Éd. 1971-1976

moteur électrique (suite)

• Le moteur série monophasé. Un moteur série à courant continu peut théoriquement fonctionner en courant alternatif, car le sens du courant s’inverse en même temps dans l’inducteur et dans l’induit, ne modifiant pas ainsi le sens du couple moteur. En pratique, il faut cependant construire une machine un peu différente. Il faut en effet feuilleter l’armature statorique et diminuer l’inductance des sections de l’enroulement induit afin d’avoir moins d’étincelles aux balais. La commutation n’est correcte qu’en présence de pôles de commutation et d’un enroulement de compensation. Un moteur ainsi construit est lourd et coûteux. Il est cependant utilisé en traction même pour des puissances très élevées. On améliore le fonctionnement si l’on peut réduire la fréquence du réseau (25 Hz ou 16,7 Hz). Pour les petites puissances (jusqu’à 1 kW), on construit des moteurs de constitution très simple (pas d’enroulement de commutation ni de compensation), dont le fonctionnement est correct à condition que la vitesse de rotation soit élevée (3 000 à 10 000 tr/mn). On les appelle moteurs universels. Ils sont très utilisés pour les petits appareils électrodomestiques (aspirateurs, moulins à café, batteurs, etc.).

• Le moteur à répulsion. C’est également un moteur monophasé de puissance importante. Il utilise le même stator et le même rotor que le moteur série, mais seul le stator est réuni au réseau. Le rotor est fermé sur lui-même par un fil de fort diamètre réunissant les balais. La ligne de balais peut pivoter par rapport à l’axe des pôles du stator. Si la position de ces deux axes est bien choisie, les spires du rotor parcourues par un courant induit par le stator sont repoussées par celui-ci (loi de Lenz). Il apparaît ainsi un couple moteur. Ces moteurs sont d’un emploi très simple, car le démarrage ainsi que le réglage du couple ou de la vitesse sont obtenus par décalage de la ligne de balais. Leur prix et leur relative fragilité limitent cependant leur diffusion.

• Moteurs polyphasés à collecteur. Ces moteurs sont constitués d’un stator identique à celui d’un moteur asynchrone et d’un rotor semblable à celui d’une dynamo. Sur le collecteur associé au rotor sont disposées trois lignes de balais alimentées par le réseau, en série avec le stator. Il est possible de régler la vitesse d’un tel moteur dans de très larges limites soit par un simple décalage des balais, soit en alimentant le rotor sous tension réduite, éventuellement déphasée par rapport au réseau. De tels moteurs sont coûteux et leur entretien est délicat. On leur préfère actuellement des moteurs à courant continu alimentés par des redresseurs commandés à semi-conducteurs.

P. J.

Deux biographies

Galileo Ferraris,

ingénieur italien (Livorno Vercellese, Piémont, 1847 - Turin 1897). Il a réalisé, en 1885, les champs magnétiques tournants, qui furent à l’origine des moteurs électriques asynchrones à courant triphasé.

John Hopkinson,

ingénieur anglais (Manchester 1849 - Petite-Dent-de-Veisivi, Suisse, 1898). Il perfectionna l’éclairage des phares, étudia la synchronisation des alternateurs et donna le principe des moteurs électriques synchrones.

moteur thermique

Machine qui produit du travail en consommant de la chaleur.

Il existe plusieurs variétés de moteurs thermiques, mais chacun d’eux possède un fluide moteur qui réalise la transformation de chaleur en travail : c’est ordinairement la vapeur d’eau dans les machines alternatives à vapeur et les turbines à vapeur ; c’est le mélange gazeux résultant de la combustion d’hydrocarbures au contact de l’air dans les moteurs à combustion interne (moteurs à explosion, moteurs Diesel*), les turbines à gaz, les moteurs à réaction. Dans le fonctionnement réel d’un moteur thermique, il peut arriver (moteur à air chaud, turbine à gaz alimentée par un combustible nucléaire) que le fluide moteur décrive un cycle* fermé de transformations. Mais il est plus fréquent que le fluide moteur décrive une transformation ouverte, après laquelle il est éjecté, une nouvelle quantité de fluide « frais » prenant sa place ; c’est le cas en particulier dans les moteurs à combustion interne, les moteurs à réaction, les locomotives à vapeur. Il est cependant avantageux, pour appliquer à l’étude théorique de l’ensemble des moteurs thermiques les principes et les lois de la thermodynamique, de substituer au fonctionnement réel par transformations ouvertes celui qui est obtenu à l’aide d’un fluide fictif de composition constante qui décrirait des cycles fermés successifs et identiques entre eux.

Remarquons aussi que les machines frigorifiques* et les pompes* de chaleur, qui possèdent un agent de transformation parcourant un cycle fermé en sens inverse de celui des moteurs, sont, comme ces derniers, des machines thermiques.

Rendement d’un moteur thermique

On brûle du charbon ou des hydrocarbures afin de produire du travail. On définit le rendement industriel (ou effectif), en confrontant le travail produit à la dépense de combustible, par le rapport du travail disponible, à chaque cycle, sur l’arbre du moteur, à la chaleur Q de combustion correspondante ; ρ_e est un nombre sans dimensions, et Q étant des grandeurs de même nature et exprimées en la même unité ; ρ_e est généralement très inférieur à 1, de l’ordre de 0,1 pour les machines alternatives à vapeur, 0,25 à 0,30 pour les moteurs à explosion et Diesel, un peu meilleur pour les turbines, mais atteignant rarement 0,4. Des pertes de chaleur et de travail diminuent en effet le rendement. Prenons, pour décrire ces pertes, l’exemple de la machine alternative à vapeur. Celle-ci est en principe (fig. 1) constituée : d’une chaudière, chauffée par un foyer et contenant de l’eau liquide en présence de vapeur à la température T₁ ; d’un cylindre muni d’un piston et dans lequel la vapeur se détend en produisant du travail ; d’un condenseur maintenu à une température T₂ < T₁ dans lequel la vapeur détendue vient se condenser avant de faire retour à la chaudière ; d’organes accessoires, tels que système de distribution par tiroir ou soupapes, qui règle l’admission et l’échappement de la vapeur, organes de transmission du travail produit (bielle-manivelle, volant, etc.). D’abord, pour la chaleur Q produite dans le foyer, la chaudière ne reçoit que Q₁ < Q, la différence étant évacuée par les fumées et les parois ; on définit un rendement de la chaudière ρ_c = Q₁/Q. Ensuite, le travail recueilli sur l’arbre est inférieur, par suite des frottements mécaniques, du fonctionnement de la distribution, etc., au travail des forces de pression de la vapeur. On définit le rendement organique et l’on peut écrire ρ_e = ρ_e · ρ_i · ρ₀, en posant ρ_i est le rendement indiqué, obtenu à l’aide de l’indicateur de Watt ; celui-ci se compose d’un manographe en contact permanent avec le fluide moteur et dont le style enregistre la pression par des déplacements proportionnels suivant l’axe des ordonnées de la feuille, en même temps que celle-ci, solidaire des mouvements du piston, subit des déplacements proportionnels suivant l’axe des abscisses ; le résultat est, à chaque cycle, une courbe fermée y = f(x), ou aussi bien à une échelle convenable p = f(v), et qui constitue le diagramme indiqué ; la mesure de l’aire intérieure à la courbe permet le calcul du travail indiqué (v. cycle).