Moteur à Courant Continu comme Actionneur

Exercice : Moteur à Courant Continu comme Actionneur

Étude d'un Moteur à Courant Continu comme Actionneur

Contexte : L'utilisation d'un Moteur à Courant ContinuUn moteur qui convertit l'énergie électrique en courant continu en énergie mécanique de rotation. (MCC) comme actionneur.

Les moteurs à courant continu sont des composants fondamentaux en électrotechnique et en robotique. Ils servent d'actionneurs, c'est-à-dire qu'ils transforment un signal électrique en une action mécanique (généralement une rotation). Dans cet exercice, nous allons analyser un système simple mais représentatif : un moteur à aimants permanents utilisé pour soulever une charge via un treuil. Cette étude nous permettra de lier les grandeurs électriques (tension, courant) aux grandeurs mécaniques (couple, vitesse).

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à modéliser le comportement d'un moteur à courant continu dans une application concrète. Vous appliquerez les lois fondamentales de l'électromécanique pour prédire les performances du système (vitesse, courant de démarrage, rendement).


Objectifs Pédagogiques

  • Appliquer les équations électrique et mécanique d'un moteur à courant continu.
  • Calculer le couple, le courant et la vitesse en régime permanent.
  • Analyser le régime transitoire du démarrage et calculer le courant d'appel.
  • Évaluer le rendement énergétique du système électromécanique.

Données de l'étude

On s'intéresse à un système de levage simple, constitué d'un moteur à courant continu à aimants permanents qui entraîne un treuil de petit diamètre pour soulever verticalement une masse.

Schéma du système de levage
Moteur CC r m v
Caractéristique Symbole Valeur Unité
Tension d'alimentation nominale \(U_{\text{n}}\) 24 V
Résistance de l'induit \(R_{\text{a}}\) 0.5 Ω
Constante de moteur (couple/f.c.e.m.) \(K\) 0.1 N.m/A ou V.s/rad
Masse à soulever \(m\) 5 kg
Rayon du treuil \(r\) 0.05 m
Accélération de la pesanteur \(g\) 9.81 m/s²

Questions à traiter

  1. Calculer le couple résistant \(C_{\text{r}}\) exercé par la charge sur l'arbre du moteur.
  2. En régime permanent et en négligeant les frottements, déterminer le courant d'induit \(I_{\text{a}}\) nécessaire pour soulever la charge.
  3. Calculer la vitesse de rotation du moteur \(ω\) (en rad/s) puis \(N\) (en tr/min) lorsque la charge est soulevée à vitesse constante.
  4. Calculer le courant de démarrage \(I_{\text{d}}\) du moteur (à vitesse nulle).
  5. Calculer la puissance mécanique utile \(P_{\text{u}}\), la puissance électrique absorbée \(P_{\text{a}}\) et le rendement global \(\eta\) du système en régime permanent.

Les bases sur le Moteur à Courant Continu

Le moteur à courant continu à aimants permanents est modélisé par deux équations fondamentales qui lient les domaines électrique et mécanique.

1. Équation électrique
La tension d'alimentation \(U\) se répartit entre la chute de tension dans la résistance de l'induit et la force contre-électromotriceTension induite dans le bobinage du moteur due à sa rotation dans un champ magnétique. Elle s'oppose à la tension d'alimentation. (f.c.e.m.) \(E\). \[ U = E + R_{\text{a}} \cdot I_{\text{a}} \]

2. Équations électromécaniques
La f.c.e.m. \(E\) est proportionnelle à la vitesse de rotation \(ω\). Le couple moteur \(C_{\text{m}}\) (ou couple électromagnétique) est proportionnel au courant d'induit \(I_{\text{a}}\). Pour un moteur à aimants permanents, la constante de proportionnalité \(K\) est la même. \[ E = K \cdot ω \quad \text{et} \quad C_{\text{m}} = K \cdot I_{\text{a}} \]


Correction : Étude d'un Moteur à Courant Continu comme Actionneur

Question 1 : Calculer le couple résistant \(C_{\text{r}}\)

Principe

Le couple résistant est le couple que la charge mécanique (ici, la masse suspendue) oppose à la rotation du moteur. Il est dû à la force (le poids de la masse) s'appliquant à une certaine distance de l'axe de rotation (le rayon du treuil).

Mini-Cours

En mécanique, le couple (ou moment de force) est une grandeur qui mesure l'aptitude d'une force à faire tourner un système autour d'un point ou d'un axe. Pour une force \(\vec{F}\) appliquée à un point P, le moment par rapport à un axe est \(C = \Vert\vec{r}\Vert \cdot \Vert\vec{F}_{\perp}\Vert\), où \(\vec{r}\) est le bras de levier et \(\vec{F}_{\perp}\) est la composante de la force perpendiculaire au bras de levier. Dans notre cas, le poids est perpendiculaire au rayon du treuil, simplifiant le calcul.

Remarque Pédagogique

Visualisez toujours la transformation du mouvement. Ici, on passe d'une force linéaire (le poids qui tire vers le bas) à un couple de rotation (ce qui fait tourner le treuil). Comprendre cette conversion est la clé pour relier la mécanique de la charge au moteur.

