Réalisation d'une lampe et d'un moteur électrique - FSI 2023-2024 PDF

UNIVERSITE LIBRE DES PAYS DES GRANDS LACS FACULTE DE SCIENCES DE L’INGENIEUR FSI DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE BP. 368 GOMA www.ulpgl.net « REALISATION DUNE LAMPE A INCANDESCEN...

UNIVERSITE LIBRE DES PAYS DES GRANDS LACS FACULTE DE SCIENCES DE L’INGENIEUR FSI DEPARTEMENT DE GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE BP. 368 GOMA www.ulpgl.net « REALISATION DUNE LAMPE A INCANDESCENCE ET D’UN MOTEUR ELECTRIQUE » Projet Annuel en L1/FSI réalisé par : LE GROUPE 21 : 1. AHABA BAHARANYI Pascal 21165 2. ASIFIWE NZABANITA Etienne 20562 3. KAMBALE KALITENGE Christophe 21366 4. MAKI KPAMBE Dieumerci 20711 5. MUGISHO BALAGIZI Espoir 20979 6. MUNGUAKONKWA LWABOSHI Christophe 20572 7. MURAMBO BASEDEKE Osee 20704 8. NTAKOBAJIRA BAGUMA Robert 20522 Superviseur : Ingénieur KIMBWENDE THIKU Alex ANNÉE ACADÉMIQUE 2023 - 2024  EPIGRAPHE (LAMPE A INCADECENCE) « L’éducation de l’intelligence n’a pas pour objet la possession du savoir, mais la maitrise des méthodes qui permettent la conquête du savoir ». Quidam EPIGRAPHE (MOTEUR ELECTRIQUE) « Si vous voulez trouver les secrets de l’univers, pensez en termes d’énergie ». Nicolas Tesla 1  REMERCIEMENTS Nos gratitudes les plus sincères à tous ceux qui ont participé passivement et activement à la réalisation de ce projet, particulièrement à l’Ingénieur ALEX KIMBWENDE qui, du début à la fin de ce projet, a non seulement supervisé le déroulement de tout travail, mais aussi a apporté son soutien intellectuel pour arriver à des meilleurs résultats. 2  DEDICACE Ce travail est dédicacé à tous ceux qui ont de l’intérêt à réaliser le même projet, à tous ceux qui voudront revoir notre réalisation avec des objectifs d’amélioration. 3  RESUME Ce projet se focalise globalement sur l’exploitation de l’énergie électrique pour la réalisation d’une lampe et d’un moteur électrique. Etant donné que la plupart des métaux fondent à une température d’environ 522oC, le tungstène, possédant une température de fusion estimée à 3422oC, nous a paru être le bon choix pour l’accomplissement de ce travail. Pour nos essais nous avons choisi d’utiliser les copeaux d’acier doux et la mine de crayon. L’incandescence du copeaux d’acier doux, comme celle de la mine, ne pouvait persister comme nous n’étions pas dans des conditions favorables (dans le vide d’air contenant un gaz rare). Après tous les essais expérimentaux, nous sommes parvenus à allumer une lampe en mine, et avec le copeaux d’acier doux, d’une durée de vie d’environ trois minutes. Concernant le moteur Cet ouvrage consiste à présenter le résultat du travail portant sur la réalisation d’un moteur électrique. De la conception à la validation du prototype du moteur électrique, qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique, passant par l’expérimentation au laboratoire d’électricité. On est parvenu à créer une force d’attraction- répulsion en utilisant certains principes de l’électromagnétisme. Le défi était donc d’arriver à faire tourner notre moteur. 4  TABLE DES MATIERES EPIGRAPHE (LAMPE A INCADECENCE)...................................................... 1 EPIGRAPHE (MOTEUR ELECTRIQUE).......................................................... 1 REMERCIEMENTS............................................................................................ 2 DEDICACE.......................................................................................................... 3 RESUME.............................................................................................................. 4 TABLE DES MATIERES.................................................................................... 5 LISTE DES ABREVIATIONS.......................................................................... 10 0. INTRODUCTION GENERALE.................................................................... 11 0.1. L’objectif général.......................................................................................................... 11 0.2. Les objectifs opérationnels/spécifiques........................................................................ 11 0.3. Methodologies et delimitation du travail...................................................................... 11 Méthodologie................................................................................................................... 11 Délimitation du travail.................................................................................................. 12 0.4. Subdivision du travail................................................................................................... 12 CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES LAMPES ELECTRIQUES......... 13 1.1. Historique.................................................................................................................. 13 1.2. Les types d’ampoules................................................................................................ 13 1.2.1. La lampe à incandescence..................................................................................... 13 1.2.2. Lampe halogène haute efficacité........................................................................ 15 CHAPITRE 2 : REALISATION PRATIQUE, EXPERIMENTATION, OBSERVATION GENERALE ET PRESENTATION DES RESULTATS.... 16 2.1. REALISATION PRATIQUE....................................................................................... 16 2.2. EXPERIMENTATION................................................................................................. 16 2.3. OBSERVATIONS GENERALES................................................................................ 19 2.4. PRESENTATION DU RESULTAT............................................................................. 19 CONCLUSION GENERALE............................................................................ 20 5 BIBLIOGRAPHIE.............................................................................................. 