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TPE (2010-2011)
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Modèle, Modélisation
Les Moteurs électriquesà courant continu
Jérémy ChemlaBastien Nicolas
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Sommaire
Introduction
I. Fonctionnement du moteur à courant continuA. MagnétismeB. Principe de fonctionnement
II. Conception / ExpérimentationsA. ConceptionB. Expérimentation
Conclusion
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Introduction
Comment fonctionne un moteur électrique à courant continu ?
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Introduction
• Un moteur électrique à courant continu est une machine électrique permettant de convertir une énergie électrique en énergie mécanique.
Schéma éclectique
5
I. Fonctionnement du moteur à courant continu
• A. Magnétisme• B. Principe de fonctionnement
6
A. Magnétisme
Lignes de champ d’un aimant permanent
Lignes de champ d’un solénoïde
Lignes de champ avec limaille de fer
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C. Magnétisme
Conducteur rectiligne parcourutpar un courant I
Mise en évidence de la Force de Laplace
• •
8
A. Magnétisme
Intensité du champ en fonction du nombre de spire et du noyau
Électroaimant
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B. Principes de fonctionnement
• Deux parties– Le Stator– Le Rotor
Carter et aimants permanent
Rotor complet
Balais et collecteur
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B. Principes de fonctionnement
Représentation des forces de Laplace dans le moteur
Bobinage du rotor
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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
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II. Conception / Expérimentations
• A. Conception• B. Expérimentations
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A. Conception
• 1er Moteur à courant continu (simple)– 50 cm de fil émaillé– Du fil de cuivre rigide dénudé (support/balais)– Un aimant
Fonctionnement
14
A. Conception
Mise en fonctionnement du moteur
15
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
Matériel nécessaire
Montage
Idée prise sur : http://bernard.gillot.pagesperso-orange.fr
16
A. Conception
Mise en fonctionnement du moteur
17
A. Conception
• Vidéo 2ème moteur
2ème moteur
18
A. Conception
• 3ème Moteur à courant continu– Un support en bois– 5 m de fil émaillé
par bobines (x8)– Deux bouchons
(rotor et collecteur)– Des clous (rotor
et fixations)– Du papier aluminium
(collecteur)– Un axe– Deux aimants de HP– Deux support en acier avec vis pour les aimants
Notre moteur
19
A. Conception
Fabrication du rotor
20
A. Conception
Stator Rotor
• Vidéo 3ème moteur
21
A. Conception
• Prototype finale– Six pièces conçu sous SolidWorks et réalisé avec la machine à
prototypage rapide du lycée– 24 m de fil émaillé par bobine (x8)– Une tige en acier inoxydable Φ5 (axe)– 16 tiges d’acier Φ5 (noyau)– Un raccord en cuivre de plomberie Φ16 (collecteur)– Deux roulement à bille 5*8*2,5 (mm)– Deux bornes de piles 4,5V (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 Φ3 et deux vis Φ5
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A. Conception
Base du rotor, SolidWorks
Support des balais
Support du rotor
Support des aimants
Machine à prototypagerapide du lycée
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A. Conception
Brasure des collecteur
Finition du support des balais Montage du stator
Fabrication du support
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A. Conception
• Vidéo prototype final
2ème moteur
Rotor
Stator
Prototype achevé
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B. Expérimentations
• Mesure de la vitesse en fonction de la tension
Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
26
B. Expérimentations
• Mesure de la vitesse en fonction de la tension
Valeurs expérimentales Graphique de la vitesse
U (V) V (RPM) Ω (rad.s-1)5,2 480 50,26548256,1 575 60,21385926,5 675 70,68583477 905 94,7713784
7,8 1330 139,2772748,2 1500 157,0796339,1 1620 169,646003
10,1 1771 185,45868611,4 1863 195,09290412,4 1970 206,29791813,2 2130 223,05307814,4 2300 240,85543715,5 2440 255,51620216 2550 267,035376
16,7 2645 276,98375217,6 2800 293,21531418,9 3016 315,83478119,5 3156 330,495547
4 6 8 10 12 14 16 18 20 220
50
100
150
200
250
300
350
Vitesse
U (V)
Ω (r
ad.s-
1)
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B. Expérimentations
• Mesure du couple en fonction de l’intensité
Xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
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B. Expérimentations
• Mesure du couple en fonction de l’intensité
Valeurs expérimentalesGraphique du couple
I (A) Force (N) C (N.m) k0,15 1,1 0,00275 0,018333330,19 1,5 0,00375 0,019736840,21 1,9 0,00475 0,022619050,25 2,5 0,00625 0,0250,27 2,7 0,00675 0,0250,29 3 0,0075 0,025862070,32 3,3 0,00825 0,025781250,34 3,5 0,00875 0,025735290,37 4,1 0,01025 0,02770270,39 4,3 0,01075 0,02756410,41 4,5 0,01125 0,027439020,43 4,8 0,012 0,027906980,45 5 0,0125 0,027777780,48 5,1 0,01275 0,02656250,52 5,3 0,01325 0,02548077
0,025233450.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
Couple
I (A)
C (N
.m)
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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
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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.
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SourcesMerci à :
http://google.fr/
http://fr.wikipedia.org/
http://www.youtube.com
http://bernard.gillot.pagesperso-orange.fr
http://membres.multimania.fr/
http://forums.futura-sciences.com/
http://www.installations-electriques.net/
http://www.zeva.com.au/
http://sitelec.org/
http://home.scarlet.be/
http://lsc.univ-evry.fr/
http://2fbj.free.fr/
http://fr.academic.ru/
http://www.supermagnete.fr/
http://fabrice.sincere.pagesperso-orange.fr/
http://physilien.midiblogs.com/
http://www.electrons.ch/
http://www.tribunes.com/
http://www.garmanage.com/
http://subaru2.univ-lemans.fr/
Manuel de physique 1ère S, collection Parisi
… Et surtout aux professeurs encadrant et à toutes les personnes qui ont aidées à la réalisation du projet.