Normes

Bien qu'il n'y ait pas de norme de calcul direct pour cet exercice simple, les méthodologies de calcul mécanique et électrique sont standardisées au niveau international, notamment par l'ISO et la CEI (Commission Électrotechnique Internationale) pour les machines électriques (série CEI 60034).

Formule(s)

Formule du couple

\[ C_{\text{r}} = F \cdot r \]

Formule du poids

\[ F = P = m \cdot g \]
Hypothèses
  • Le câble du treuil est supposé de masse négligeable et parfaitement inextensible.
  • La force (poids) est appliquée tangentiellement au treuil, ce qui maximise le couple.
  • On néglige toute forme de frottement dans cette question.
Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Masse\(m\)5kg
Rayon du treuil\(r\)0.05m
Gravité\(g\)9.81m/s²
Astuces

Pour vérifier rapidement l'ordre de grandeur, on peut approximer g à 10 m/s². Le poids serait de 50 N, et le couple de 50 N * 0.05 m = 2.5 N.m. C'est très proche du résultat exact, ce qui est rassurant.

Schéma (Avant les calculs)
Forces sur le treuil
rF=PCr
Calcul(s)

Calcul de la force (Poids)

\[ \begin{aligned} P &= 5 \text{ kg} \times 9.81 \text{ m/s}^2 \\ &= 49.05 \text{ N} \end{aligned} \]

Calcul du couple résistant

\[ \begin{aligned} C_{\text{r}} &= 49.05 \text{ N} \times 0.05 \text{ m} \\ &= 2.4525 \text{ N.m} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Forces sur le treuil avec valeurs calculées
r49.05 N2.45 N.m
Réflexions

Ce couple de 2.45 N.m est le couple minimal que le moteur doit fournir pour commencer à soulever la charge (en négligeant les frottements et l'inertie). C'est la charge mécanique que le moteur "voit" en régime permanent.

Points de vigilance

L'erreur la plus fréquente est d'oublier de convertir les unités. Si le rayon était donné en centimètres, il faudrait impérativement le convertir en mètres avant le calcul. Une autre erreur est d'oublier la multiplication par \(g\), en confondant masse (kg) et poids (N).

Points à retenir
  • Le couple est le pont entre le monde linéaire (force) et le monde rotatif.
  • La formule de base est \(C = F \times r\).
  • Le poids d'un objet est sa masse multipliée par l'accélération de la pesanteur (\(P=mg\)).
Le saviez-vous ?

L'unité du couple, le Newton-mètre (N.m), est dimensionnellement identique à celle de l'énergie, le Joule (J). Cependant, on utilise des unités distinctes pour ne pas confondre le couple (une grandeur vectorielle liée à la rotation) et le travail ou l'énergie (des grandeurs scalaires).

FAQ
Résultat Final
Le couple résistant exercé par la charge est d'environ 2.45 N.m.
A vous de jouer

Quelle serait la valeur du couple résistant si la masse était de 8 kg ?

Question 2 : Déterminer le courant d'induit \(I_{\text{a}}\) en régime permanent

Principe

En régime permanent (vitesse constante), le couple moteur \(C_{\text{m}}\) fourni par le moteur doit exactement compenser le couple résistant \(C_{\text{r}}\). Comme le couple moteur est directement proportionnel au courant qui le traverse, on peut en déduire la valeur de ce courant.

Mini-Cours

Le couple dans un moteur à courant continu est généré par la force de Laplace. Les conducteurs de l'induit, parcourus par le courant \(I_{\text{a}}\) et plongés dans le champ magnétique des aimants permanents, subissent une force qui crée le couple. Pour un moteur donné, la géométrie et le champ magnétique sont fixes, ce qui mène à la relation simple \(C_{\text{m}} = K \cdot I_{\text{a}}\). La constante \(K\) résume toutes ces caractéristiques physiques.

Remarque Pédagogique

Pensez au courant comme "l'effort" électrique. Plus le moteur doit forcer (couple résistant élevé), plus il doit "pomper" de courant pour générer le couple moteur nécessaire. C'est une relation de cause à effet directe : la charge mécanique dicte le courant électrique absorbé.

Normes

Les plaques signalétiques des moteurs, normalisées par la CEI, indiquent souvent le courant nominal. C'est le courant que le moteur peut supporter en continu sans surchauffe. Le courant calculé ici doit être inférieur ou égal à ce courant nominal pour un fonctionnement durable.

Formule(s)

Équilibre des couples

\[ C_{\text{m}} = C_{\text{r}} \]

Relation couple-courant

\[ C_{\text{m}} = K \cdot I_{\text{a}} \]
Hypothèses
  • Le système est en régime permanent (vitesse constante, accélération nulle).
  • Les frottements mécaniques sont négligés.
Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Couple résistant\(C_{\text{r}}\)2.4525N.m
Constante de moteur\(K\)0.1N.m/A
Astuces

La constante \(K\) est souvent donnée avec deux unités possibles : N.m/A (pour le couple) ou V.s/rad (pour la f.c.e.m.). Dans le système international, ces deux unités sont rigoureusement équivalentes et la valeur numérique est la même. Ne vous laissez pas perturber !

