Vendredi 3 juillet 2015 à 9:07

Sciences et techniques

     Une correspondante a reçu de son syndic, en vue d’une assemblée générale de copropriété, un projet de rénovation de l’ascenseur de son immeuble et elle me demande de lui expliquer la différence entre plusieurs propositions de motorisation.
    Comme j’ai eu à traiter un projet analogue, je peux lui donner les informations essentielles, mais j’ai pensé que le sujet pourrait intéresser d’autres personnes, soit qui auraient des problèmes analogues en copropriété, soit des jeunes en terminale, qui ont peut être un cours sur les moteurs électriques (on voyait cela autrefois en terminale : moteurs et générateurs électriques), ou des jeunes en enseignement technique.
    Je vais donc faire un premier article sur les moteurs électriques et un second sur l’application aux ascenseurs.

    Peut être avez vous un souvenir de terminale, sur l’interaction des champs magnétiques et des conducteurs électriques, que l’on peut résumer très simplement :

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/bonhommeampere.jpg
    1 - Un courant électrique continu, circulant dans un fil, crée un champ magnétique, analogue à celui que créerait un aimant permanent.
 Pour un fil rectiligne les lignes de champ sont circulaires autour du fil. Si un observateur est disposé le long du conducteur de façon que le courant électrique circule de ses pieds vers sa tête, et s’il regarde un point M de l’espace, le champ magnétique en ce point est orienté vers sa gauche (règle du « bonhomme d’Ampère », voir schéma ci contre).

    2 - A l’inverse un champ magnétique peut induire un courant dans un conducteur électrique, si le champ se déplace par rapport au conducteur (ou le conducteur par rapport au champ).
    Le sens du courant par rapport au champ et au déplacement est indiqué par la règle pratique des 3 doigts (voir figure ci dessous).
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/courantinduit.jpg

    3 - Enfin un conducteur, parcouru par un courant, et situé dans un  champ magnétique, est soumis à une force dont la direction est aussi donnée par la règle des trois doigts. (voir figure).

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/forceLaplace.jpg
    4 - En utilisant du courant alternatif périodique et des bobines réparties selon un cylindre, on peut créer un « champ tournant », c’est à dire dont la direction tourne avec une certaine fréquence.
    Quand on utilise un aimant permanent pour créer le champ initial, sa direction est fixe et pour réaliser un moteur il faudrait faire tourner cet aimant, ce qui est trop compliqué. Il est plus simple de créer un champ variable dont le sens tourne à une certaine fréquence.
http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/motasynchstator1.jpg   

Dans le « stator », partie fixe d’un moteur électrique, on a donc un noyau en fer feuilleté de manière à canaliser le flux magnétique, et des paires d’enroulements de fil de cuivre isolés (2 à 5 paires de bobinages), dans lesquels passe le courant alternatif à 50hz (en Europe). S’il n’y a que deux enroulements, équivalents à un aimant à 2 pôles, le champ magnétique créé par le courant, bascule 50 fois par seconde et donc le champ créé par le stator tourne 3 000 fois par minute; s’il y a 2 paires d’enroulement, le champ tournera à 1500 tours/mn et avec 6 pôles (triphasé), à 1000 t/mn.

    Nous allons maintenant voir fonctionner un moteur « asynchrone »http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Unknown2.jpg
    Le « rotor » (la partie tournante) est un simple conducteur refermé sur lui même, soit bobiné, soit constitué par une structure métallique que l’on appelle une « cage d’écureuil » (voir figure)
    Le champ créé par le stator, se déplaçant autour du rotor induit un courant dans ce circuit conducteur et ce courant, réagissant à son tour avec le champ tournant va engendrer une force de Laplace, qui va entraîner le rotor pour faire diminuer cette force.
    Le rotor va donc essayer de suivre la rotation du champ tournant et donc le moteur tourne !!
    En fait il ne le rattrapera pas tout à fait car s’il le faisait, la force de Laplace deviendrait nulle et le rotor ne serait plus entraîné. Il va donc se produire un « glissement » entre la vitesse du champ tournant (par exemple à 1000 t/mn et celle du rotor qui pourra par exemple tourner à 9560 t/mn.
    De plus comme on se servira du moteur pour fournir un travail (par exemple faire monter un ascenseur), cet effort freinera le moteur et le glissement augmentera, la vitesse diminuant par exemple à 900 t/mn.
    Le moteur tourne moins vite que le champ tournant et c’est pour cela qu’il est dit « asynchrone ».
    Par contre la force créé par le champ tournant est forte et on n’a jamais de problèmes de démarrage avec un moteur asynchrone.
Ce sont les moteurs les plus utilisés dans l'industriie.

http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/orgavueeclamoteasyn.jpg

 http://lancien.cowblog.fr/images/Sciences2/Unknown1-copie-1.jpg   Voyons maintenant ce qu’est un moteur « synchrone »
    Le rotor est un aimant permanent. Il s’aligne donc avec le champ tournant et le moteur tourne à la même vitesse que le champ : il est « synchrone » avec lui.
     L’inconvénient c’est qu’au démarrage le champ tourne à au moins 1000 t/mn, alors que le rotor est arrêté. Si la charge mécanique du moteur est forte (un ascenseur chargé par exemple, il démarrera difficilement.
    Les moteurs synchrones n’étaient donc pas utilisés lorsqu’il y avait un travail important à faire, comme le transport d’une charge. Ils sont par contre utilisés pour de petits moteurs dont la charge est fixe et qui doivent tourner à vitesse constante, le disque dur d’un ordinateur par exemple.

    Toutefois grâce à un procédé complémentaire, la « modulation de fréquence », on peut aujourd’hui les utiliser sur des ascenseurs, c’est ce que nous verrons demain.
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