Moteur électrique à balais

Auteur avatarOccitan | Dernière modification 30/11/2019 par Occitan

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Dans cette activité, on va fabriquer un petit moteur électrique bien classique, avec balais et collecteur. C'est sans danger car il est alimenté par une pile de 4,5 V.
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Étape 1 - Les différents constituants

La partie tournante ou rotor

Cette partie est constituée par un électro-aimant bobiné sur un clou en fer doux.

Les deux extrémités du fil émaillé sont reliées chacune à une demi-coquille conductrice. Ces deux demi-coquilles constituent le collecteur qui assure le passage du courant dans la bobine pendant la rotation du rotor.

L'électro-aimant est fixé perpendiculairement à l'axe de rotation constitué par une paille pour boissons. Aux extrémités de la paille sont fixés deux petits axes métalliques.


La partie fixe ou stator

Cette partie est celle qui supporte

- le rotor

- les deux aimants.

- les deux balais qui frottent sur les collecteurs

A la base, il y a une planchette sur laquelle sont fixés des dominos d'électricien.

Deux dominos supportent les deux aimants. Deux autres encore supportent les paliers qui permettent la rotation du rotor. Enfin, deux derniers supportent les balais constitués par deux fils conducteurs élastiques.


Chacun des deux balais est relié aux bornes d'une pile 4,5 V par deux fils de cuivre. Notre moteur est prêt à fonctionner.


Étape 2 - Fonctionnement du moteur (1 / 2)

D'abord, les deux aimants fixes du stator sont disposés comme représenté sur la figure, avec des faces Sud et Nord se faisant face.


Dans un premier temps, supposons que nous mettions un aimant tournant à la place de l'électro-aimant du rotor, avec le pôle SUD tourné vers le haut (étape 1).

Si nous abandonnons cet aimant à lui-même, il va se mettre à tourner naturellement pour atteindre l'étape 2, car les pôles opposés des aimants s'attirent. Puis il va continuer sa course vers l'étape 3. Et là, il sera à sa position d'équilibre car alors les pôles opposés des aimants seront au plus près. Il va donc s'immobiliser à cette position, après quelques oscillations dues à l'inertie du rotor.


Pour pouvoir continuer sa course, il aurait fallu qu'à l'étape 3, les deux pôles de l'aimant tournant changent de sens (sud devient nord et nord devient sud), ce qui est impossible.


Par contre, si on remplace l'aimant par un électro-aimant, ce tour de magie devient possible !



Étape 3 - Fonctionnement du moteur (2 / 2)

Un électro-aimant en effet est un aimant dont l'aimantation dépend du sens du courant dans la bobine. En inversant le sens du courant, on change le pôle nord en pôle sud et vice versa.


Pour expliquer ce qui se passe, on a représenté l'électro-aimant, les collecteurs et les balais, à 4 étapes de la la rotation. On suppose que les aimants du stator non représentés sont toujours disposés de le même façon.


- A l'étape 1, le sens du courant (flèches rouges) est tel que l'on a un pôle sud tourné vers le haut.

- A l'étape 2, juste avant la position horizontale, le courant est toujours dans le même sens et les pôles du rotor n'ont pas changé , continuant à attirer les pôles des aimants fixes du stator.

- A l'étape 3, juste après la position horizontale, on voit que le sens du courant s'inverse dans l'électro-aimant, ce qui provoque le changement du pôle Nord en pôle Sud. Avec cette nouvelle configuration, le rotor continue à tourner dans le même sens.

- A l'étape 4, on se retrouve exactement dans la même configuration qu'à l'étape 1...et le cycle recommence indéfiniment !



Étape 4 - Quelques points particuliers

Les balais élastiques

Comme ils doivent frotter en permanence sur le collecteur, il est nécessaire qu'ils se comportent comme un ressort qui exerce une pression sur les bagues du collecteur. Pour cela, l'idéal est d'utiliser un fil d'acier écroui (traité en surface) qui présente justement cet effet ressort. On trouve ce fil dans le commerce, en magasin de bricolage, sous le nom de corde à piano.


La bobine du rotor

Elle est constituée par un noyau de fer doux sur lequel sont bobinées des spires de fil de cuivre émaillé (on peut trouver ce type de fil dans de vieux moteurs ou transformateurs). Il n'est pas utile d'avoir un nombre de spires précis. Les photos donnent une idée du nombre de ces spires. Par contre, il est très important de bobiner les deux côtés du rotor toujours dans le même sens, sous peine de fabriquer un électro-aimant à champ magnétique nul...

Le noyau de fer doux est un simple clou ordinaire. Le fer doux a une teneur en carbone plus faible que celle de l'acier. Pour nous, il a surtout la propriété de ne pas conserver d'aimantation. Rappelons nous que son champ magnétique s'inverse à chaque demi-tour.


Bagues du collecteur

-Les deux bagues du collecteur sont fabriquées à partir d'un tube en laiton acheté en magasin de bricolage. Elles sont tenues serrées sur l'axe par une bague réalisée avec une roue dentée en plastique percée au bon diamètre (ces roues font partie du kit motoréducteur Opitec). Les extrémités des fils émaillés du rotor sont dénudées et coincées sous les bagues du collecteur. Ce coincement assure la conduction électrique.

- Il faut également noter la position particulière des bagues par rapport à l'électro-aimant: les 2 espaces entre les bagues sont alignés avec le noyau de l'électro-aimant.


Démarrage du moteur

Lorsque le moteur n'est pas alimenté, le rotor a une position stable à l'horizontale. Dans cette position en effet les aimants du stator attirent le noyau en fer doux de l'électro-aimant. Mais à cette position, les deux bagues assurent un mauvais contact avec les balais....


C'est pour cela qu'il vaut mieux démarrer le moteur avec la bobine du rotor placée verticalement. A ce moment le contact avec les balais est optimal. De plus, il n'y a plus la force d'attraction entre le noyau de fer doux et les aimants. Dans ces conditions, le moteur démarre sans être lancé, dès que l'on branche la pile.


Nota:

On aurait pu placer les bagues du collecteur de façon à avoir un bon contact quand le rotor est à l'horizontale. Mais alors, au démarrage, le courant doit être suffisant pour annuler l'attraction entre aimants et fer doux, ce qui n'est pas évident...


Étape 5 - Quelques liens sur les moteurs électriques

Le même principe de moteur, mais avec une simplification au niveau du collecteur et des balais:

http://phymain.unisciel.fr/le-plus-simple-des-moteurs-electriques/


Un principe de moteur cette fois très minimaliste, basé directement sur la force de Laplace:

http://phymain.unisciel.fr/le-moteur-homopolaire/


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