Schéma (Avant les calculs)
Bilan des couples sur l'arbre moteur
Arbre MoteurCmCrCm = Cr
Calcul(s)

Déduction de la formule du courant

\[ K \cdot I_{\text{a}} = C_{\text{r}} \Rightarrow I_{\text{a}} = \frac{C_{\text{r}}}{K} \]

Application numérique

\[ \begin{aligned} I_{\text{a}} &= \frac{2.4525 \text{ N.m}}{0.1 \text{ N.m/A}} \\ &= 24.525 \text{ A} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Caractéristique Couple-Courant
Réflexions

Un courant de plus de 24 A est un courant conséquent pour un moteur 24 V. Cela indique que le moteur travaille proche de sa capacité maximale, voire au-delà si son courant nominal est plus faible. C'est une information cruciale pour vérifier si le moteur est bien dimensionné pour l'application.

Points de vigilance

Attention à ne pas confondre le couple moteur \(C_{\text{m}}\) et le couple résistant \(C_{\text{r}}\). Bien qu'ils soient égaux en régime permanent (sans frottements), ils représentent des concepts physiques différents : l'un est moteur (généré par le système), l'autre est résistant (subi par le système).

Points à retenir
  • En régime permanent, le couple moteur compense le couple résistant.
  • Le couple moteur est proportionnel au courant : \(C_{\text{m}} = K \cdot I_{\text{a}}\).
  • Le courant consommé par le moteur dépend directement de la charge mécanique qu'on lui impose.
Le saviez-vous ?

Dans les moteurs industriels plus complexes (à excitation séparée), on peut contrôler le champ magnétique et le courant d'induit indépendamment. Cela permet de faire varier la constante K et d'avoir des stratégies de contrôle beaucoup plus fines du couple et de la vitesse, comme le "démarrage à couple constant" ou le "fonctionnement à puissance constante".

FAQ
Résultat Final
Le courant d'induit nécessaire pour soulever la charge en régime permanent est d'environ 24.53 A.
A vous de jouer

Si la constante K du moteur était de 0.12 N.m/A, quel serait le courant nécessaire ?

Question 3 : Calculer la vitesse de rotation \(ω\) et \(N\)

Principe

La vitesse du moteur s'ajuste pour que la force contre-électromotrice (f.c.e.m.) \(E\), qui dépend de cette vitesse, équilibre l'équation électrique du moteur. En connaissant la tension d'alimentation \(U\), la résistance \(R_{\text{a}}\) et le courant \(I_{\text{a}}\), on peut déduire \(E\) et donc la vitesse \(ω\).

Mini-Cours

La f.c.e.m. est une tension générée par le moteur lui-même lorsqu'il tourne. C'est le principe de l'induction électromagnétique (Loi de Lenz-Faraday) : les conducteurs de l'induit coupent les lignes de champ magnétique, ce qui induit une tension. Cette tension s'oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance (la tension d'alimentation), d'où le nom "contre-électromotrice". C'est un phénomène d'autorégulation : si le moteur accélère, E augmente, le courant (\(I_{\text{a}} = (U-E)/R_{\text{a}}\)) diminue, le couple moteur diminue, et la vitesse se stabilise.

Remarque Pédagogique

Pensez à la f.c.e.m. comme à un "frein" électrique interne. Plus le moteur tourne vite, plus ce frein est puissant. L'équilibre est atteint lorsque la tension d'alimentation arrive juste à vaincre ce frein électrique (\(E\)) et les pertes par résistance (\(R_{\text{a}} \cdot I_{\text{a}}\)).

Normes

La CEI 60034-1 définit les méthodes d'essai pour déterminer les caractéristiques des machines tournantes, y compris la relation vitesse-tension. La vitesse nominale indiquée sur la plaque signalétique est la vitesse obtenue dans les conditions nominales de tension, courant et charge.

Formule(s)

Loi des mailles électrique

\[ U = E + R_{\text{a}} \cdot I_{\text{a}} \Rightarrow E = U - R_{\text{a}} \cdot I_{\text{a}} \]

Relation f.c.e.m.-vitesse

\[ E = K \cdot ω \Rightarrow ω = \frac{E}{K} \]

Conversion de vitesse

\[ N (\text{tr/min}) = ω (\text{rad/s}) \times \frac{60}{2\pi} \]
Hypothèses
  • Le moteur fonctionne en régime permanent.
  • La constante \(K\) est la même pour le couple et la f.c.e.m.
  • La tension d'alimentation \(U\) est stable et égale à sa valeur nominale.
Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Tension d'alimentation\(U_{\text{n}}\)24V
Résistance d'induit\(R_{\text{a}}\)0.5Ω
Courant d'induit\(I_{\text{a}}\)24.525A
Constante de moteur\(K\)0.1V.s/rad
Astuces

Pour la conversion, retenez qu'un tour complet est \(2\pi\) radians et qu'il y a 60 secondes dans une minute. Le facteur de conversion est donc \(60/(2\pi)\), soit environ 9.55. Pour une estimation rapide, on peut multiplier les rad/s par 10. (117 rad/s * 10 ~= 1170 tr/min, proche du résultat).

