premiers moteurs électriques
Expériences électromagnétiques de Faraday, 1821 Les premiers moteurs électriques étaient de simples dispositifs électrostatiques, décrits dans les expériences du moine écossais Andrew Gordon et de l'expérimentateur américain Benjamin Franklin dans les années 1740. Le principe théorique qui la sous-tend, la loi de Coulomb, a été découvert par Henry Cavendish en 1771, mais n'a pas encore été publié. La loi a été découverte indépendamment en 1785 par Charles-Augustin de Coulomb, qui l'a publiée et est maintenant largement connue et son nom. [4] La pile électrochimique [5] inventée par Alessandro Volta en 1799 permettait de générer un courant continu. Après la découverte de cette interaction entre les courants et les champs magnétiques, connue sous le nom d'interaction électromagnétique par Hans Christianrsted en 1820, de nombreux progrès ont été rapidement réalisés. Il n'a fallu que quelques semaines à André-Marie Ampère pour développer la première formule d'interaction électromagnétique et proposer la loi de force d'Ampère, qui décrit l'interaction du courant électrique et du champ magnétique. force mécanique. En 1821, Michael Faraday a démontré pour la première fois les effets du mouvement de rotation. Un fil libre a été plongé dans un bain de mercure où un aimant permanent (PM) a été placé. Lorsque le courant passe à travers le fil, le fil tourne autour de l'aimant, indiquant que le courant crée un champ magnétique circulaire serré autour du fil. [7] De tels moteurs sont généralement démontrés dans des expériences physiques, remplaçant l'eau salée par du mercure (toxique). Les roues de Barlow étaient une première amélioration par rapport à cette démonstration de Faraday, bien que ces moteurs homopolaires et similaires n'aient pas été adaptés à une utilisation pratique jusqu'à la fin du siècle.
"Electromagnetic Self-Rotor" de Jedlik, 1827 (Musée des Arts Appliqués, Budapest). Les moteurs historiques fonctionnent encore bien aujourd'hui.
James Joule montrant Kelvin un moteur électrique au Hunterian Museum de Glasgow en 1842
En 1827, le physicien hongrois Nyos Jedlik a commencé à expérimenter des bobines électromagnétiques. Après que Jedlik ait résolu le problème technique de la rotation continue avec l'invention du commutateur, il a appelé son premier appareil un "auto-rotor électromagnétique". Bien qu'ils n'aient été utilisés que pour l'enseignement, en 1828, Jedrick a présenté le premier dispositif contenant les trois composants principaux d'un moteur à courant continu pratique : le stator, le rotor et le collecteur. L'appareil n'utilise pas d'aimants permanents car les champs magnétiques des composants fixes et rotatifs ne sont générés que par le courant circulant dans leurs enroulements.
docteur moteur
Le scientifique britannique William Sturgeon a inventé le premier moteur à courant continu à collecteur capable de faire tourner des machines en 1832. Suite aux travaux de Sturgeon, l'inventeur américain Thomas Davenport a construit un moteur à courant continu de type collecteur, qu'il a breveté en 1837. Le moteur tourne à 600 tours par minute et alimente l'outil électrique et la presse à imprimer. En raison du coût élevé des batteries primaires, le moteur électrique n'a pas été un succès commercial et Davenport a fait faillite. Plusieurs inventeurs ont suivi Sturgeon pour développer des moteurs à courant continu, mais ils ont tous rencontré le même problème de coût de batterie. En l'absence de système de distribution d'énergie disponible à l'époque, il n'y avait pas de marché commercial réel pour ces moteurs.
Après de nombreuses autres tentatives plus ou moins réussies avec des dispositifs rotatifs et alternatifs relativement faibles, le prussien Moritz von Jacobi créa le premier véritable moteur électrique rotatif en mai 1834. Il produit un rendement mécanique extraordinaire. Sa moto a établi un record du monde, que Jacobi a amélioré quatre ans plus tard en septembre 1838. Sa deuxième moto était assez puissante pour conduire un bateau de 14-personnes sur une large rivière. Toujours en 1839/40, d'autres développeurs ont réussi à fabriquer des moteurs de performances similaires, puis supérieures.
En 1855, Jedlik a construit un appareil capable de faire un travail utile en utilisant des principes similaires à ceux utilisés par son spin-wing électromagnétique. Cette même année, il construit un modèle de voiture électrique.
