moteurs électriques et générateurs

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Présentation

moteurs électriques et générateurs, dispositifs qui transforment de l'énergie électrique en énergie mécanique (moteurs électriques) ou qui fournissent de l'énergie électrique à partir d'une autre forme d'énergie (générateurs).

Les générateurs les plus employés et les plus puissants sont les générateurs électromécaniques, qui convertissent l'énergie mécanique en énergie électrique. Mais il faut savoir qu'il existe d'autres formes de générateurs, tels que les piles électrochimiques, qui fonctionnent sur le principe des réactions d'oxydoréduction, ou bien encore les générateurs isotopiques, qui utilisent comme source d'énergie les rayonnements émis par des éléments radioactifs (voir radioactivité). Ce dernier type de générateur a l'avantage d'avoir une durée de vie très longue, sans exiger d'entretien. C'est pourquoi on l'utilise dans les engins spatiaux, ainsi que dans certains stimulateurs cardiaques. Dans cet article, on ne s'intéressera qu'aux générateurs électromécaniques, qu'on appellera plus simplement « générateurs ». De la même manière, on désignera par « moteurs », les moteurs électriques.

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Historique

Le fonctionnement des générateurs et des moteurs découle de deux principes physiques réciproques. Le premier, découvert par le physicien français André-Marie Ampère en 1820, est l'un des fondements de l'électromagnétisme (voir magnétisme). Ampère constata que lorsqu'un courant traversait un conducteur placé dans un champ magnétique, ce conducteur était soumis à une force mécanique due au champ. L'autre principe est celui de l'induction, découverte en 1831 par le scientifique britannique Faraday : lorsque l'on fait passer un aimant à travers un conducteur, un courant est induit dans le conducteur. Léon Foucault, en 1850, montra également l'existence de courants induits dans une masse métallique en mouvement située dans un champ magnétique. Ces courants induits furent ensuite appelés « courants de Foucault ».

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Caractéristiques et classification

Les générateurs et les moteurs se composent de deux éléments : l'inducteur et l'induit. L'inducteur, constitué d'un électro-aimant et de son bobinage, produit le champ magnétique. L'induit représente la structure qui porte les conducteurs traversant le champ. C'est en général un noyau en fer doux laminé, autour duquel sont enroulés des fils conducteurs. Ces fils véhiculent le courant induit dans un générateur, ou le courant d'excitation dans un moteur. Les générateurs qui fournissent du courant continu sont appelés dynamos, ceux qui produisent du courant alternatif se nomment alternateurs. (Voir électricité.)

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Générateurs à courant continu (CC)

La forme la plus simple de générateur CC est la dynamo à disque, mise au point par Faraday. Il s'agit d'une roue de cuivre, dont une moitié est placée entre les pôles d'un aimant en forme de fer à cheval. Lorsque ce disque tourne, un courant est induit entre le centre du disque et son bord, dû à l'action du champ de l'aimant. Le disque peut également faire office de moteur, si on applique une tension entre le bord du disque et son centre. La force produite par la réaction magnétique provoque alors la rotation du disque.

Lorsque l'induit tourne entre deux pôles d'un inducteur fixe, le courant dans l'induit change de sens, chaque fois que l'induit change de secteur polaire. Pour produire un courant unidirectionnel (appelé courant continu) à partir d'un tel dispositif, il faut donc parvenir à inverser le sens du courant fourni par le générateur, à chaque changement de secteur polaire de l'induit. Sur les anciens modèles de générateurs, cette inversion s'effectue grâce à un commutateur, composé d'une bague métallique en deux parties, montée sur l'arbre de l'induit. Les deux moitiés de la bague, isolées l'une de l'autre, font office de bornes pour la bobine de l'induit. Lorsque le commutateur tourne, il s'appuie sur des balais fixes en métal ou en carbone, qui sont des pièces conductrices de liaison, et qui transmettent le courant de l'induit au circuit extérieur. Chaque balai entre alternativement en contact avec chaque moitié du commutateur, quand le courant de l'induit change de sens. Par ce procédé, le générateur délivre ainsi au circuit extérieur un flux de courant continu. Ces générateurs CC fonctionnent généralement à des tensions relativement faibles, de l'ordre de 1 500 V, afin d'éviter la formation d'étincelles entre les balais et le commutateur. Sur certains générateurs plus récents, l'inversion est commandée par des dispositifs électroniques, comme des redresseurs à diode.

Sur un induit ne comportant qu'un seul enroulement de fils conducteurs, l'intensité du courant varie en fonction de la zone du champ magnétique que l'enroulement traverse. Comme ce champ n'est pas uniforme, l'induit ne fournira pas un courant constant. Afin d'obtenir un courant d'intensité constante, les générateurs CC actuels utilisent des induits en tambour, composés d'un grand nombre d'enroulements. Ceux-ci sont placés dans des fentes pratiquées le long du noyau de l'induit, parallèlement à son axe, et reliés aux bornes d'un commutateur multiple. Lorsque l'induit tourne, le commutateur se connecte systématiquement à l'enroulement qui traverse à ce moment la zone de haute intensité du champ magnétique. Ainsi le courant fourni par l'induit sera théoriquement constant. Les inducteurs des générateurs actuels sont en général équipés de quatre pôles électromagnétiques au minimum, afin d'augmenter l'intensité du champ magnétique. De petits pôles intermédiaires sont parfois ajoutés, pour compenser les distorsions du flux magnétique de l'inducteur, dues à la réaction magnétique de l'induit.

Les générateurs CC sont communément classés selon la manière dont est monté l'inducteur avec l'induit. Un générateur en série est pourvu d'un inducteur monté en série avec l'induit, tandis qu'un générateur en dérivation possède un inducteur monté en parallèle avec l'induit. Les générateurs à enroulement compound sont dotés d'inducteurs montés en série avec l'induit, combinés à des inducteurs montés en parallèle. Ces deux derniers types de générateurs présentent l'avantage de fournir une tension relativement constante sous des charges électriques variables. Le générateur en série est principalement utilisé pour fournir un courant constant à tension variable. Un magnéto est un petit générateur CC dont le champ magnétique est produit par un aimant permanent.