Schéma (Avant les calculs)
Schéma électrique équivalent du moteur en fonctionnement
UERaIa
Calcul(s)

Calcul de la f.c.e.m. E

\[ \begin{aligned} E &= 24 \text{ V} - (0.5 \text{ Ω} \times 24.525 \text{ A}) \\ &= 24 \text{ V} - 12.2625 \text{ V} \\ &= 11.7375 \text{ V} \end{aligned} \]

Calcul de la vitesse angulaire ω

\[ \begin{aligned} ω &= \frac{11.7375 \text{ V}}{0.1 \text{ V.s/rad}} \\ &= 117.375 \text{ rad/s} \end{aligned} \]

Conversion en tr/min

\[ \begin{aligned} N &= 117.375 \times \frac{60}{2\pi} \\ &\approx 1121 \text{ tr/min} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Point de fonctionnement sur la caractéristique Vitesse-Couple
Réflexions

La vitesse de 1121 tr/min est la vitesse d'équilibre pour cette charge précise. Si la charge était plus légère, le courant serait plus faible, la chute de tension \(R_{\text{a}} I_{\text{a}}\) serait moindre, \(E\) serait plus grand, et donc le moteur tournerait plus vite. À l'inverse, une charge plus lourde le ralentirait.

Points de vigilance

L'unité de K est cruciale. Si la vitesse est souhaitée en tr/min, il faut soit calculer en rad/s puis convertir, soit utiliser une constante K' convertie en V/(tr/min). Il est plus sûr de toujours rester en unités SI (rad/s) et de ne convertir qu'à la toute fin.

Points à retenir
  • La vitesse du moteur est directement liée à la f.c.e.m. (\(E = K \cdot ω\)).
  • La f.c.e.m. est la tension "utile" qui reste après les pertes Joule (\(E = U - R_{\text{a}} I_{\text{a}}\)).
  • La vitesse d'un moteur CC diminue lorsque la charge (et donc le courant) augmente.
Le saviez-vous ?

C'est grâce à cette relation entre vitesse et f.c.e.m. qu'un moteur à courant continu peut fonctionner en génératrice (dynamo). Si on entraîne mécaniquement l'arbre du moteur, il produit une tension \(E = K \cdot ω\) à ses bornes, convertissant l'énergie mécanique en énergie électrique.

FAQ
Résultat Final
La vitesse de rotation du moteur est de 117.4 rad/s, soit environ 1121 tr/min.
A vous de jouer

Si on alimentait le moteur sous 20V seulement, quelle serait sa nouvelle vitesse en tr/min (avec la même charge) ?

Question 4 : Calculer le courant de démarrage \(I_{\text{d}}\)

Principe

Au moment précis du démarrage (t=0), l'arbre du moteur est encore immobile. Puisque la vitesse de rotation est nulle, la force contre-électromotrice \(E\), qui est proportionnelle à la vitesse, est également nulle. L'équation électrique se simplifie alors drastiquement, et le seul élément qui limite le courant est la résistance interne de l'induit.

Mini-Cours

Cet instant transitoire est le plus critique pour le moteur et son alimentation. L'absence de f.c.e.m. fait que le bobinage de l'induit se comporte comme un simple résistor. Le courant n'est alors limité que par la loi d'Ohm. Ce courant, souvent appelé "courant de rotor bloqué" ou "courant d'appel", peut être 5 à 10 fois supérieur au courant nominal, provoquant des contraintes thermiques et électrodynamiques importantes.

Remarque Pédagogique

Imaginez que vous poussez une voiture. Au début, il faut un effort énorme pour la mettre en mouvement (phase de démarrage). Une fois qu'elle roule, l'effort pour maintenir la vitesse est bien plus faible. C'est pareil pour le moteur : le courant de démarrage est l'effort électrique maximal pour vaincre l'inertie et démarrer la rotation.

Normes

Les normes (CEI 60034-12) définissent les classes de démarrage des moteurs et les surintensités admissibles. Les dispositifs de protection (disjoncteurs, fusibles) doivent avoir des courbes de déclenchement adaptées (type D, par exemple) pour tolérer cette pointe de courant brève sans disjoncter inutilement.

Formule(s)

Loi des mailles au démarrage

\[ U = R_{\text{a}} \cdot I_{\text{d}} \Rightarrow I_{\text{d}} = \frac{U}{R_{\text{a}}} \]
Hypothèses
  • On se place à l'instant exact du démarrage (\(t=0^+\)), où la vitesse est encore nulle.
  • On néglige l'inductance de l'induit, qui en pratique retarde légèrement l'établissement du courant mais ne change pas sa valeur de crête théorique.
Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Tension d'alimentation\(U_{\text{n}}\)24V
Résistance d'induit\(R_{\text{a}}\)0.5Ω
Astuces

Le calcul est une simple application de la loi d'Ohm. L'astuce est de se souvenir que la f.c.e.m. est nulle au démarrage, c'est la seule différence avec le calcul en régime permanent.