20 MOTEUR ELECTRIQUE²................................................................................ 19 INTRODUCTION GENERALE........................................................................ 19 Méthodologie et délimitation du travail............................................................................... 20 Subdivision du travail.......................................................................................................... 20 CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES MOTEURS ELECTRIQUES...... 20 Definitions des concepts...................................................................................................... 20 Historique............................................................................................................................. 20 Types des moteurs électriques............................................................................................. 21 Les Moteurs électriques à courant continu...................................................................... 21 Les moteurs électriques à courant alternatif.................................................................... 21 Les moteurs à usage spécial............................................................................................. 21 Principe de fonctionnement d’un moteur électrique............................................................ 22 Parties d’un moteur électrique à courant continu................................................................ 23 Le rotor / l’induit............................................................................................................. 24 Collecteur et balais.......................................................................................................... 25 Bobines électromagnétiques............................................................................................ 25 Commutateur................................................................................................................... 25 Roulements...................................................................................................................... 25 Boîtier.............................................................................................................................. 25 Bornes.............................................................................................................................. 26 CHAPITRE 2 : REALISATION PRATIQUE D’UN MOTEUR Erreur ! Signet non défini. ELECTRIQUE A COURANT CONTINU........................................................ 27 Réalisation pratique............................................................................................................. 27 Première étape : fabriquer le support............................................................................... 27 Deuxième étape : fabriquer la bobine.............................................................................. 27 Troisième étape : Réalisation et fixation du système rotorique....................................... 28 Quatrième étape : Installer les aimants permanents........................................................ 28 6  Expérimentation................................................................................................................... 28 Premier essai.................................................................................................................... 28 Deuxième essai................................................................................................................ 29 Troisième essai................................................................................................................ 29 Observation générale........................................................................................................... 30 Présentation du résultat........................................................................................................ 30 CONCLUSIONGENERALE............................................................................. 31 BIBLIOGRAPHIE.............................................................................................. 31 7 LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Données et résultats premier essai........................................................................ 17 Tableau 2 : Données et résultats deuxième essai..................................................................... 17 Tableau 3 : Données troisième et résultats essai...................................................................... 18 Tableau 4: Résultats de la première expérimentation.............................................................. 18 Tableau 5: Résultat deuxième expérimentation....................................................................... 28 Tableau 6: Résultat de la troisième expérimentation............................................................... 28 Tableau 7: Résultat de la quatrième expérimentation.............................................................. 29 8  LISTE DES FIGURES Figure 1: Lampe à incandescence (Les différents types des lampes, 2021)............................. 14 Figure 2 : Lampe halogène (energieplus-lesite.be, 2020)........................................................15 Figure 3 : Assemblage lampe et statif (Prototype)................................................................... 16 Figure 5 : Prototype de la lampe..............................................................................................19 Figure 6 a : Parties générales d’un moteur...............................................................................23 Figure 6 b: Le moteur vu en coupe...........................................................................................23 Figure 7 : Le stator................................................................................................................... 24 Figure 8 : Induit d’un moteur................................................................................................... 