Pour expliquer comment fonctionne un moteur à courant continu, il faut parler de champ magnétiques induits.

Tout d'abord, rappelons nous qu'un courant électrique induit un champ magnétique qui lui est perpendiculaire. Pour un fil électrique, le champ magnétique tourne autour du fil. Pour une bobine, il est au plus haut à l'intérieur de la bobine et dans une seule direction.

Lorsque deux champs magnétiques dans une même direction se font face, il se repoussent. Lorsque leurs directions sont opposées, ils s'attirent - c'est le même principe pour les aimants. Le moteur électrique à courant continu utilise cette interaction pour convertir de l'énergie électrique en énergie mécanique (de mouvement).

Un moteur électrique à courant continu est composé de deux parties :

• un stator (partie statique) contenant des aimants ou des électroaimants, qui fournissent le champ magnétique
• un rotor (partie tournante) contenant le bobinage qui fournit le deuxième champ magnétique

Suivant la position du rotor, le champ magnétique repousse ou tire sur le stator, provoquant un mouvement circulaire : le moteur tourne.

Maintenant, une bobine avec un champ magnétique va créer une force électromotrice - une tension - qui va contrer le mouvement des électrons dans la bobine. C'est le principe du générateur de courant. Pour que le moteur continue de tourner, il faut continuer à l'alimenter en courant. Si ce courant est freiné jusqu'à l'arrêt par la force électromotrice qu'il crée, le moteur ne pourra plus tourner. C'est la raison pour laquelle la tension fournie à la bobine doit toujours être supérieure à la tension générée par le champ magnétique tournant. C'est aussi la raison pour laquelle la tension est seule responsable de la fréquence de rotation d'un moteur: plus la tension est grande, plus la fréquence de rotation du moteur est grande.

Conversion électrique / mécanique

On sait que la tension minimale de fonctionnement est au moins égale à la force électromotrice E généré par la bobine tournante. La puissance minimale pour faire tourner le moteur est donc égale à :

On sait par ailleurs que la puissance nécessaire pour faire tourner une masse à une certaine fréquence f est proportionnelle au couple.

Par la loi de conservation de l'énergie, et en l'absence de pertes, l'énergie mécanique obtenue est nécessairement égale à l'énergie électrique fournie.

Maintenant, on a vu que, pour faire tourner un moteur, il faut une tension minimale égale à la force électromotrice générée par la bobine. Par ailleurs, la bobine a une résistance R dans laquelle passe un courant : cela va causer une tension supplémentaire. La tension totale est donc égale à cette FEM ajoutée au produit de l'intensité avec la résistance interne R.

Nous avons mis en place les formules. Essayons maintenant de comprendre le fonctionnement avec leur aide.

Lorsqu'il tourne à vide, le moteur n'a besoin que de très peu de couple. La seule tension nécessaire donc pour contrer le FEM:

La vitesse de rotation ω est donc entièrement proportionnelle à U.

Si on fait travailler le moteur, on augmente son couple. La vitesse de rotation diminue, donc la FEM induite par le mouvement du rotor diminue. Or, U est constant : c'est donc i qui augmente.

Si l'intensité augmente, le couple moteur aussi.

En conclusion, si la tension est responsable de la fréquence de rotation du moteur DC, c'est le courant qui fournira le couple. A noter que si on charge trop le moteur, l'intensité électrique peut prendre des valeurs suffisantes pour "griller" le moteur - littéralement faire fondre le cuivre de la bobine.

Une machine asynchrone fonctionne avec une tension alternative. Par exemple, un moteur triphasé consiste en deux séries de bobinages, une sur le rotor, une sur le stator. Un champ magnétique alternatif crée par chaque bobine du stator induit un courant alternatif (et donc un champ magnétique) dans chaque bobine du rotor. Les champs magnétiques s'opposant, une poussée se produit entre le rotor et le stator, et le moteur tourne.

Le machine asynchrone fonctionne avec un courant alternatif. Pour rappel, un courant électrique dans une bobine crée un champ magnétique dans cette bobine. Logiquement, un courant électrique qui change avec le temps, comme un courant alternatif, change le champ magnétique qui est crée : il est inversé chaque fois que le courant change de signe.

La loi de Faraday indique qu’un champ magnétique changeant induit une force électromotrice E – un potentiel électrique dans un conducteur.

Ce potentiel crée donc un courant électrique dans la bobine qui crée lui-même un champ magnétique qui oppose le changement. Par exemple, si le champ magnétique devient de moins en moins positif, le champ induit est de plus en plus positif. Si le champ magnétique est de plus en plus négatif, le champ induit est de moins en moins négatif.

S i on place trois bobines espacée de 120 degrés dans un stator, et qu’on passe dans chaque bobine des courants chacun déphasés de 120°, il se produit un champ magnétique tournant, devenant plus positif d’un côté et plus négatif de l’autre en permanence.

Maintenant, on place trois bobines dans un rotor, elles aussi espacées de 120°. Le champ magnétique tournant induit des champs magnétiques dans les bobines, mais ces derniers sont décalés. Chaque bobine agit alors comme un aimant tentant de rattraper le champ magnétique tournant.

La fréquence de rotation du rotor dépend donc de la fréquence du signal électrique. Les machines asynchrones sont donc alimentées par un courant alternatif, si possible du triphasé. Mais attention : la fréquence de rotation n’est pas la même que la fréquence du signal électrique. En effet, si le rotor tournait à la même fréquence, les bobines ne verraient plus de flux magnétique changeant, et le rotor ne serait plus entraîné.

On sait que la puissance mécanique d’un moteur est proportionnelle à la puissance électrique tirée du réseau.

Connaissant les expressions pour les puissances électriques et mécaniques, on peut écrire :

Ainsi, si on augmente la fréquence de rotation, on réduit le couple. Si on désire garder le couple constant, il faut augmenter la tension d’alimentation.

Le cos φ d’une machine asynchrone correspond au rapport de la puissance active P sur la puissance fournie S.

On en déduit que toute la puissance fournie n’est pas convertie en énergie mécanique – en effet, il faut un courant et une puissance pour créer les champs magnétiques.

Le rendement η est le rapport entre la puissance mécanique délivrée PM et la puissance active P.

Ici, la puissance utile est la puissance mécanique obtenue.