Un tournant majeur est survenu en 1864, lorsque Antonio Pacinotti a décrit pour la première fois l'armature toroïdale (bien qu'elle ait été conçue à l'origine dans un générateur à courant continu (c'est-à-dire un générateur)). Cette caractéristique a des bobines groupées symétriquement qui sont fermées les unes aux autres et connectées aux barres d'un commutateur dont les balais fournissent un courant presque non fluctuant. Les premiers moteurs à courant continu à succès commercial ont suivi le développement de Zénobe Gramme, qui en 1871 a réinventé la conception de Pacinotti et adopté certaines des solutions de Werner Siemens.
Les avantages du moteur à courant continu découlent de la réversibilité du moteur, qui a été annoncée par Siemens en 1867 et découverte grâce aux observations de Pacinotti en 1869 lorsque Graham l'a accidentellement prouvé, à l'Exposition universelle de Vienne de 1873, lorsqu'il a mis les deux Chacun de ces appareils à courant continu se trouvent à moins de 2 km l'un de l'autre, utilisant l'un d'eux comme générateur et l'autre comme moteur électrique.
Le rotor à tambour a été introduit en 1872 par Friedrich von Hefner-Alteneck de Siemens et Halske pour remplacer l'armature annulaire de Pacinotti, augmentant ainsi l'efficacité de la machine. [6] Les rotors feuilletés ont été introduits l'année suivante par Siemens & Halske, entraînant des pertes de fer réduites et des tensions induites plus élevées. En 1880, Jonas Wenstrm a fourni au rotor des fentes pour accueillir les enroulements, améliorant encore l'efficacité.
En 1886, Frank Julian Sprague a inventé le premier moteur à courant continu pratique, un dispositif sans étincelle qui maintenait une vitesse relativement constante sous des charges variables. À cette époque, les autres inventions électriques de Sprague ont considérablement amélioré les performances de distribution d'énergie du réseau (travaux effectués avant le mandat de Thomas Edison), permettant à l'énergie des moteurs électriques de revenir au réseau, via des fils aériens et des poteaux de chariot alimentant les chariots et fournir le système de contrôle pour le fonctionnement électrique. Cela a conduit Sprague à inventer le premier système de chariot électrique utilisant des moteurs électriques à Richmond, en Virginie en 1887-1888, un ascenseur électrique et un système de contrôle en 1892 et un métro électrique avec des voitures à commande centralisée à alimentation indépendante. Ce dernier a été installé pour la première fois à Chicago en 1892 par le South Side Elevated Railroad, où il était familièrement connu sous le nom de "L". Le moteur électrique de Sprague et ses inventions connexes ont suscité de l'intérêt et ont été largement utilisés dans les moteurs électriques industriels. Le développement de moteurs électriques avec une efficacité acceptable a été retardé pendant des décennies en raison d'une incapacité à reconnaître l'importance critique de l'entrefer entre le rotor et le stator. Les conceptions efficaces ont des entrefers relativement petits. Pour la même raison, la voiture Saint-Louis, longtemps utilisée dans les salles de classe pour illustrer les principes du mouvement, est extrêmement inefficace et ne ressemble pas à une voiture moderne.
Les moteurs électriques ont révolutionné l'industrie. Les processus industriels ne sont plus limités par la transmission de puissance à l'aide d'arbres, de courroies, d'air comprimé ou d'hydraulique. Au lieu de cela, chaque machine peut être équipée de sa propre source d'alimentation, qui peut être facilement contrôlée pendant son utilisation et améliorer l'efficacité du transfert de puissance. Les moteurs électriques utilisés dans l'agriculture retirent l'énergie musculaire humaine et animale de tâches telles que la manipulation du grain ou le pompage de l'eau. L'utilisation de moteurs électriques à la maison réduit le travail pénible à la maison et permet des normes plus élevées de commodité, de confort et de sécurité. Aujourd'hui, les moteurs électriques consomment plus de la moitié de l'électricité produite aux États-Unis.
Moteur à courant alternatif
En 1824, le physicien français François Arago a proposé l'existence d'un champ magnétique tournant, connu sous le nom de rotation Arago, en ouvrant et en fermant manuellement un interrupteur, ce que Walter Baily a démontré en 1879 comme le premier moteur à induction primitif. Au cours des années 1880, de nombreux inventeurs ont tenté de développer des moteurs à courant alternatif viables [31], car les avantages des moteurs à courant alternatif dans la transmission haute tension sur de longues distances étaient compensés par l'incapacité de fonctionner sur des moteurs à courant alternatif.
