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Comment mettre les choses en mouvement et les maintenir en mouvement sans bouger un muscle ? Alors que les moteurs à vapeur créent de l'énergie mécanique en utilisant de la vapeur chaude ou, plus précisément, la pression de la vapeur, les moteurs électriques utilisent l'énergie électrique comme source. C'est pourquoi les moteurs électriques sont également appelés transducteurs électromécaniques.
Le pendant du moteur électrique est le générateur, qui présente une structure similaire. Les générateurs transforment le mouvement mécanique en énergie électrique. La base physique des deux processus est l'induction électromagnétique. Dans un générateur, le courant est induit et l'énergie électrique est créée lorsqu'un conducteur se trouve dans un champ magnétique en mouvement. Par ailleurs, dans un moteur électrique, un conducteur porteur de courant induit des champs magnétiques. L'alternance des forces d'attraction et de répulsion crée la base de la génération du mouvement.
En général, le cœur d'un moteur électrique se compose d'un stator et d'un rotor. Le terme "stator" est dérivé du verbe latin "stare" = "rester immobile". Le stator est la partie immobile d'un moteur électrique. Il est solidement fixé à la carcasse également immobile. Le rotor, au contraire, est monté sur l'arbre du moteur et peut se déplacer (tourner).
Dans le cas des moteurs à courant alternatif, le stator comprend ce que l'on appelle le noyau laminé, qui est enveloppé dans des fils de cuivre. L'enroulement agit comme une bobine et génère un champ magnétique rotatif lorsque le courant circule dans les fils. Ce champ magnétique créé par le stator induit un courant dans le rotor. Ce courant génère alors un champ électromagnétique autour du rotor. En conséquence, le rotor (et l'arbre du moteur qui y est attaché) tourne pour suivre le champ magnétique rotatif du stator.
Le moteur électrique sert à appliquer le mouvement rotatif créé afin d'entraîner un réducteur (comme convertisseur de couple et variateur de vitesse) ou d'entraîner directement une application comme moteur de ligne.
Toutes les inventions ont commencé par le moteur à courant continu. Aujourd'hui, cependant, les moteurs à courant alternatif de différentes conceptions sont les moteurs électriques les plus couramment utilisés dans l'industrie. Ils ont tous un résultat commun : Le mouvement rotatif de l'axe du moteur. Le fonctionnement des moteurs à courant alternatif est basé sur le principe de fonctionnement électromagnétique du moteur à courant continu.
Comme la plupart des moteurs électriques, les moteurs à courant continu se composent d'une partie immobile, le stator, et d'une partie mobile, le rotor. Le stator est constitué soit d'un aimant électrique utilisé pour induire le champ magnétique, soit d'aimants permanents qui génèrent en permanence un champ magnétique. À l'intérieur du stator se trouve le rotor, également appelé induit, qui est entouré d'une bobine. Si la bobine est connectée à une source de courant continu (une batterie, un accumulateur ou une unité d'alimentation en courant continu), elle génère un champ magnétique et le noyau ferromagnétique du rotor se transforme en électro-aimant. Le rotor est mobile, monté sur des roulements, et peut tourner de manière à s'aligner sur les pôles attractifs, c'est-à-dire opposés, du champ magnétique - le pôle nord de l'induit étant opposé au pôle sud du stator, et vice-versa.
Pour que le rotor soit animé d'un mouvement de rotation continu, l'alignement magnétique doit être inversé à plusieurs reprises. Pour ce faire, on modifie le sens du courant dans la bobine. Pour ce faire, le moteur est équipé d'un collecteur. Les deux contacts d'alimentation sont reliés au collecteur, qui se charge d'inverser la polarité. Les forces d'attraction et de répulsion changeantes permettent à l'induit/au rotor de continuer à tourner.
Les moteurs à courant continu sont principalement utilisés dans des applications de faible puissance. Il s'agit notamment de petits outils, de palans, d'ascenseurs ou de véhicules électriques.
