⚙️ Le moteur électrique au banc d'essai : bilan de puissance
Un moteur électrique ne transforme jamais toute l'électricité en mouvement : une partie chauffe ses bobinages, une autre se perd en frottements. Monte ton moteur sur le banc d'essai, serre le frein et regarde où passent les watts… jusqu'à ce que le moteur bloqué fume et que la protection thermique coupe tout !
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Le diagramme de flux part de la puissance électrique U × I (jaune). L'effet Joule R I² (rouge) part tout de suite en chaleur dans les bobinages, les frottements (orange) dans les paliers et le ventilateur ; il reste la puissance utile C × ω (vert), qui arrive au frein.
- Sans charge (C = 0), le moteur tourne très vite mais ne fournit rien : son rendement est nul. Rotor bloqué (ω = 0), il ne fournit rien non plus, et toute l'électricité devient chaleur. Entre les deux, la courbe verte montre un rendement maximal.
- Au démarrage, le rotor ne tourne pas encore : rien ne freine le courant à part la résistance des bobinages, et l'intensité fait un pic (graphique I(t)). Elle diminue quand le moteur prend de la vitesse.
- Plus le couple de freinage est grand, plus l'intensité est grande : l'effet Joule, en R I², grandit très vite et fait chauffer le moteur. C'est la température des bobinages qui limite la puissance d'un moteur.
- Sur un vrai banc d'essai, le frein transforme la puissance utile en chaleur (il rougit) ; dans une perceuse ou une trottinette, elle ferait tourner le foret ou avancer la roue.
Expériences à faire
- Pour le petit moteur, augmente le couple de freinage pas à pas : pour quel couple le rendement est-il maximal ? Et la puissance utile ?
- Bloque le rotor : que vaut l'intensité ? Compare-la à U / R.
- Double la tension sans changer la charge : que deviennent la vitesse, l'intensité et le rendement ?
- Cache Pu et η, calcule-les avec la conservation de l'énergie, puis vérifie.
- Augmente la résistance thermique Rth (moteur mal ventilé) : jusqu'à quelle charge peut-on aller sans surchauffe ?
La physique derrière l'animation
- Le moteur reçoit la puissance électrique Pélec = U × I et fournit sur son arbre la puissance mécanique utile Pu = C × ω, où C est le couple (en N·m) et ω la vitesse angulaire (en rad/s, ω = 2π N / 60 avec N en tr/min).
- Les pertes : l'effet Joule PJ = R × I² dans les bobinages de résistance R, et les pertes mécaniques Pm (frottements des paliers, ventilation). Conservation de l'énergie en régime permanent : Pélec = Pu + PJ + Pm.
- Le rendement vaut η = Pu / Pélec ; il dépend de la charge : nul à vide et rotor bloqué, maximal pour une charge intermédiaire (souvent proche du point nominal inscrit sur la plaque du moteur).
- Pour aller plus loin : la bobine en rotation crée une force contre-électromotrice E = k ω, d'où U = E + R I. Au démarrage ω = 0, donc I = U / R : un gros pic de courant. Le couple moteur vaut k × I.
- Les pertes chauffent le moteur : à l'équilibre, θ = θamb + Rth × (PJ + Pm). Modèle : moteur à courant continu à aimants, valeurs typiques arrondies ; l'inertie du banc est choisie pour que le démarrage dure environ une seconde, et les températures évoluent en accéléré.
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