24 Figure 9 : Composition détaillée de l’induit............................................................................25 Figure 10 : Illustration des balais et collecteurs....................................................................... 25 Figure 11 : Les différentes parties d’un moteur à CC à aimant permanent............................. 26 Figure 12 : Fonctionnement du moteur.................................................................................... 26 Figure 13 : Support du moteur................................................................................................. 27 Figure 14 : Troisième essai...................................................................................................... 29 Figure 15 : Fonctionnement du moteur.................................................................................... 30 Figure 16 : Prototype final du moteur CC 14V / 5,3 A............................................................ 31 9  LISTE DES ABREVIATIONS LMD : Licence Master Doctorat V: Volt A:Ampere s: seconde W: Watt C : Celsius V :Volt EOE : Expression orale et écrite IRS : Initiation à la recherche scientifique Mécarat 1 : Mécanique rationnelle 1 f.é.m : force électromotrice 10  LA LAMPE A INCANDECENCE 0. INTRODUCTION GENERALE 0.1. L’objectif général Le projet tutoré étant une activité des fins d’années instaurée dans le nouveau système LMD, permet non seulement les étudiants d’associer aux théories apprises à l’auditoire les travaux pratiques expérimentaux mais aussi de se familiariser aux recherches méthodiques étant le pilier de la connaissance. Dans le cadre de ce projet, l’objectif général était de réaliser une lampe à incandescence ce qui a induit une mise en exergue des effets calorifiques du courant électrique. 0.2. Les objectifs opérationnels/spécifiques Pour leurs propriétés physiques, le tungstène et les mines des crayons (composées généralement du carbone) sont les composés couramment utilisés pour la réalisation des lampes à incandescence. Cependant leurs propriétés physico-chimiques ne suffisent pas en elles-mêmes, étant donné que la réalisation d’une lampe à incandescence exige plusieurs conditions nécessaires pour son fonctionnement. Ces conditions qui constituent nos objectifs spécifiques, sont : Cependant la réalisation de ce travail n’a pas été aussi évidente, sur ce il nous a fallu procéder par certains processus à savoir :  Isoler le filament (en copeaux d’acier doux ou mine) de l’aire : Etant donné que le copeaux d’acier doux et le mine en carbone brulent à certaines températures ; cela impliquerait la non persistance de l’efficacité lumineuse. Pour y remédier ; il fallait allumer la lampe dans un milieu qui ne facilite pas la dégradation rapide du copeaux d’acier doux voire du graphite (mine des crayons)  Atteindre la température d’incandescence avant la fusion du filament (mine)  Obtenir de la lumière 0.3. Methodologies et delimitation du travail Méthodologie Pour arriver à des meilleurs résultats, il nous a fallu procéder à une recherche méthodique, considérant certaines méthodes universellement utilisables pour la réalisation d’un travail de bonne qualité :  La méthode fondamentale : elle consiste à une acquisition des connaissances. Elle nous a non seulement facilité le recueil des informations nécessaires et les données nécessaires pour le calcul, mais aussi servi pour la nouvelle culture.  La méthode déductive : consistant à l’exploitation des théories pour les appliquer lors de la réalisation pratique.  La méthode expérimentale : mise en évidence pour tous les travaux expérimentaux au laboratoire menant à la réalisation du prototype. 11  Délimitation du travail Pour plus de réalisme, il nous a fallu commencer par comprendre « C’est quoi une lampe électrique ? ». Cette étude dans la manière la plus large fut une meilleure pour finalement comprendre c’est quoi une lampe à incandescence d’une manière générale, et particulièrement une lampe électrique à incandescence en copeaux d’acier doux, et en carbone/mine de crayon. Suite à l’indisponibilité du tungstène et des gaz nobles sur notre marché local, la plupart de nos essaies utilisera les mines des crayons et du copeaux d’acier doux dans un environnement sans gaz noble ni vide complète. Ainsi, vu les conditions ci-dessus, on ne vise pas la réalisation d’une lampe à incandescence ayant une durée de vie atteignant des heures de fonctionnement mais plutôt quelques minutes. 0.4. Subdivision du travail Ce travail est subdivisé en quatre parties : Introduction Chapitre 1 : Généralités sur les lampes électriques Chapitre 2 : Réalisation pratique, expérimentation et Présentation du résultat Conclusion Générale 12  CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES LAMPES ELECTRIQUES 1.1. Historique Depuis l’antiquité l’homme cherche à faciliter sa vie dans l’univers. De ce fait, de nombreux scientifiques ont développé et continuent à développer des théories qui ont mené à la découverte ou au développement des diverses technologies dont celle de la lampe électrique. En effet, après l’avènement du courant électrique, les scientifiques ont compris que les fils électriques chauffaient suite au passage du courant électrique. Certains scientifiques exploitèrent cet effet pour produire la lumière. Les premières expériences furent réalisées par Humphry Davy en 1808 qui conçut une énorme pile qui lui permit d’obtenir une étincelle aveuglante de façon continue. Cependant, Humphry n’a pas continué son expérimentation. En 1835, James Bowman Lindsay conçut la première ampoule électrique à incandescence mais n’allant pas au-delà du prototype et ne pensant même pas à breveter son invention. En 1860, Joseph Swan eut l’idée de créer un vide dans l’ampoule pour prolonger son incandescence. En 1879, Thomas Edison, qui est considéré comme le père de l’ampoule électrique, conçut une ampoule en filament de coton carbonisé. Les travaux de Thomas étaient une amélioration de ceux de Joseph Swan. L’utilisation de l’ampoule électrique dans les ménages commença 41 ans après les travaux de Thomas Edison. (Les différents types des lampes, 2021) 1.2. Les types d’ampoules L’industrie des ampoules électriques a connu un changement générationnel dans la conception sur base de la matière première. Depuis la première ampoule en base de carbone d’autres conceptions sont survenues. 