En 1885, Galileo Ferraris a inventé le premier moteur à induction AC sans collecteur. Ferraris a amélioré ses premières conceptions en produisant des unités plus avancées en 1886. En 1888, l'Académie royale des sciences de Turin a publié l'étude détaillée de Ferraris sur la base du fonctionnement des moteurs électriques, mais a conclu à l'époque qu'"un dispositif basé sur ce principe ne peut avoir aucune signification commerciale en tant que moteur électrique."
Le développement industriel possible a été conçu par Nikola Tesla, qui a inventé son moteur à induction autonome en 1887 et l'a breveté en mai 1888. Cette même année, Tesla a présenté son article sur l'AIEE d'un nouveau système pour moteurs et transformateurs à courant alternatif comme décrit dans trois brevets de types de moteurs biphasés à quatre pôles du stator : l'un avec un rotor à quatre pôles formant un moteur à réluctance non auto-démarrant, et l'autre avec Le rotor bobiné constitue un moteur à induction à démarrage automatique, et le troisième type est un véritable moteur synchrone, qui fournit respectivement une alimentation continue d'excitation aux enroulements du rotor. Cependant, un brevet déposé par Tesla en 1887 décrivait également un moteur à induction à rotor en court-circuit. George Westinghouse avait acquis les droits de Ferraris (1 $,000) et avait immédiatement acheté les brevets de Tesla (60 $,000, plus 2,50 $ par cheval-vapeur vendu jusqu'en 1897 payé en 2010),[32] a embauché Tesla pour développer le moteur électrique et charger CF Scott d'aider Tesla ; cependant, Tesla est parti ailleurs en 1889. [Citations excessives] Il a été constaté que le moteur à induction AC à vitesse constante n'était pas adapté aux tramways, [31] mais les ingénieurs de Westinghouse l'ont modernisé avec succès pour alimenter une exploitation minière à Telluride, Colorado en 1891. [ 53][54][55] Westinghouse réalisa son premier moteur à induction pratique en 1892 et développa une famille de moteurs à induction polyphasés 60 Hz en 1893, mais ces premiers moteurs Westinghouse étaient construits avec un moteur biphasé à rotors bobinés. BG Lamme a ensuite développé le rotor bobiné de la canne à filer. [45]
En promouvant résolument le développement du triphasé, Mikhail Dolivo-Dobrovolsky a inventé le moteur à induction triphasé en 1889, qui est à la fois un rotor d'écureuil et un type de rotor bobiné avec une varistance de démarrage, et en 1890 a inventé le transformateur à trois bras. Entre AEG et Maschinenfabrik Oerlikon, Doliwo-Dobrowolski et Charles Eugene Lancelot Brown ont développé des modèles plus grands, une cage d'écureuil de 20 ch et un rotor bobiné de 100 ch avec une varistance de démarrage. Ce sont les premiers moteurs asynchrones triphasés adaptés à un fonctionnement pratique. Winstrom développe des machines triphasées similaires depuis 1889. Lors de l'exposition électrotechnique internationale de Francfort en 1891, le premier système triphasé longue distance a été présenté avec succès. Il est évalué à 15 kV et s'étend sur 175 km depuis les chutes de Laufen sur le Neckar. La centrale de Lauffen est composée d'un alternateur 240 kW 86 V 40 Hz et d'un transformateur élévateur, tandis qu'à l'exposition un transformateur abaisseur alimente un moteur à induction triphasé de 100 ch qui alimente une cascade artificielle, représentant le transfert du transformateur d'origine. source d'énergie. ] L'induction triphasée est maintenant utilisée dans la grande majorité des applications commerciales. Cependant, il a affirmé que les moteurs électriques de Tesla n'étaient pas pratiques en raison des pulsations biphasées, ce qui l'a incité à s'en tenir à son travail triphasé.
En 1891, GE a commencé à développer le moteur asynchrone triphasé [45] en 1896, GE et Westinghouse ont signé un accord de licence croisée pour la conception du rotor à enroulement de barre, plus tard connu sous le nom de rotor à cage. Les améliorations apportées au moteur à induction découlent de ces inventions et innovations, de sorte que le moteur à induction de 100-chevaux-vapeur a maintenant les mêmes dimensions installées que le moteur de 7,5-chevaux-vapeur de 1897.
