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Comment mettre et maintenir en mouvement des objets sans utiliser la force musculaire ? L'énergie mécanique d'une machine à vapeur est produite par la vapeur d'eau chaude ou plus précisément par la pression de la vapeur ; un moteur électrique utilise l'énergie électrique comme source. C'est pourquoi on le désigne aussi convertisseur électromécanique.
L'équivalent du moteur électrique est le générateur dont la conception est similaire. Il transforme un mouvement mécanique en puissance électrique. Pour les deux, le principe de base physique est l'induction électromagnétique. Dans un générateur, un courant est induit et de l'énergie électrique est produite lorsqu'un conducteur se trouve dans un champ magnétique tournant. Dans un moteur électrique par contre, un courant traversé par le courant induit des champs magnétiques. Les forces d'attraction et de répulsion alternatives forment la base pour la génération du mouvement.
Par principe, le fonctionnement interne d'un moteur électrique repose sur un stator et un rotor. Le terme "stator" est dérivé du latin "stare" = "être immobile". Il s'agit de la partie statique d'un moteur électrique. Il est fixé à la carcasse, elle aussi immobile. Quant au rotor, il est monté sur l'arbre moteur et est mobile (rotatif).
Dans un moteur triphasé, le paquet de tôles, embobiné de fils de cuivre, est inséré dans le stator. Ces enroulements font office de bobine ; ils génèrent un champ magnétique tournant lorsqu'ils sont traversés par le courant. Grâce au champ magnétique généré par le stator, un courant est produit dans le rotor. Ce courant génère à son tour un champ électromagnétique autour du rotor. Ce qui a pour résultat la rotation du rotor, arbre moteur compris, pour suivre le champ magnétique tournant du stator.
Le moteur électrique a pour fonction d'entraîner un réducteur (convertisseur de couple ou de vitesse) ou directement une application (lorsqu'il est branché directement sur le réseau).
Au début, il y avait le moteur à courant continu. Aujourd'hui, par contre, les moteurs triphasés dans leurs différentes variantes sont les moteurs électriques les plus couramment utilisés dans l'industrie. Leur point commun est le mouvement de rotation de l'axe moteur. Le mode de fonctionnement des moteurs triphasés est basé sur le principe de fonctionnement électromagnétique du moteur à courant continu.
Comme la plupart des moteurs électriques, le moteur à courant continu comporte une partie statique, le stator, et une partie mobile, le rotor. Le stator est composé soit d'un électro-aimant qui induit un champ magnétique, soit d'aimants permanents qui génèrent un champ magnétique en continu. Le rotor est logé dans ce stator, également appelé induit, il est entouré par une bobine. Si la bobine est raccordée sur une source de courant continu (une batterie, un accumulateur ou une alimentation à tension continue), un champ magnétique est généré et transforme le noyau de fer du rotor en électro-aimant. Le rotor est monté sur roulements de manière à ce qu'il puisse tourner ; les pôles opposés du champ magnétique, s'attirant, soient face à face – le pôle nord de l'induit se trouve face au pôle sud du stator et inversement.
Pour que le rotor exécute un mouvement rotatif continu, la polarité doit sans cesse être inversée. Ceci est réalisé par inversion du courant dans la bobine. Pour cela, le moteur dispose d'un commutateur. Les deux contacts d'alimentation sont branchés sur ce commutateur qui se charge de l'inversion de polarité. Les forces d'attraction et de répulsion alternantes assurent la rotation continue de l'induit du rotor.
Les moteurs à courant continu sont surtout utilisés dans des applications avec de petites puissances. Ce sont des petits outils, des dispositifs de levage, des élévateurs ou des véhicules électriques.
Au lieu de courant continu, un moteur triphasé a besoin de courant triphasé, c'est-à-dire de courant alternatif triphasé. Dans un moteur asynchrone, le rotor est appelé rotor à cage d'écureuil. La rotation est obtenue grâce à l'induction électromagnétique du rotor. Le stator est composé d'enroulements (bobines) décalés de 120° (disposés "en triangle") pour chaque phase de courant continu. Au raccordement au courant triphasé, ces bobines forment chacune un champ magnétique, qui tourne au rythme de la fréquence réseau décalée dans le temps. Le rotor induit électromagnétiquement est entraîné par ces champs magnétiques et tourne. Un commutateur, tel qu'il existe sur un moteur à courant continu, n'est ainsi pas nécessaire.
Les moteurs asynchrones sont également appelés moteurs à induction, car ils ne fonctionnent qu'avec la tension induite électromagnétiquement. Ils tournent de manière asynchrone, parce que la vitesse périphérique du rotor induit électromagnétiquement n'atteint jamais la vitesse de rotation du champ magnétique (champ tournant). À cause de ce glissement, le rendement du moteur triphasé asynchrone est plus faible que celui d'un moteur à courant continu.
Dans un moteur synchrone, le rotor est doté d'aimants permanents au lieu des enroulements ou des barres conductrices. De cette manière, l'induction électromagnétique du rotor devient superflue et le rotor tourne sans glissement de manière synchrone avec la même vitesse périphérique que celle du champ magnétique du stator. Le rendement, la puissance volumique et les vitesses possibles d'un moteur synchrone sont nettement supérieurs à ceux d'un moteur asynchrone. Par contre, la structure des moteurs synchrones est plus complexe et l'assemblage plus long.
En plus des machines rotatives très largement répandues dans l'industrie, des entraînements pour des mouvements en ligne droite ou des trajectoires en courbe sont aussi nécessaires. Ces types de profil de mouvement apparaissent essentiellement dans des machines-outils ainsi que des systèmes de positionnement ou de manutention.
Grâce à un réducteur, les moteurs électriques rotatifs sont certes capables de transformer leur mouvement rotatif en un mouvement linéaire, donc de le générer indirectement. Mais souvent, ils ne disposent pas de la dynamique suffisante pour réaliser des mouvements ou des positionnements "en translation" complexes et rapides.
C'est là que les moteurs linéaires trouvent toute leur utilité, car ils génèrent directement le mouvement de translation (entraînements directs). Leur mode de fonctionnement est dérivé de celui des moteurs électriques rotatifs. Pour cela, il faut imaginer un moteur tournant "déplié" : le stator initialement rond est devenue une distance de déplacement plate (piste ou rail), à parcourir. Le champ magnétique se forme le long de cette trajectoire. Dans le moteur linéaire, le rotor sous forme de coulisseau ou de translateur, qui, dans un moteur triphasé tourne en rond, se déplace en ligne droite ou en courbe sur la distance de déplacement mû par le champ magnétique horizontal du stator.
L'invention du moteur électrique n'est pas attribuable à une seule personne. Son développement fut le résultat des recherches de plusieurs inventeurs. Au 19e siècle, l'intérêt pour l'électrotechnique est grandissant ; dans le monde entier, le sujet a inspiré les chercheurs. L'un après l'autre, ils ont présenté de nouvelles inventions.
Les premiers moteurs électriques étaient alimentées par des batteries en zinc. Avant de concurrencer sérieusement les machines à vapeur prédominantes, la route fut donc encore longue. C'est le développement des premiers générateurs de courant qui a ouvert la voie.
Néanmoins, ils avaient leurs contraintes. Le courant continu généré par ces générateurs ne pouvait pas être distribué sur de longues distances. L'avancée historique eu lieu avec l'arrivée du courant alternatif et du courant triphasé, qui pouvaient circuler sur de longues lignes sans pertes importantes, et l'invention du moteur triphasé.
Ci-après, quelques études et travaux, liste non exhaustive !
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