Au lieu d'un courant continu, un moteur à courant alternatif nécessite un courant alternatif triphasé. Dans les moteurs asynchrones, le rotor est un rotor à cage d'écureuil. La rotation résulte de l'induction électromagnétique de ce rotor. Le stator contient des enroulements (bobines) décalés de 120° (triangulaires) pour chaque phase du courant triphasé. Lorsqu'elles sont connectées au courant triphasé, ces bobines créent chacune un champ magnétique qui tourne au rythme de la fréquence de ligne décalée dans le temps. Le rotor induit électromagnétiquement est entraîné par ces champs magnétiques et tourne. Un collecteur, comme dans le cas du moteur à courant continu, n'est pas nécessaire.
Les moteurs asynchrones sont également appelés moteurs à induction, car ils ne fonctionnent qu'avec la tension induite électromagnétiquement. Ils fonctionnent de manière asynchrone parce que la vitesse circonférentielle du rotor induit électromagnétiquement n'atteint jamais la vitesse de rotation du champ magnétique (champ tournant). En raison de ce glissement, le rendement des moteurs à courant alternatif asynchrones est inférieur à celui des moteurs à courant continu.
Dans les moteurs synchrones, le rotor est équipé d'aimants permanents au lieu d'enroulements ou de tiges conductrices. De cette manière, l'induction électromagnétique du rotor peut être supprimée et le rotor tourne de manière synchrone et sans glissement à la même vitesse circonférentielle que celle du champ magnétique du stator. Le rendement, la densité de puissance et les vitesses possibles sont donc nettement plus élevés avec les moteurs synchrones qu'avec les moteurs asynchrones. Cependant, la conception des moteurs synchrones est également beaucoup plus complexe et prend beaucoup plus de temps.
Outre les machines rotatives principalement utilisées dans l'industrie, des entraînements pour des mouvements sur des pistes droites ou courbes sont également nécessaires. Ces profils de mouvement se retrouvent principalement dans les machines-outils ainsi que dans les systèmes de positionnement et de manutention.
Les moteurs électriques rotatifs peuvent également convertir leur mouvement rotatif en mouvement linéaire à l'aide d'un réducteur, c'est-à-dire qu'ils peuvent le provoquer indirectement. Souvent, cependant, ils n'ont pas la dynamique nécessaire pour réaliser des mouvements de "translation" ou de positionnement particulièrement exigeants et rapides.
C'est là qu'interviennent les moteurs linéaires qui génèrent directement le mouvement de translation (entraînements directs). Leur fonction peut être dérivée des moteurs électriques rotatifs. Pour ce faire, imaginez un moteur rotatif "ouvert" : Le stator, auparavant rond, devient un chemin plat (piste ou rail) qui est parcouru. Le champ magnétique se forme alors le long de cette trajectoire. Dans le moteur linéaire, le rotor, qui correspond au rotor du moteur triphasé et qui y tourne en rond, est tiré sur la distance de déplacement en ligne droite ou en courbe par le champ magnétique du stator qui se déplace longitudinalement, comme un chariot ou un traducteur.
L'invention du moteur électrique ne peut être attribuée à une seule personne. Sa découverte est le résultat des recherches de plusieurs inventeurs. Au XIXe siècle, l'intérêt pour l'électrotechnique s'est accru et a inspiré les chercheurs du monde entier. De nouvelles inventions se sont succédé.
Comme les premiers moteurs électriques dépendaient de l'alimentation en courant des piles au zinc, il restait encore beaucoup de chemin à parcourir avant qu'ils ne puissent concurrencer sérieusement les moteurs à vapeur qui prédominaient. La situation a changé avec la mise au point des premiers générateurs d'électricité.
Mais là encore, il y avait des restrictions. Le courant continu généré par les générateurs ne pouvait pas être transporté sur de longues distances. La percée n'a eu lieu qu'avec l'introduction du courant alternatif et triphasé, qui pouvait être transporté sur de longues distances sans grandes pertes, et avec l'invention du moteur à courant alternatif.
Voici un petit aperçu, non exhaustif, des données et des faits historiques :
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