1.2.1. La lampe à incandescence Principe de fonctionnement Les lampes à incandescence sont constituées d’un filament en carbone, actuellement remplacé par le tungstène qui à une certaine température rougit. En effet, au passage du courant électrique les électrons sont trop agités, ce qui va provoquer une transformation de l’énergie électrique en énergie calorifique. Cette énergie est proportionnelle à la résistance du filament et l’intensité du courant qui traverse le filament. W=RI2t Avec : W= travail électrique 13 R=la résistance du filament I= l’intensité du courant qui traverse le filament t=le temps Il a été prouvé expérimentalement que seul 5% de la quantité d’énergie transformée en énergie calorifique constitue la lumière visible et le 95% constitue la chaleur ou la lumière noire (lumière invisible). (Tungstène-définition, 2021) Chaleur 95% Lumière 5% En une certaine température, sous l’air libre, le filament en tungstène fond ou on peut observer une corrosion du filament. De ce fait, le montage de la lampe est placé dans un verre supposé vide d’air dans lequel est injecté un gaz rare. Pourquoi le tungstène ? Le tungstène est considéré comme le métal avec la plus grande température de fusion la plus élevée, évaluée à 3422o Celsius (tungstène-définition, 2021). Etant donné que pour qu’il y ait production de la lumière visible pour une lampe à incandescence est situé entre 2500 K et 2800K, équivalent à 2227oC et 2527oC (tungstène-définition, 2021), qui est la température de fusion de la plupart des métaux ; le tungstène est incontestablement le meilleur choix pour la réalisation des lampes électriques à incandescence. Parties d’une lampe à incandescence Figure 1: Lampe à incandescence (Les différents types des lampes, 2021) 14 Avantage de la lampe à incandescence La lampe à incandescence fut plus utilisée pour l’éclairage pendant les cent premières années après son industrialisation. Actuellement il devient de plus à plus rare sur le marché et est utilisée pour réchauffer les poussins dans des incubateurs artificiels ; mais aussi pour la décoration des buvettes et restaurant. Désavantages de la lampe à incandescence Seul 5% de l’énergie transformée par effet Joule constitue la lumière. Cela induit 95% de perte d’électricité. Pour ce fait, les scientifiques ont développé une deuxième catégorie des lampes dite lampe électrique halogène. 1.2.2. Lampe halogène haute efficacité Eléments de base Elle est constituée d’un gaz de la famille des halogènes (Iode, Fluor ou Brome) et d’un filament en tungstène. En terme, de luminosité, cette série de lampe est à 20 % plus efficace que la lampe à incandescence. En effet, la lampe à incandescence possède une efficacité lumineuse de 10 lm/W face à 25 lm/W pour la lampe halogène. (Les différents types des lampes, 2021). Figure 2 : Lampe halogène (energieplus-lesite.be, 2020) Fonctionnement Lorsque la température augmente, on observe une fusion du tungstène. Celui-ci se combine avec le gaz halogène puis se redépose sur le filament. Cela implique une dureté aussi importante comparativement à celle de la lampe à incandescence ainsi que son efficacité.  Avantage /Luminosité importante par rapport à la première lampe, lampe à incandescence.  Désavantage /Le problème de perte d’énergie est légèrement résolu. Environ 93% d’énergie constitue la lumière noire ou chaleur et seulement le 7% restant constitue la lumière visible. (L1, 2022). 15  CHAPITRE 2 : REALISATION PRATIQUE, EXPERIMENTATION, OBSERVATION GENERALE ET PRESENTATION DES RESULTATS 2.1. REALISATION PRATIQUE Pour réaliser notre prototype, nous sommes passés par quelques étapes, à savoir : Fabrication du système qui va supporter notre mine : Ce système est constitué principalement de deux armatures qui vont supporter la mine insérée dans une boite en verre formant notre ampoule. Conception du statif qui supportera toute la lampe. Mise de la mine sur les deux armatures et assemblage de tout le système lampe et statif Figure 4 : Assemblage lampe et statif (Prototype) 2.2. EXPERIMENTATION Comme mentionné dans le chapitre précédent, notre objectif était d’arriver à un effet incandescent grâce au passage du courant électrique dans notre filament. Pour y arriver, il nous a fallu procéder par plusieurs essaies en fait de comprendre le comportement des nos deux types de filament, en copeaux d’acier et en graphite (mines des crayons), dans l’air libre et dans 16 un milieu que nous avions supposé vider d’une importante quantité d’oxygène au moyen d’une combustion de l’oxygène par la flamme qui devrait s’éteindre à l’instant où l’oxygène est insuffisant dans la boite de l’ampoule de verre. 1. Premier essai Ce premier essai a été réalisé au laboratoire à l’air libre avec un courant continue avec une mine en graphite 0,7. Résultats Filament Tension Intensité du Puissance de Durée courant la lampe d’éclairement d‘alimentation Mine en 9.5V 4.6A 43.7W 39s graphite 0,7 Tableau 1: Résultats de la première expérimentation Observations faites Au cours de cet essai nous avons constaté que l’intensité de la lumière augmentait avec l’augmentation de la température. Cette température augmente continuellement. Cela aboutissait à une division en deux fragments du filament du graphite. Cette fragmentation prouve une dilatation linéique du filament qui va provoquer la diminution de la cohésion entre molécule, ce qui augmentera ainsi la résistance du filament. Cette fragmentation montre que le graphite atteint sa température de fusion. 