⚙ Spécialité Sciences de l’ingénieur Terminale Générale · Chapitre 3

Moteurs électriques et conversion d'énergie

Moteur à courant continu : modèle électrique (U = E + R I), relations E = k ? et C = k I, caractéristiques, bilan des puissances et rendement ; variation de vitesse par hacheur (MLI) ; moteurs pas à pas et sans balais ; choix d'un moteur.

1. Le moteur à courant continu

UREIU = E + R IE = k ?C = k I(k : constante du moteur)
Modèle électrique d'un moteur à courant continu : une résistance en série avec une force électromotrice proportionnelle à la vitesse.

Propriété · Équations

$U = E + R\,I$ ; $E = k\,\Omega$ (force électromotrice, $\Omega$ en rad/s) ; $C_\text{em} = k\,I$ (couple électromagnétique). Ainsi la vitesse dépend surtout de la tension et le couple de l'intensité.

Exemple · Calcul d'un point de fonctionnement

$U = 24$ V, $R = 1$ ?, $k = 0{,}1$ V·s/rad, $I = 4$ A : $E = 20$ V, $\Omega = 200$ rad/s ($\approx 1\,910$ tr/min), $C_\text{em} = 0{,}4$ N·m.

2. Bilan des puissances

Propriété · Puissances et rendement

Puissance absorbée $P_a = U\,I$ ; pertes par effet Joule $P_J = R\,I^2$ ; puissance électromagnétique $P_\text{em} = E\,I = C_\text{em}\,\Omega$ ; pertes mécaniques (frottements) ; puissance utile $P_u = C_u\,\Omega$. Rendement $\eta = \dfrac{P_u}{P_a}$.

3. Varier la vitesse

Propriété · Hacheur

Un hacheur alimente le moteur par un signal MLI de rapport cyclique $\alpha$ : la tension moyenne vaut $\alpha\,U_\text{alim}$, donc la vitesse est réglable avec très peu de pertes. Un pont en H permet en plus d'inverser le sens de rotation.

4. Autres moteurs

Propriété · Pas à pas et sans balais

Moteur pas à pas : il tourne d'un angle fixe (par exemple $1{,}8^\circ$, soit $200$ pas par tour) à chaque impulsion : positionnement précis sans capteur (imprimantes 3D). Moteur sans balais (brushless) : commutation électronique, bon rendement, longue durée de vie (drones, vélos électriques, ventilateurs).

Activité · Tracer la caractéristique d'un moteur

Matérielmoteur CC, alimentation réglable, ampèremètre, tachymètre, frein (charge réglable).
ConsigneÀ vide puis en charge, relever $U$, $I$ et $\Omega$ ; tracer $E = U - RI$ en fonction de $\Omega$.
RésultatLes points sont alignés sur une droite passant par l'origine, de pente $k \approx 0{,}1$ V·s/rad.
BilanOn vérifie $E = k\Omega$ et on identifie la constante du moteur, indispensable pour le modéliser et le commander.

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Exercices corrigés

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1

Force électromotrice

★☆☆

Avec $k = 0{,}05$ V·s/rad et $\Omega = 300$ rad/s, que vaut $E$ ?

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2

Couple

★☆☆

Même moteur traversé par $6$ A. Couple électromagnétique ?

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3

Loi des mailles

★☆☆

$U = 18$ V, $R = 0{,}5$ ?, $I = 6$ A. Calculer $E$.

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4

Vitesse de rotation

★★☆

Suite : vitesse en rad/s et en tr/min ($k = 0{,}05$) ?

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5

Bilan des puissances

★★☆

Suite : $P_a$, $P_J$ et $P_\text{em}$ ?

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6

Rendement

★★☆

Suite : les pertes mécaniques valent $6$ W. Puissance utile et rendement ?

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8

Vitesse et tension

★★☆

À couple constant, comment varie la vitesse si on augmente la tension d'alimentation ?

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9

Couple et intensité

★☆☆

Que se passe-t-il pour l'intensité quand on freine le moteur (couple résistant plus grand) ?

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10

Démarrage

★★★

Au démarrage ($\Omega = 0$), le moteur ($U = 24$ V, $R = 1$ ?) absorbe quelle intensité ? Pourquoi est-ce un problème ?

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11

Hacheur

★★☆

Un hacheur alimenté en $24$ V a un rapport cyclique de $0{,}6$. Tension moyenne aux bornes du moteur ?

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13

Pas à pas

★★☆

Un moteur pas à pas fait $200$ pas par tour. Angle d'un pas ? Nombre d'impulsions pour un quart de tour ?

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14

Vitesse d'un pas à pas

★★☆

Ce moteur reçoit $400$ impulsions par seconde. Vitesse en tr/min ?

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15

Imprimante 3D

★★☆

Pourquoi utilise-t-on des moteurs pas à pas dans les imprimantes 3D ?

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17

Identifier k

★★☆

Dans l'activité, on mesure $E = 12$ V à $\Omega = 120$ rad/s. Valeur de $k$ ?

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18

Choisir un moteur

★★★

Une application demande $0{,}5$ N·m à $1\,500$ tr/min. Puissance utile minimale ? Puissance absorbée avec $\eta = 0{,}8$ ?

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19

Fonctionnement en génératrice

★★☆

Que se passe-t-il si l'on fait tourner l'arbre d'un moteur CC non alimenté ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) Le couple est proportionnel à l'intensité. b) $E$ est proportionnelle à la vitesse. c) Les pertes Joule valent $R I$.

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