, le convertisseur fonctionne en moteur : Si l énergie est restituée, le convertisseur fonctionne en générateur : 03.1-Moteurs_Electriques-Aspect_Mecanique Lycée Jules Ferry Versailles 7/8
4.5. Fonctionnement dans les quatre quadrants Selon le sens du couple et de la vitesse, on peut définir dans un plan couple/vitesse, 4 zones de fonctionnement de la machine. Rotation Fonctionnement Couple Vitesse Puissance Quadrant 1 er sens Moteur + + + 1 Générateur - + - 2 2 ème sens Moteur - - + 3 Générateur + - - 4 Quadrant 1 : Le couple et la vitesse sont dans le même sens : Fonctionnement Moteur. Conversion de l énergie électrique en énergie mécanique. Quadrant 2 : Le couple et la vitesse ont des sens opposés : Fonctionnement Générateur (les charges sont freinées). Conversion de l énergie mécanique en énergie électrique. Quadrant 3 : Le couple et la vitesse sont dans le même sens : Fonctionnement Moteur. Conversion de l énergie électrique en énergie mécanique. Quadrant 4 : Le couple et la vitesse ont des sens opposés : Fonctionnement Générateur (les charges sont freinées). Conversion de l énergie mécanique en énergie électrique. 03.1-Moteurs_Electriques-Aspect_Mecanique Lycée Jules Ferry Versailles 8/8