2. Deuxième essai Ce deuxième essai a été réalisé avec du graphite (mine du crayon de 0.35 HB ). Le résultat a été relativement le même que pour le test précédent, en termes de durée de vie de la lampe. Cependant nous avons observé une décomposition de la mine de carbone. A une certaine température atteinte, une partie importante se décompose à ce qui ressemblerait à la cendre. Matière utilisée Tension Intensité du Puissance de la Durée de courant lampe luminescence Mine en carbone 8.3V 4.8A 39.84W 1min45sec Tableau 2: Résultat deuxième expérimentation 17 Observation : Nous avons observé une décomposition de la matière. Pas de dilatation linéique. L’effet incandescent n’est pas apparu à la même seconde de branchement. La température augmentait aussi continuellement que l’intensité lumineuse. 3. Troisième essai Après avoir observé le comportement de la mine en carbone et du filament en l’air libre et d’isoler la lampe de l’oxygène. En effet, nous l’avons placé dans une bouteille d’un volume de 0.5 litre que nous avons désoxygénée à bruler l’oxygène présent dans la boite qui nous servait d’ampoule. Ceci est régi par le fait que la combustion n’est possible qu’en présent de l’oxygène. Sur ce, en plaçant une bougie enflammée dans l’ampoule, on supposait qu’une fois la bougie éteinte, une quantité importante de l’oxygène était déjà brulée. ici nous avons utilisé le copeaux d’acier doux Matière Tension Intensité Puissance Durée de luminescence Mine en carbon 16.4V 3.86A 63.30W 3min26sec e Tableau 3: Résultat de la troisième expérimentation Observation Le phénomène de luminescence a été atteint après 1 min 35 sec. On peut donc conclure que la flamme de la bougie a plus désoxygéné la boite que les seringues partant de cette durée un peu plus appréciable que celle atteinte aux précédents essais. 4. Quatrième essai Ce quatrième essai a été réalisé au laboratoire à l’air libre avec un les copeaux d’acier doux Matière utilisée Tension Intensité du courant Puissance de la Durée de lampe luminescence Mine en carbone 10.1V 2.6A 26.26W 55sec Tableau 4: Résultat de la quatrième expérimentation Observations faites Au cours de cet essai nous avons constaté que l’intensité de la lumière augmentait avec l’augmentation de la température. Cette température augmente continuellement. Cela aboutissait à une division en deux fragments du filament du graphite. Cette fragmentation prouve une dilatation linéique du filament qui va provoquer la diminution de la cohésion 18 entre molécule, ce qui augmentera ainsi la résistance du filament. Cette fragmentation montre que le graphite atteint sa température de fusion. 2.3. OBSERVATIONS GENERALES De par les résultats de nos différentes expérimentations, vous pouvez constater que nous n’avons pas atteint les performances des lampes industrielles. En effet, les lampes sont généralement conçues sous vide. Le filament est placé dans un verre vidé d’oxygène dans lequel on a injecté un gaz inerte. Considérant l’état actuel de notre laboratoire, cela nous a été irréalisable. Néanmoins nous avons essayé une technique, qui découle de la condition nécessaire d’une combustion, consistant à bruler l’oxygène présent dans la boite ; en supposant qu’une fois la flamme éteinte, l’oxygène seraient largement brulé. Malheureusement cela n’a pas fortement influence la durée de vie de notre lampe qui utilisé un filament principalement en graphite non pur obtenu à l’aide des mines des crayons. Nous avons aussi constaté que la température de la flamme augmentait continuellement. Avec une tension d’au-delà 6V, l’effet incandescent apparaissait progressivement, ce qui n’était pas le cas pour les tensions inferieures pour lesquelles on attendait une certaine durée avant d’observer cet effet. De ce fait, on confirme qu’une variation de la tension induit une variation de la quantité de chaleur, ce qui induit également une variation de l’intensité du courant ou du flux d’électrons qui va traverser la résistance ou le filament après chaque unité de temps. 2.4. PRESENTATION DU RESULTAT Le résultat final de notre réalisation pratique ou de toutes nos expérimentations est une lampe à incandescence porte par un support à bois. Elle s’allume pendant 38 s minimum, et 3 minute maximum. Figure 5 : Prototype de la lampe 19  CONCLUSION GENERALE La réalisation pratique de notre projet n’a pas été aussi facile que l’on peut l’imaginer. Cependant nous avons atteint notre objectif qui fut d’expérimenter l’effet Joule manifesté par l’obtention d’un effet incandescent au passage du courant dans un filament en graphite (mines des crayons) et le copeau d’acier doux. Ainsi, nous en avons profité pour comprendre le fonctionnement des lampes à incandescence. Nous ne pouvons pas prétendre avoir tout réalisé, plus reste encore à expérimenter ; étant donné que le sujet est trop large et enrichi. Toutes nos expériences ayant été effectuées en courant continu, nous trouvons un intérêt à comprendre le fonctionnement de la lampe électrique à incandescence en expérimentant les effets incandescents en courant alternatif. Nous proposerons aussi le recours à un signal PWM pour alimenter la lampe afin d’expérimenter la variation de la température du filament même avec un courant continu. Sur ce, nous invitons tous les chercheurs à expérimenter le même sujet pour un intérêt formatif, comparatif ainsi que critique BIBLIOGRAPHIE  (s.d.). Récupéré sur energieplus-lesite.be. (2020, Mars 9). Consulté le Octobre 18, 2023, sur energieplus-lesite.be.  L1, g. 1. (2022). Fabrication d'une lampe électrique. Goma.  