Composants
Rotor du moteur (à gauche) et stator (à droite)
Rotor[modifier]
Article principal: Rotor (électrique)
Dans un moteur électrique, la partie mobile est le rotor, qui fait tourner l'arbre pour transmettre la puissance mécanique. Le rotor contient généralement des conducteurs qui transportent des courants qui interagissent avec le champ magnétique du stator pour créer une force qui fait tourner l'arbre. Alternativement, certains rotors portent des aimants permanents, tandis que les stators maintiennent les conducteurs.
palier
Le rotor est supporté par des roulements qui permettent au rotor de tourner autour de son axe. Les roulements sont à leur tour supportés par le carter du moteur. L'arbre du moteur s'étend à travers le palier jusqu'à l'extérieur du moteur, là où la charge est appliquée. Étant donné que la force de la charge est appliquée à l'extérieur du roulement le plus à l'extérieur, la charge est suspendue. [59]
stator
Article principal: Stator
Le stator est la partie fixe du circuit électromagnétique du moteur et se compose généralement d'enroulements ou d'aimants permanents. Le noyau du stator est constitué de nombreuses tôles minces appelées tôles. Les tôles sont utilisées pour réduire les pertes d'énergie qui résulteraient de l'utilisation d'un noyau solide.
trou d'air
La distance entre le rotor et le stator s'appelle l'entrefer. Les entrefers ont un impact significatif et sont généralement aussi petits que possible, car de grands entrefers peuvent avoir un impact négatif important sur les performances. C'est la principale source de faible facteur de puissance pour le fonctionnement du moteur. Le courant d'excitation augmente lorsque l'entrefer augmente. Par conséquent, l'entrefer doit être minimisé. En plus du bruit et des pertes, de petits espaces peuvent également causer des problèmes mécaniques.
Rotor à pôles saillants
Enroulement
Article principal: enroulement
Un enroulement est un fil placé dans une bobine, généralement enroulé autour d'un noyau ferromagnétique doux laminé, pour former des pôles lorsqu'il est alimenté.
Les moteurs sont disponibles en deux configurations de base de pôles de champ : saillant et non saillant. Dans une machine à pôles saillants, le champ magnétique des pôles est créé par des enroulements enroulés sur les pôles sous les faces polaires. Dans les machines à pôles non saillants ou à champ distribué ou à rotor circulaire, les enroulements sont répartis dans des encoches polaires. [60] Un moteur à pôles ombrés a une partie enroulée d'un pôle qui retarde la phase du champ magnétique de ce pôle.
Les conducteurs de certains moteurs électriques sont constitués de métal plus épais, comme des bandes ou des feuilles de métal, généralement du cuivre ou de l'aluminium. Ceux-ci sont généralement entraînés par induction électromagnétique.
commutateur
Article principal: Commutateur (électrique)
Petit moteur à courant continu pour jouets et son collecteur
Un commutateur est un mécanisme utilisé pour commuter l'entrée de la plupart des moteurs à courant continu et de certains moteurs à courant alternatif. Il se compose de segments de bagues collectrices isolés les uns des autres et de l'arbre. Le courant d'induit du moteur est fourni par des balais fixes en contact avec le commutateur rotatif, ce qui provoque l'inversion de courant requise et, lorsque le rotor tourne de pôle à pôle, alimente le moteur de la meilleure façon possible. [61][62] En l'absence de cette inversion de courant, le moteur freinera jusqu'à l'arrêt. Les moteurs à induction et à aimants permanents à commutation externe remplacent les moteurs à commutation électromécanique, compte tenu de l'amélioration de la technologie dans les domaines des contrôleurs électroniques, du contrôle sans capteur, des moteurs à induction et des moteurs à aimants permanents.
Alimentation et contrôle du moteur
Puissance du moteur
Comme mentionné ci-dessus, les moteurs à courant continu sont généralement alimentés par des collecteurs à bague collectrice. La commutation du moteur à courant alternatif peut être réalisée à l'aide d'un collecteur à bague collectrice ou d'une commutation externe, et elle peut être de type à vitesse fixe ou à vitesse variable, et elle peut également être de type synchrone ou asynchrone. Les moteurs électriques à usage général peuvent fonctionner en courant alternatif ou en courant continu.
contrôle moteur
En ajustant la tension continue appliquée aux bornes, les moteurs à courant continu peuvent fonctionner à des vitesses variables.
Les moteurs à courant alternatif, fonctionnant généralement à vitesse fixe, sont alimentés soit directement à partir du réseau, soit via un démarreur progressif.
Les moteurs à courant alternatif fonctionnant à vitesse variable sont alimentés par divers onduleurs de puissance, variateurs de fréquence ou technologies de commutateurs électroniques.
Le terme collecteur électronique est souvent associé aux applications de moteurs à courant continu sans balais auto-commutés et de moteurs à réluctance commutée.
