Moteur électrique

Ventilateur, perceuse, lave-linge, trottinette, train, voiture électrique : le moteur électrique est partout. Il transforme l’énergie électrique en mouvement de rotation, avec un rendement bien supérieur à celui d’un moteur à explosion. Son principe repose sur l'électromagnétisme, la découverte du XIXᵉ siècle selon laquelle un courant électrique crée un champ magnétique. Au collège, on l’étudie comme convertisseur d’énergie ; au lycée, à travers les forces magnétiques.

Le principe : courant et magnétisme

En 1820, le physicien danois Hans Christian Ørsted observe qu’un fil parcouru par un courant fait dévier l’aiguille d’une boussole : un courant électrique crée un champ magnétique. Peu après, Michael Faraday montre qu’un fil parcouru par un courant, placé près d’un aimant, peut être mis en rotation. C’est le premier moteur électrique de démonstration, en 1821. Voir magnétisme et Michael Faraday.

Un moteur exploite les attractions et répulsions entre aimants et électroaimants : pôles de noms contraires qui s’attirent, pôles de même nom qui se repoussent.

Les parties d’un moteur

Comment la rotation se maintient

Dans un moteur à courant continu simple :

1. Le courant traverse la bobine du rotor, qui devient un électroaimant.
2. Ses pôles sont attirés par les pôles contraires des aimants du stator : le rotor tourne.
3. Juste au moment où les pôles se font face, le collecteur inverse le courant dans la bobine : ses pôles s’inversent et le rotor est de nouveau repoussé, puis attiré plus loin.
4. Le cycle se répète et la rotation se poursuit.

Conséquence pratique : inverser les bornes de la pile inverse le sens de rotation d’un petit moteur à courant continu.

Les principaux types

La chaîne énergétique et le rendement

Chaîne d’un moteur : énergie électrique → moteur → énergie mécanique (utile) + énergie thermique (pertes par effet Joule dans les bobinages, frottements). Voir chaîne énergétique.

η = P_mécanique / P_électrique

Moteur et générateur : la même machine

Si l’on fait tourner l’axe d’un moteur à la main ou avec une manivelle, il produit une tension à ses bornes : il fonctionne en générateur. C’est l'induction électromagnétique. Les voitures électriques en tirent parti au freinage : le moteur devient générateur et recharge la batterie (freinage récupératif). Les dynamos de vélo et les alternateurs de centrales fonctionnent sur ce principe (voir production d’électricité).

Expérience classique

Matériel : un petit moteur à courant continu (3 à 6 V), une pile de 4,5 V, un interrupteur, un multimètre en ampèremètre, une DEL avec sa résistance, des fils.

1. Brancher le moteur sur la pile : il tourne. Inverser les bornes : il tourne dans l’autre sens.
2. Mesurer l’intensité à vide, puis en freinant légèrement l’axe avec les doigts : l’intensité augmente, car le moteur doit fournir plus de travail.
3. Débrancher la pile, relier la DEL au moteur et faire tourner l’axe rapidement en le roulant entre les doigts ou avec une ficelle : la DEL s’allume brièvement. Le moteur fonctionne en générateur.

Erreurs fréquentes

• Croire qu’un moteur électrique ne produit aucune perte : il chauffe, même si son rendement est élevé.
• Penser que le moteur « consomme » du courant : il convertit de l’énergie électrique ; l’intensité est la même à l’entrée et à la sortie de ses bornes.
• Confondre moteur et générateur : c’est la même machine, utilisée dans les deux sens de conversion.
• Croire que le sens de rotation ne dépend pas du branchement pour un moteur à courant continu.

Exercice corrigé

Énoncé. Le moteur d’une trottinette reçoit une puissance électrique de 350 W et fournit une puissance mécanique de 300 W. 1) Calculer son rendement. 2) Calculer la puissance perdue et indiquer sous quelle forme. 3) Quelle énergie électrique consomme-t-il en 30 minutes, en Wh ?

Corrigé.

1. η = 300 / 350 ≈ 0,86, soit environ 86 %.
2. 350 − 300 = 50 W, perdus surtout sous forme thermique (effet Joule, frottements).
3. E = 350 × 0,5 = 175 Wh. Voir énergie électrique.

Questions fréquentes

Pourquoi les voitures électriques n’ont-elles pas de boîte de vitesses classique ?

Un moteur électrique fournit un couple élevé dès l’arrêt et fonctionne efficacement sur une large plage de vitesses de rotation : un seul rapport de réduction suffit le plus souvent.

Qui a inventé le moteur électrique ?

Il n’a pas d’inventeur unique. Après la démonstration de Faraday en 1821, de nombreux inventeurs ont construit des moteurs dans les années 1830. Le moteur asynchrone à courant alternatif est associé, à la fin des années 1880, à Nikola Tesla et Galileo Ferraris (voir Nikola Tesla).

Un moteur électrique peut-il fonctionner sans aimant permanent ?

Oui : dans les moteurs asynchrones, le champ du stator est créé par des bobines alimentées en courant alternatif, et le rotor n’a pas d’aimant. Ces moteurs évitent les terres rares utilisées dans les aimants puissants.