Schéma (Avant les calculs)
Schéma électrique équivalent au démarrage (E=0)
UE = 0 VRaId
Calcul(s)

Application de la loi d'Ohm

\[ \begin{aligned} I_{\text{d}} &= \frac{24 \text{ V}}{0.5 \text{ Ω}} \\ &= 48 \text{ A} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Allure du courant au démarrage
Réflexions

Le courant de démarrage (48 A) est presque le double du courant nominal en charge (24.53 A). Cette surintensité est caractéristique des démarrages de moteurs et doit être prise en compte pour le dimensionnement de l'alimentation et des protections.

Points de vigilance

Ne jamais laisser un moteur CC bloqué sous tension. Le courant de démarrage, s'il est maintenu, va dissiper une puissance énorme (\(P = R_{\text{a}} I_{\text{d}}^2 = 0.5 \times 48^2 = 1152 \text{ W}\)) dans la petite résistance de l'induit, ce qui le détruira très rapidement par surchauffe.

Points à retenir
  • Au démarrage, vitesse nulle \(\Rightarrow\) f.c.e.m. nulle.
  • Le courant de démarrage n'est limité que par la résistance d'induit: \(I_{\text{d}} = U/R_{\text{a}}\).
  • Le courant de démarrage est toujours la valeur de courant la plus élevée que le moteur consommera.
Le saviez-vous ?

Pour limiter ce courant d'appel, on utilise des "rhéostats de démarrage" (résistances en série que l'on court-circuite progressivement) ou, plus modernement, des variateurs de vitesse électroniques (hacheurs) qui font monter la tension progressivement, limitant ainsi le courant.

FAQ
Résultat Final
Le courant de démarrage du moteur est de 48 A.
A vous de jouer

Si la résistance d'induit était de 0.8 Ω, quel serait le courant de démarrage ?

Question 5 : Calculer les puissances et le rendement \(\eta\)

Principe

Le rendement d'un système est le rapport entre ce qu'il fournit (puissance utile) et ce qu'il consomme (puissance absorbée). Pour notre moteur, la puissance absorbée est électrique, et la puissance utile est la puissance mécanique transmise à la charge. La différence entre les deux correspond aux pertes.

Mini-Cours

L'énergie ne se crée pas, ne se perd pas, elle se transforme. Dans un moteur, la puissance électrique absorbée (\(P_{\text{a}}\)) se divise en deux : une partie est dissipée en chaleur par effet Joule dans la résistance (\(P_{\text{j}}\)), et le reste est converti en puissance électromécanique (\(P_{\text{em}}\)). Cette puissance électromécanique sert à la fois à fournir la puissance utile à la charge (\(P_{\text{u}}\)) et à compenser les pertes mécaniques (frottements, \(P_{\text{f}}\)). Le bilan des puissances est donc : \(P_{\text{a}} = P_{\text{j}} + P_{\text{u}} + P_{\text{f}}\).

Remarque Pédagogique

Le rendement est le critère le plus important pour juger de l'efficacité d'une conversion d'énergie. Un bon rendement signifie moins d'énergie gaspillée en chaleur, donc une meilleure autonomie (pour un système sur batterie) et une facture d'électricité plus faible (pour un système sur secteur).

Normes

La norme CEI 60034-2-1 définit les méthodes normalisées pour mesurer les pertes et le rendement des machines électriques. Cela permet de comparer équitablement les performances de différents moteurs. Les classes de rendement (IE1, IE2, IE3, IE4, IE5) classifient les moteurs selon leur efficacité.

Formule(s)

Puissance électrique absorbée

\[ P_{\text{a}} = U \cdot I_{\text{a}} \]

Puissance mécanique utile

\[ P_{\text{u}} = C_{\text{r}} \cdot ω \]

Rendement

\[ \eta = \frac{P_{\text{u}}}{P_{\text{a}}} \]
Hypothèses
  • On se place en régime permanent.
  • On néglige les pertes mécaniques (frottements) et les pertes fer (magnétiques), donc la puissance utile est directement la puissance transmise à la charge.
Donnée(s)
ParamètreSymboleValeurUnité
Tension\(U\)24V
Courant d'induit\(I_{\text{a}}\)24.525A
Couple résistant\(C_{\text{r}}\)2.4525N.m
Vitesse angulaire\(ω\)117.375rad/s
Astuces

On peut aussi calculer la puissance utile via l'électrique. La puissance convertie en mouvement est \(P_{\text{em}} = E \cdot I_{\text{a}}\). Comme on néglige les pertes mécaniques, \(P_{\text{u}} = P_{\text{em}}\). Calculons: \(11.7375 \text{ V} \times 24.525 \text{ A} \approx 287.87\) W. On retrouve bien le même résultat, ce qui confirme la cohérence des calculs.