Les différents types des lampes. (2021, Septembre 30). Consulté le 15 Octobre 2023, sur controverses.sciences-po: https://controverses.sciences-po.fr  tungstène-définition. (2021). Consulté le 17 Octobre 2023, sur techno-sciences: http://www.techno-sciences.net 20  MOTEUR ELECTRIQUE INTRODUCTION GENERALE Justification du choix du sujet Nous avons eu un intérêt particulier pour ce sujet par le fait que les moteurs électriques sont largement utilisés dans des nombreuses applications telles que les véhicules électriques, les appareils électroménagers…Ainsi, apprendre à en construire nous permet de comprendre leur fonctionnement et leur utilisation, ce qui constitue un atout pour les futurs ingénieurs que nous sommes. L’objectif général La réalisation d’un moteur électrique nécessite des connaissances en électricité, en mécanique et en physique. Cette recherche nous permet donc de mettre en pratique les connaissances théoriques acquises pendant les cours en travaillant sur un projet concret : réaliser un moteur électrique. Les objectifs spécifiques Notre projet consiste donc à :  Comprendre le fonctionnement du moteur électrique,  Etablir un plan et le schéma de maquette,  Etudier la praticabilité du projet,  Réduire le coût de production,  S’adapter aux contraintes techniques  Se répartir les tâches de manière à optimiser le temps et être le plus efficaces possible,  Apprendre des nouvelles notions à travers les recherches menées,  Développer des compétences en gestion des projets, de communication, collaboration ainsi que de prise de décision. 19 Méthodologie et délimitation du travail Pour la réalisation du projet, nous avons fait recours aux méthodes et techniques suivantes :  Méthode fondamentale : consiste à acquérir des nouvelles connaissances à partir des travaux ou des faits observables  Méthode déductive : nous sommes partis des lois aux faits.  Méthode expérimentale : expérience au laboratoire ou expérimentation sur le terrain qui met en exergue les théories déjà apprises soit pour dégager les lois ou soit pour comprendre les lois. Ce travail ne traitera que la réalisation d’un moteur à courant continu à excitation séparée avec un inducteur fait à base des aimants permanents. Subdivision du travail En plus de l’introduction et de la conclusion générale, ce travail comprend :  Le chapitre 1 : généralités sur les moteurs électriques. On y trouve exposées quelques notions théoriques relatives aux moteurs électriques.  Le chapitre 2 : réalisation pratique d’un moteur électrique à courant continu. On y trouve exposées les notions pratiques relatives à la réalisation du projet, les expériences menées ainsi que la présentation des résultats. CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES MOTEURS ELECTRIQUES Dans ce chapitre, nous donnons un aperçu global sur les moteurs électriques afin de nous assurer de donner les informations importantes qui permettrons au lecteur de se familiariser avec certains concepts clés pour bien comprendre la suite du document. Definitions des concepts  Moteur : un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique…) en une énergie mécanique ou travail. Le moteur électrique convertit l’énergie électrique en énergie mécanique (en mouvement).  Gabarit de bobinage : un gabarit est un moule sur lequel on enroule les fils conducteurs constituant la bobine.  Bobinage : le bobinage est une opération qui consiste à l’enroulement sur le gabarit des fils de cuivre constituant la bobine.  Fils de bobinage : fils formés par un conducteur de cuivre électrolyte a forte conductivité, susceptible d’être confiner au moyen de divers objets.  Rotor : le rotor est la partie tournante d’un mécanisme en mouvement de rotation.  Stator : le stator est la partie fixe d’un moteur électrique. Historique Le moteur électrique trouve ses origines au XVIIIe siècle dans des expérimentations de savants. Il connaît un premier essor industriel vers les années 1830 en vue de ses applications dans les transports, mais se heurte à des difficultés liées aux coûts des solutions alternatives. Puis, il 20  s’impose grâce à des innovations dans d’autres domaines (télégraphes, détonateurs, éclairage…), avant de revenir en force dans les transports (tramways et métros) à la fin du XIXe siècle, ainsi que dans des véhicules électriques. La densité énergétique de l’essence le rend durablement inutilisable pour les véhicules particuliers, alors que les applications électriques se multiplient dans les courants faibles (électroménager, musique, téléphonie, électronique), mais également forts (turboalternateurs, transports en commun), tout au long du XXe siècle. En France, ces industries passent en un siècle de quelques milliers à plus d’un million de salariés. Les véhicules électriques reviennent en force au début du XXIe siècle dans le triple contexte du renchérissement des énergies fossiles, de leur raréfaction et des défis liés à l’effet de serre. Types des moteurs électriques En fonction du type du courant d’alimentation et du domaine d’application, il existe plusieurs types de moteurs électriques : Les Moteurs électriques à courant continu Les moteurs à courant continu sont largement utilisés dans les applications industrielles. Ils fonctionnent en transformant l’énergie électrique du courant continu en énergie mécanique. Comme son nom l’indique, le moteur à courant continu peut être alimenté par du courant continu provenant d’une source de tension continue, par exemple une batterie de 12V. Les moteurs électriques à courant alternatif Ce type de moteurs électriques utilise du courant alternatif pour la transformer en énergie mécanique. Il comprend généralement deux parties principales : un stator externe avec des bobines alimentées par un courant alternatif pour créer un champ magnétique tournant et un rotor interne fixé à l’arbre qui crée un second champ magnétique rotatif. Ces moteurs ne sont pas aussi facilement contrôlables en vitesse que les moteurs à courant continu. Pour mieux contrôler leurs vitesses, ces moteurs sont habituellement utilisés avec des variateurs de fréquence. Nous distinguons 2 groupes de moteurs à courant alternatif :  Les moteurs synchrones : Les moteurs synchrones par définition sont des moteurs à courant alternatif dans lesquels à l’état d’équilibre, la rotation de l’arbre est synchronisée avec la fréquence du courant appliqué  Les moteurs à induction ou asynchrones : ils utilisent l’induction électromagnétique pour transformer l’énergie électrique en énergie mécanique. C’est le type de moteurs le plus souvent utilisé dans l’industrie, car ils présentent une conception robuste, des prix moins élevés et ils sont faciles à