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Comment fonctionnent les moteurs électriques et les générateurs

Comment fonctionnent les moteurs électriques et les générateurs

Les véhicules électriques utilisent exclusivement des moteurs électriques pour la propulsion, et les hybrides utilisent des moteurs électriques pour aider leurs moteurs à combustion interne à la locomotion. Mais ce n'est pas tout. Ces mêmes moteurs peuvent être et sont utilisés pour générer de l'électricité (par le processus de freinage par récupération) afin de charger les batteries embarquées de ces véhicules.

La question la plus commune est: "Comment cela peut-il être… comment ça marche?" La plupart des gens comprennent qu'un moteur est alimenté par l'électricité pour faire le travail - ils le voient tous les jours dans leurs appareils ménagers (machines à laver, aspirateurs, robots ménagers).

Mais l'idée selon laquelle un moteur peut «tourner en arrière», générer de l'électricité plutôt que de la consommer semble presque magique. Mais une fois que la relation entre les aimants et l'électricité (électromagnétisme) et le concept de conservation de l'énergie est comprise, le mystère disparaît.

Électromagnétisme

La puissance motrice et la production d'électricité commencent par la propriété de l'électromagnétisme, à savoir la relation physique entre un aimant et l'électricité. Un électro-aimant est un dispositif qui agit comme un aimant, mais sa force magnétique se manifeste et est contrôlée par l'électricité.

Lorsqu'un fil en matériau conducteur (le cuivre, par exemple) se déplace dans un champ magnétique, un courant est créé dans le fil (un générateur rudimentaire). À l'inverse, lorsque l'électricité passe à travers un fil qui s'enroule autour d'un noyau de fer et que ce noyau est en présence d'un champ magnétique, il se déplacera et se tordra (un moteur très basique).

Moteur / Générateurs

Les moteurs / générateurs sont en réalité un seul appareil pouvant fonctionner dans deux modes opposés. Contrairement à ce que pensent parfois les gens, cela ne signifie pas que les deux modes du moteur / générateur fonctionnent en arrière l'un de l'autre (en tant que moteur, l'appareil tourne dans un sens et en tant que générateur, il tourne dans le sens opposé).

L'arbre tourne toujours de la même manière. Le "changement de direction" se situe dans le flux d'électricité. En tant que moteur, il consomme de l'électricité (entrée) pour produire de l'énergie mécanique, et en tant que générateur, il consomme de l'énergie mécanique pour produire de l'électricité (sortie).

Rotation Electromécanique

Les moteurs / générateurs électriques sont généralement de deux types, soit à courant alternatif, soit à courant continu, et ces désignations indiquent le type d'électricité qu'ils consomment et produisent.

Sans entrer trop dans les détails et obscurcir le problème, voici la différence: le courant alternatif change de direction (en alternance) au fur et à mesure qu'il circule dans un circuit. Les courants continus circulent unidirectionnellement (restent les mêmes) lorsqu’ils traversent un circuit.

Le type de courant utilisé concerne principalement le coût de l'unité et son efficacité (un moteur / générateur de courant alternatif est généralement plus coûteux, mais aussi beaucoup plus efficace). Il suffit de dire que la plupart des véhicules hybrides et de nombreux véhicules plus électriques utilisent des moteurs / générateurs à courant alternatif. C’est le type sur lequel nous allons nous concentrer dans cette explication.

Un moteur / générateur de courant alternatif se compose de 4 parties principales:

  • Un induit enroulé sur fil (rotor)
  • Un champ d'aimants induisant de l'énergie électrique empilés côte à côte dans un boîtier (stator)
  • Bagues collectrices qui transportent le courant alternatif de / vers l'armature
  • Brosses qui entrent en contact avec les bagues collectrices et transfèrent le courant de / vers le circuit électrique

Le générateur de ca en action

L'armature est entraînée par une source d'énergie mécanique (par exemple, dans la production d'énergie électrique dans le commerce, il s'agirait d'une turbine à vapeur). Pendant que ce rotor bobiné tourne, sa bobine de fil passe sur les aimants permanents du stator et un courant électrique est créé dans les fils de l'induit.

Mais comme chaque boucle individuelle dans la bobine passe d'abord le pôle nord, puis le pôle sud de chaque aimant de manière séquentielle pendant qu'il tourne sur son axe, le courant induit change continuellement et rapidement de direction. Chaque changement de direction s'appelle un cycle et il est mesuré en cycles par seconde ou en hertz (Hz).

Aux États-Unis, le taux de cycle est de 60 Hz (60 fois par seconde), tandis que dans la plupart des autres pays développés, il est de 50 Hz. Des bagues collectrices individuelles sont montées à chacune des deux extrémités de la boucle en fil du rotor afin de permettre au courant de sortir de l'induit. Les brosses (qui sont en fait des contacts de carbone) sont calées contre les bagues collectrices et complètent le trajet du courant dans le circuit auquel le générateur est raccordé.

Le moteur à courant alternatif en action

L'action motrice (fournissant de la puissance mécanique) est, par essence, l'inverse de l'action du générateur. Au lieu de faire tourner l'armature pour produire de l'électricité, le courant est alimenté par un circuit, à travers les brosses et les bagues collectrices et dans l'armature. Ce courant circulant dans le rotor bobiné (induit) le transforme en un électroaimant. Les aimants permanents du stator repoussent cette force électromagnétique, ce qui provoque le vrillage de l'induit. Tant que l'électricité circule dans le circuit, le moteur fonctionnera.