Schéma (Avant les calculs)
Bilan des flux de puissance
PaMOTEURPuPertes
Calcul(s)

Étape 1 : Calcul de la puissance absorbée \(P_{\text{a}}\)

\[ \begin{aligned} P_{\text{a}} &= 24 \text{ V} \times 24.525 \text{ A} \\ &= 588.6 \text{ W} \end{aligned} \]

Étape 2 : Calcul de la puissance utile \(P_{\text{u}}\)

\[ \begin{aligned} P_{\text{u}} &= 2.4525 \text{ N.m} \times 117.375 \text{ rad/s} \\ &\approx 287.87 \text{ W} \end{aligned} \]

Étape 3 : Calcul du rendement \(\eta\)

\[ \begin{aligned} \eta &= \frac{287.87 \text{ W}}{588.6 \text{ W}} \\ &\approx 0.489 \\ &\Rightarrow \eta \approx 48.9 \% \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Diagramme des puissances
Réflexions

Un rendement de près de 49% signifie que pour chaque Watt d'électricité consommé, seulement 0.49 Watt est utilisé pour soulever la charge. Le reste (plus de la moitié !) est dissipé sous forme de chaleur dans les bobinages du moteur (pertes Joule). C'est pourquoi les moteurs chauffent en fonctionnement.

Points de vigilance

Ne pas confondre la puissance utile \(P_{\text{u}}\) et la puissance électromécanique \(P_{\text{em}}\). \(P_{\text{em}}\) est la puissance totale convertie, tandis que \(P_{\text{u}}\) est ce qui reste après les pertes mécaniques. Ici on les a supposées nulles, mais dans un cas réel il faudrait les soustraire.

Points à retenir
  • Le rendement est le rapport de la puissance de sortie (utile) sur la puissance d'entrée (absorbée).
  • La principale source de perte dans ce modèle est l'effet Joule (\(P_{\text{j}} = R_{\text{a}} I_{\text{a}}^2\)).
  • Le bilan de puissance \(P_{\text{a}} = P_{\text{j}} + P_{\text{u}}\) (en négligeant les autres pertes) est fondamental.
Le saviez-vous ?

Le rendement d'un moteur n'est pas constant. Il est maximal pour un certain point de fonctionnement (un certain couple et une certaine vitesse). Les ingénieurs choisissent un moteur de sorte que son point de rendement maximal soit le plus proche possible du point de fonctionnement nominal de l'application.

FAQ
Résultat Final
La puissance absorbée est de 588.6 W, la puissance utile de 287.9 W, et le rendement est d'environ 48.9%.
A vous de jouer

Quel serait le rendement si le courant était de 20A et la vitesse de 140 rad/s (avec U=24V et Cr=2 N.m) ?


Outil Interactif : Simulateur de Charge

Utilisez les curseurs pour faire varier la masse de la charge et la tension d'alimentation. Observez l'impact sur le courant, le couple et la vitesse du moteur.

Paramètres d'Entrée
5 kg
24 V
Résultats en Régime Permanent
Couple Résistant (N.m) -
Courant d'Induit (A) -
Vitesse (tr/min) -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Que se passe-t-il pour la force contre-électromotrice (f.c.e.m.) si la vitesse du moteur augmente ?

2. Le courant de démarrage d'un moteur CC est particulièrement élevé car...

3. Si le couple résistant appliqué au moteur augmente (par exemple, une charge plus lourde), que fait le courant d'induit en régime permanent ?

4. Quelle est la principale source de pertes d'énergie dans ce modèle de moteur ?

5. Si le rendement d'un moteur est de 50%, cela signifie que...


Actionneur
Dispositif qui convertit une énergie (souvent électrique) en un travail mécanique (mouvement, force).
Couple Moteur (\(C_{\text{m}}\))
Le couple généré par les forces électromagnétiques à l'intérieur du moteur, qui provoque la rotation de l'arbre.
Couple Résistant (\(C_{\text{r}}\))
Le couple qui s'oppose à la rotation du moteur, généré par la charge mécanique (poids, frottements...).
Force Contre-Électromotrice (f.c.e.m.)
Tension générée par la rotation du moteur qui s'oppose à la tension d'alimentation. Elle est proportionnelle à la vitesse.
Régime Permanent
État de fonctionnement où les grandeurs caractéristiques (vitesse, courant) sont stables et ne varient plus dans le temps.
Étude d'un Moteur à Courant Continu comme Actionneur

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Exercice : Système Triphasé Déséquilibré Analyse d'un Système Triphasé avec Charges Déséquilibrées Contexte : L'alimentation d'un petit atelier. Un atelier est alimenté par un réseau triphaséSystème de trois tensions alternatives de même fréquence, déphasées l'une par...

Compensation de l’énergie réactive
Compensation de l’énergie réactive

Exercice : Compensation de l'Énergie Réactive Compensation de l'Énergie Réactive d'une Installation Industrielle Contexte : L'optimisation énergétique. Une installation industrielle, principalement composée de moteurs asynchrones, est connectée à un réseau triphasé...