entretenir. Sur la base de la construction du rotor, ces moteurs sont classés en deux types, à savoir à cage d’écureuil et à rotor bobiné. Les moteurs à usage spécial Ce sont tous les moteurs dont les caractéristiques de construction ou d’usage répondent à des besoins particuliers en termes de performances, de dimensions, de puissance, de vitesse, de température ou encore de conditions environnementales. Les moteurs à usage spécial sont souvent conçus sur mesure pour répondre à des besoins spécifiques et sont donc plus coûteux que les moteurs standards. Ils sont également soumis à des normes strictes en termes de sécurité et de fiabilité, ce qui garantit leur qualité et leur longévité. On les rencontre dans différents domaines tels que l’horlogerie, pour les machines d’assemblage, les machines de production de boîtes de montres, les machines de gravure et de découpe, etc. 21 Principe de fonctionnement d’un moteur électrique La force de Lorenz et de Laplace La force de Laplace ou de Lorenz ou encore force magnétomotrice est la force produite par un courant à la présence du champ magnétique, elle s’exerce donc sur un conducteur parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magnétique. Elle est responsable du mouvement d’un moteur qui tourne grâce à la présence du courant et des aimants pouvant produire un champ magnétique. En effet, lorsqu’un une particule chargée est placée dans un champ magnétique, elle commence à se mettre à mouvement. Etant donné que le déplacement d’une particule est dû à l’action d’une force, on en déduit qu’une force, dite force de LORENZ, est à l’origine du mouvement de la particule. La force de Lorenz est dépendante de la vitesse 𝑣⃗, du champ 𝐵⃗⃗ créé par un aimant ou un électroaimant, et aussi de l’intensité de la charge q. On en déduit : 𝐹⃗= 𝑞𝑣⃗˄𝐵⃗⃗ (Formule de Lorenz) Mêmement, lorsqu’un fil traversé par un courant d’intensité I est placé dans un champ magnétique, on observe des déplacements dans une direction qui dépend du sens de circulation du courant. Le courant étant un déplacement des particules chargées, chacune d’elles est soumise à une force de Lorenz. En effet, c’est leur résultant qui est à l’origine du déplacement du fil. Cette résultante est dite force de LAPLACE, elle dépend de la du vecteur déplacement 𝑙⃗, du champ 𝐵⃗⃗ et de l’intensité du courant I qui traverse le fil. On en déduit : 𝐹⃗= I𝑙⃗ ˄ 𝐵⃗⃗ (Formule ou loi de LAPLACE) Remarque : La force de Lorenz est perpendiculaire au plan déterminé par le vecteur vitesse et le vecteur champ. A d’autres mots, elle est orthogonale à ces deux vecteurs. La force de Laplace est orthogonale au vecteur déplacement et au vecteur champ. La règle des trois doigts de la main droite permet de déterminer le sens de la force électromagnétique. La loi de Faraday La loi de Faraday, également appelée loi de l’induction électromagnétique, est une loi fondamentale en électromagnétisme qui décrit un champ magnétique variable dans le temps et la production d’un courant électrique induit dans un circuit. Enonce : « L'intensité de la f.é.m. induite dans un circuit est donnée par la valeur absolue du taux de variation du flux magnétique, φ⃗B⃗⃗ au travers de ce circuit » : 22  dφ⃗B⃗⃗ ξind = dt Loi d’ohm La loi d’ohm est une loi fondamentale de la physique qui décrit la relation entre la tension, le courant et la résistance dans un circuit électrique. Enoncé : « La tension aux bornes d’un conducteur est directement proportionnelle au courant qui le traverse, et inversement proportionnelle à la résistance du conducteur. » La loi de Faraday telle qu'énoncée permet de déterminer l'intensité de la f.é.m. induite. Cependant, on peut en déduire l'intensité du courant induit à l'aide de la loi d'Ohm : ξind 𝑅= Iind Parties d’un moteur électrique à courant continu D’une manière générale, les différentes parties d’un moteur sont les suivantes Figures 6a :Parties d’un moteur Ainsi, pour le fonctionnement, l’inducteur crée un champ magnétique (flux d’excitation) de direction Nord-Sud grâce soit à des aimants permanents ou des électroaimants. Ce champ magnétique interagit ensuite avec un autre champ crée par des électro-aimants constituant l’induit. Vu en coupe, le moteur se présente ainsi : Figure 6b : Le moteur vu en cou 23 Le moteur à courant continu se compose de : Le stator / l’inducteur Cest la partie fixe du moteur qui contient les aimants permanents ou les bobines électromagnétiques. Figure 7 : Le stator Il se compose principalement :  De la carcasse,  Des paliers,  Des flasques de palier,   Des portes balais.  Un ensemble de paires de pôles constitué d’un empilement de tôles ferromagnétiques.  Les aimants permanents ou les enroulements (ou bobinage en cuivre) destinés à créer le champ ou les champs magnétiques suivant le nombre de paires de pôles. Le rotor / l’induit L’induit du moteur à courant continu est composé d’un arbre sur lequel est empilé un ensemble de disques ferromagnétiques. Des encoches sont axialement pratiquées à la périphérie du cylindre formé par les disques empilés. Dans ces encoches les enroulements (bobines de l’induit) sont “bobinés” selon un schéma très précis pouvant être simple ou complexe. Figure 8 : Induit d’un moteur 24  Figure 9 : Composition détaillée de l’induit. L’interface entre l’alimentation à courant continu et le collecteur de l’induit est assuré par les balais et les porte- balais. Collecteur et balais Le collecteur est une pièce en forme de cylindre qui se trouve à l'extrémité de l'arbre du rotor et qui permet de collecter le courant électrique pour alimenter les bobines. Les balais quant à eux sont des pièces en graphite qui frottent contre le collecteur pour assurer la connexion électrique entre le stator et le rotor. Figure 10 : Illustration des balais et collecteurs Le point de contact entre les balais et le collecteur constitue le point faible du moteur à courant continu. Bobines électromagnétiques Ce sont des enroulements de fil de cuivre qui créent un champ magnétique lorsqu'ils sont parcourus par un courant électrique. Commutateur C'est un dispositif qui permet de changer la direction du courant électrique dans les bobines pour inverser le sens de rotation du moteur. Roulements Ce sont des pièces qui permettent de supporter et de guider l'arbre du rotor pour qu'il puisse tourner sans être désaxé. Boîtier C'est l'enveloppe extérieure du moteur qui protège les parties internes et assure l'isolation électrique. 