Circuit RLC Série en Régime Alternatif
Circuit RLC Série en Régime Alternatif

Exercice : Circuit RLC Série en Régime Alternatif Analyse d'un Circuit RLC Série en Régime Alternatif Contexte : Le Circuit RLC SérieUn circuit composé d'une résistance (R), d'une bobine (L) et d'un condensateur (C) connectés en série, alimenté par une source de...

Analyse d’un Circuit Mixte
Analyse d’un Circuit Mixte

Analyse d’un Circuit Électrique Mixte Analyse d’un Circuit Électrique Mixte Contexte : L'analyse des circuits électriques mixtes (série et parallèle) est une compétence fondamentale en électrotechnique. Elle permet de comprendre et de prédire le comportement du...

Analyse d’un Système Triphasé
Analyse d’un Système Triphasé

Exercice : Analyse d'un Système Triphasé Équilibré Analyse d’un Système Triphasé Équilibré Contexte : Le réseau triphasé est le pilier du transport et de la distribution de l'énergie électrique à grande échelle. Il est utilisé pour alimenter la quasi-totalité des...

Autonomie d’un système alimenté par batterie
Autonomie d’un système alimenté par batterie

Exercice : Autonomie d'un Système sur Batterie Calcul de l'Autonomie d’un système alimenté par batterie Contexte : L'alimentation d'un refuge de montagne. Nous devons concevoir le système d'éclairage autonome pour un refuge de montagne non raccordé au réseau...

Circuit monophasé R–L
Circuit monophasé R–L

Exercice : Circuit Monophasé R-L Série Analyse d'un Circuit Monophasé R-L Série Contexte : Le circuit R-L série. En électrotechnique, de nombreux récepteurs (moteurs, transformateurs, ballasts de lampes...) se comportent comme une association d'une résistance R et...

Analyse de Puissance dans un Transformateur
Analyse de Puissance dans un Transformateur

Analyse de Puissance d'un Transformateur Analyse de Puissance d'un Transformateur Monophasé Contexte : Le transformateur monophasé est un composant essentiel dans les réseaux de distribution électrique. Il permet de modifier les niveaux de tension et de courant entre...

Chute de Tension dans un Système Triphasé
Chute de Tension dans un Système Triphasé

Exercice : Chute de Tension en Triphasé Calcul de la Chute de Tension dans un Système Triphasé Contexte : Alimentation d'un Moteur dans un Atelier. Le transport de l'énergie électrique sur des câbles n'est jamais parfait. Une partie de la tension est "perdue" en route...

Circuit RL Série en Régime Sinusoïdal
Circuit RL Série en Régime Sinusoïdal

Exercice : Circuit RL Série en Régime Sinusoïdal Analyse d'un Circuit RL Série en Régime Sinusoïdal Contexte : L'étude des circuits en régime sinusoïdalAnalyse des circuits électriques alimentés par une source de tension ou de courant qui varie de manière sinusoïdale...

Analyse de Circuit avec Lois d’Ohm et de Kirchhoff
Analyse de Circuit avec Lois d’Ohm et de Kirchhoff

Analyse de Circuit : Lois d’Ohm et de Kirchhoff Analyse de Circuit avec les Lois d’Ohm et de Kirchhoff Contexte : L'analyse de circuits électriques est la pierre angulaire de l'électrotechnique. Comprendre comment le courantLe flux de charge électrique, mesuré en...

Analyse d’une baisse de tension
Analyse d’une baisse de tension

Exercice : Analyse d'une Baisse de Tension Analyse d'une Baisse de Tension sur une Ligne d'Alimentation Contexte : L'alimentation d'un moteur dans un atelier. Dans toute installation électrique, l'énergie est transportée via des câbles qui, malgré leur bonne...

Gestion Énergétique des Moteurs Électriques
Gestion Énergétique des Moteurs Électriques

Gestion Énergétique des Moteurs Électriques Gestion Énergétique des Moteurs Électriques Contexte : L'efficacité énergétique dans l'industrie. Une usine souhaite réduire ses coûts énergétiques en optimisant le fonctionnement de ses équipements. L'étude se concentre sur...

Calcul de la Résistance Équivalente Totale
Calcul de la Résistance Équivalente Totale

Exercice : Calcul de la Résistance Équivalente Calcul de la Résistance Équivalente Totale Contexte : L'analyse de circuits électriques est fondamentale en électrotechnique. Un des premiers concepts à maîtriser est le calcul de la résistance équivalenteLa résistance...

Calcul du rendement d’un alternateur
Calcul du rendement d’un alternateur

Exercice : Rendement d'un Alternateur Calcul du Rendement d'un Alternateur Triphasé Contexte : Le rendement d'un alternateurLe rapport entre la puissance électrique utile fournie par l'alternateur et la puissance mécanique absorbée. C'est une mesure clé de son...

Calcul de la Vitesse de Rotation de l’Alternateur
Calcul de la Vitesse de Rotation de l’Alternateur

Exercice : Vitesse de Rotation d'un Alternateur Calcul de la Vitesse de Rotation d’un Alternateur Contexte : L'étude des machines synchrones, en particulier l'alternateurUne machine électrique qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique sous forme de...