25 Bornes Ce sont les points de connexion électrique où les fils d'alimentation sont reliés au moteur. Figure 11 : Les différentes parties d’un moteur à CC à aimant permanent Ainsi, un champ magnétique (flux d’excitation) de direction Nord-Sud est créé par l’aimant permanent (ou par un électroaimant selon le cas). On utilise alors une spire dont les deux conducteurs évalués par rapport à son axe sont chacun raccordés électriquement à un demi collecteur et alimentés en courant continu via deux balais frotteurs. Lorsqu’une spire solidaire à un axe de rotation est placée dans le champ magnétique créer par le circuit inducteur (aimant permanent), conformément à la loi de Laplace, les conducteurs de l’induit (la bobine) placés de part et d’autre de l’axe des balais (ligne neutre) sont soumis à des forces F égales mais de sens opposé en créant un couple moteur : l’induit se met à tourner. Figure 12 : Fonctionnement du moteur 26  CHAPITRE 2 : REALISATION PRATIQUE D’UN MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT CONTINU Dans ce chapitre nous entamons la partie pratique de notre projet. Après une recherche minutieuse sur les notions importantes requises pour la réalisation d’un moteur électrique, après nous être renseigné sur les différents types de moteurs électriques cités dans le premier chapitre, nous nous proposons de fabriquer un moteur électrique à courant continu car ce dernier convertit une grande partie d’énergie électrique en énergie mécanique, il est plus petit et plus compact que les autres types des moteurs, ce qui les rend facile à intégrer dans des espaces restreints et possède un nombre limité de pièces mobiles. Réalisation pratique Nous avons utilisé les matériaux suivants :  Du fil de bobinage  Un gabarit  Un support en planche  Du fil conducteur  Des roulements  Les aimants permanents. Première étape : fabriquer le support Nous avons décidé de faire un support en bois car il est plus simple à manipuler (couper, percer) que d’autres matériaux également envisageables. On le retrouve de plus à un prix abordable sur le marché local. Figure 14 : Support du moteur Deuxième étape : fabriquer la bobine Nous avons enroulé du fil de bobinage autour du volume parallélépipédique du gabarit pour faire une bobine. Nous avons enroulé le fil de cuivre émaillé de 0.22mm de diamètre autour d’un gabarit pour créer notre bobine. Le revêtement en émaille isole électriquement les fils les uns des autres pour permettre au courant de circuler dans l’ensemble du fil dans le cas contraire il prendra le chemin le plus court possible et nous n’aurons pas de champ magnétique fort. Cette bobine est constituée de 300 spires. 27 Troisième étape : Réalisation et fixation du système rotorique La bobine est fixée sur l’axe de rotation, ce qui va constituer notre rotor. Cet axe est fixé de telle sorte que le champ magnétique créé par les aimants permanents engendre un mouvement de rotation au niveau du rotor. Les collecteurs sont placés sur l’axe de rotation pour alimenter la bobine. Le rotor est fixé sur deux armatures parallèles à travers des roulements en billes pour plus de mobilité. Nous avons utilisé un métal en acier pour former l’axe. Quatrième étape : Installer les aimants permanents Nous avons utilisé des aimants en anneau, des aimants qu’on trouve dans des hauts parleurs, à défaut d’avoir un grand aimant en U sur le marché locale Expérimentation Après avoir monté le moteur, nous avons réalisé plusieurs essaient sous plusieurs tensions, pour étudier la variation de la vitesse de rotation du rotor. Cependant nous n’avons pas seulement varié la tension aux bornes de la bobine, nous avons aussi varié la distance qui sépare les aimants permanents de la bobine. Le sens du courant et le positionnement de la bobine ont été aussi des paramètres d’étude de la rotation du rotor, car le sens de rotation et le mouvement ou non de celui-ci en dépendent plus. Etant donné que la bobine possède une résistance qui va s’opposer à la circulation du courant, cela va entrainer une augmentation de la température par effet Joule. Nous avons évalué cette variation de la température en variant la tension. Premier essai Pour ce premier essai, nous avons alimenté notre bobine de 200 spires avec un courant de 1.5A sous une tension de 12V. Tension Intensité Positionnement Constat Effet Joule la bobine (Durée de l’essai) 7.1V 1.5 A Coaxial avec les Pas de Variation très aimants négligeable mouvement Tableau 5 : Données et résultats premier essai Observation Le rotor ne tournait pas lorsque la bobine était coaxiale aux aimants. Cela est dû au fait que les pôles des deux aimants et celles de la bobine sont alignés. Les vecteurs champs sont parallèles, d’où le rotor a tendance à effectuer un mouvement de translation parallèlement à lui-même. Le moteur ne tourne que si l’on excite son mouvement. Donc il n’y a pas d’autodémarrage. Cette rotation est due à la variation des angles formés par les axes des aimants et celui de la bobine. Rotation en faible vitesse 28 Deuxième essai Après le premier essai, nous avons voulu augmenter la vitesse de rotation de notre rotor et pour ce faire, nous avons rapproché les aimants. Ce rapprochement a élevé l’intensité du champ magnétique et cela a occasionné l’augmentation de la vitesse de notre rotor, nous avons également augmenter la tension () pour obtenir une plus grande vitesse. L’intensité du champ magnétique est le plus élevée près des pôles de l’aimant. Tension Intensité du Positionnement de Constat Effet Joule courant la bobine (Durée de l’essai) 8.4V 2.74A Angle des axes α Mouvement La variation de de rotation la température (0