Comportement Temporel du Courant
Comportement Temporel du Courant

Comportement Temporel du Courant Comportement Temporel du Courant Contexte : Le régime transitoireL'état temporaire d'un circuit après un changement brusque (ex: fermeture d'un interrupteur), avant qu'il n'atteigne un état stable. d'un circuit RC. Cet exercice porte...

Mesure de la Valeur Efficace d’un Courant
Mesure de la Valeur Efficace d’un Courant

Exercice : Mesure de la Valeur Efficace d'un Courant Mesure de la Valeur Efficace d'un Courant Sinusoïdal Contexte : L'importance de la Valeur EfficaceLa valeur efficace (RMS en anglais) d'un courant alternatif est la valeur du courant continu qui produirait le même...

Calcul de la Puissance Active P
Calcul de la Puissance Active P

Calcul de la Puissance Active P en Régime Sinusoïdal Calcul de la Puissance Active P en Régime Sinusoïdal Contexte : Le rendement énergétiqueLe rapport entre l'énergie utile produite par un système et l'énergie totale consommée. C'est une mesure clé de l'efficacité...

Puissance dans un Système Triphasé
Puissance dans un Système Triphasé

Exercice : Puissance et Facteur de Puissance dans un régime Triphasé Puissance et Facteur de Puissance dans un régime Triphasé Contexte : L'optimisation énergétique d'une installation industrielle. Un moteur asynchrone triphasé, élément central de nombreuses chaînes...

Analyse de Réactance pour la Maintenance
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Exercice : Analyse de la Réactance d'un Moteur Asynchrone Analyse de la Réactance pour la Maintenance Contexte : La maintenance prédictive en électrotechnique. La surveillance des moteurs asynchrones est cruciale dans l'industrie pour garantir la continuité de la...

Intégration de Résistances en Série et Parallèle
Intégration de Résistances en Série et Parallèle

Exercice : Intégration de Résistances en Série et Parallèle Intégration de Résistances en Série et Parallèle Contexte : L'analyse des circuits électriquesL'analyse de circuit est l'étude des lois qui régissent le comportement du courant et de la tension dans un réseau...

Étude de la Tension Efficace et Instantanée
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Exercice : Tension Efficace et Instantanée Étude de la Tension Efficace et Instantanée d'un Signal Sinusoïdal Contexte : Le réseau électrique domestique. Le courant électrique distribué dans nos maisons est un courant alternatif sinusoïdal. Comprendre ses...

Angle de phase dans un circuit R-L série
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Exercice : Angle de Phase dans un Circuit R-L Série Calcul de l'Angle de Phase dans un Circuit R-L Série Contexte : Le déphasageLe décalage angulaire entre deux ondes sinusoïdales de même fréquence, typiquement la tension et le courant dans un circuit AC. dans un...

Dimensionnement d’un système d’accumulateurs
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Exercice : Dimensionnement d'un Système d'Accumulateurs Dimensionnement d’un Système d’Accumulateurs pour Site Isolé Contexte : Le stockage d'énergie est un pilier de la transition énergétique, en particulier pour l'électrification des sites non raccordés au réseau....

Amplitude du Courant dans un Circuit RLC Série
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Exercice : Amplitude du Courant dans un Circuit RLC Série Calcul de l'Amplitude du Courant dans un Circuit RLC Série Contexte : Le circuit RLC série en régime sinusoïdal forcé. Les circuits RLC (Résistance, Inductance, Capacité) sont des piliers de l'électronique et...

Intensité et Puissance dans un Habitat
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Exercice : Intensité et Puissance dans un Habitat Calcul d'Intensité et de Puissance dans un Habitat Contexte : Le dimensionnement d'un circuit électrique dans une cuisine. Dans toute installation électrique domestique, il est crucial de bien dimensionner les circuits...

Analyse d’un Circuit en Série
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Analyse d’un Circuit en Série Analyse d’un Circuit en Série Contexte : L'analyse des circuits en sérieUn circuit où les composants sont connectés bout à bout, de sorte que le courant n'a qu'un seul chemin à suivre. est un concept fondamental en électrotechnique. Cet...

Application du Théorème de Thévenin
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Application du Théorème de Thévenin Application du Théorème de Thévenin Contexte : Le théorème de ThéveninPrincipe qui permet de simplifier n'importe quel circuit électrique linéaire en un générateur de tension idéal en série avec une résistance. est un outil...

Calcul de la performance d’un alternateur
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Exercice : Performance d'un Alternateur Triphasé Calcul de la Performance d'un Alternateur Triphasé Contexte : L'alternateur triphaséMachine électrique tournante qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique sous forme de courants alternatifs triphasés. est...

Système triphasé avec charges déséquilibrées
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Exercice : Système Triphasé Déséquilibré Analyse d'un Système Triphasé avec Charges Déséquilibrées Contexte : L'alimentation d'un petit atelier. Un atelier est alimenté par un réseau triphaséSystème de trois tensions alternatives de même fréquence, déphasées l'une par...

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