Moteur à courant continu et forces de Laplace

[Babar III]

Bonjour,

je me pose la question suivante concernant le fonctionnement d'un moteur à courant continu: qu'en est-il du champ magnétique produit par la bobine du rotor puisque cette bobine est alimentée en courant continu? Je m'explique, on dit que c'est la force de Laplace qui fait bouger le rotor via la déviation des électrons dans le rotor par le champ magnétique du stator.
D'accord, mais qu'en est-il du champ magnétique créé par la bobine du rotor du simple fait que cette bobine soit traversée par du courant continu? Ce champ magnétique créé par la traversée du courant continu n'interagit-il pas lui même avec le champ magnétique du stator?

Si quelqu'un pouvait éclairer ma lanterne.

Merci d'avance.
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[YBaCuO]

Bonsoir,

C'est tout à fait exact.
C'est pour cela que l'on insère des pôles auxiliaires qui viennent compenser le flux rotorique. Ces pôles facilitent aussi la commutation.
Ces pôles sont visibles sur les photos en haut de cette page:
http://pedagogie2.ac-reunion.fr/phys...iquee/MCCI.htm

Cordialement

[Babar III]

Merci pour la réponse.
Donc, si j'ai bien compris, ces pôles auxiliaires suppriment le flux magnétique créé par le simple passage du courant continu dans la bobine du rotor? Et ceci afin de ne pas perturber l'action des forces de Laplace et donc faire tourner le rotor normalement?
Je me demandais s'il n'était pas envisageable de faire tourner le rotor du simple fait du passage du courant continu dans la bobine du rotor, ce champ magnétique interagirait alors directement par action/répulsion (pôle sud/pôle nord) avec le champ magnétique de l'aimant du stator..

[YBaCuO]

A la relecture je suis aller trop vite et ma réponse peut prêter à confusion.

Dans une machine idéale le champ magnétique du rotor interagit avec celui du stator pour créer un couple, les deux champs sont en quadrature. Plus le flux rotorique est élevé plus le couple est élevé (voir cas théorique d'un moment magnétique plongé dans un champ magnétique externe).
L'approche par les forces de Laplace est équivalente, le flux rotorique étant lié au courant rotorique.

Cependant une machine réelle utilise des circuits magnétiques qui canalisent les lignes de champ. En augmentant le flux rotorique, celui-ci s'additionne ou se soustrait localement au flux statorique. Cela engendre localement la saturation des pôles inducteurs et du rotor et les performances de la machine sont dégradées. Pour palier cette situation, des pôles auxiliaires sont mises en place pour redistribuer le flux rotorique.
Pour une première étude théorique du principe de fonctionnement des machines à courant continu, tu peux oublier ce que j'ai dit sur ces pôles auxiliaires et la saturation du circuit magnétique.

[A voir en vidéo sur Futura]

[Babar III]

Pour faire simple:
On prend un fil conducteur on y fait passer du courant continu, il s'ensuit qu'un champ magnétique circulaire se crée autour de ce fil. Est-ce que c'est ce champ magnétique (créé par la circulation du courant électrique dans le fil conducteur) qui va interagir avec le champ magnétique du stator (aimant) par action répulsion (pôles nord/sud) pour engendrer la force de Laplace?

[YBaCuO]

Oui en vertu du principe d'action/réaction.
Le courant circulant dans le rotor est soumis aux forces de Laplace sous l'effet du champ magnétique statorique.
En réaction le courant circulant dans les inducteurs statoriques est soumis aux forces de Laplace sous l'effet du champ magnétique rotorique.

[Babar III]

Je commence à m'embrouiller.. Jusque là, j'ai deux hypothèses pour expliquer l'origine de la force de Laplace mais je ne sais pas quelle est la bonne:
- Je pensais au départ que la force de Laplace était due aux électrons en mouvement (courant continu) qui déviés par le champ magnétique du stator viennent pousser contre le fil (rotor) pour faire tourner ce rotor (première hypothèse)
- Le fil parcouru par un courant continu produit un champ magnétique circulaire et c'est ce champ magnétique circulaire qui agit par action/répulsion avec le champ magnétique de l'aimant (stator) pour faire tourner le rotor (2ème hypothèse). Mais dans ce cas les électrons ne sont pas déviés?!

Laquelle de ces deux hypothèses est la bonne?

[YBaCuO]

Les deux. C'est le même phénomène suivant des points de vue différents.

[Babar III]

Sans vouloir abuser, est-ce tu pourrais m'expliquer le lien entre ces deux points de vue parce que je ne vois pas très bien, dans la première hypothèse les électrons sont déviés, dans la seconde ils continuent à aller tout droit à l'intérieur du fil conducteur..

[YBaCuO]

L'électron subit une force dans le second cas aussi.
Un dessin serait le bienvenu pour être certain que l'on parle de la même chose.

[Babar III]

Oui c'est mieux avec un dessin, je te donne deux liens:
- http://www.e-scio.net/electromag/induction2.php3
- http://www.electrons.ch/fichiers/Effet%20moteur.pdf

Le premier lien correspond à la première hypothèse et le deuxième à la seconde.

[YBaCuO]

Je maintiens que dans le second cas les électrons subissent toujours les forces de Laplace.

[Babar III]

Comment est-ce possible?

[YBaCuO]

C'est le même phénomène dans les deux cas. Le courant exerce une force sur les "parois du conducteur".

[stefjm]

C'est le même phénomène dans les deux cas. Le courant exerce une force sur les "parois du conducteur".

Bonsoir,
Sans vouloir tout embrouiller, les forces ne s'appliquent pas sur les fils mais sur les carcasses en fer. (et heureusement car sinon, un moteur serait très fragile!)
Cordialement.

[phuphus]

Bonsoir,

Sans vouloir tout embrouiller

Si, si, allons-y

Lorsque deux champs magnétiques sont présents dans l'air, il n'y a aucune force résultante, juste une addition vectorielle de la contribution de chaque champ. Une force existe lorsque :
- une particule chargée voit un champ magnétique variable
- un dipôle magnétique est soumis à un champ extérieur

Donc si la bobine du rotor est source d'un champ magnétique, cette même bobine pourra être vue comme un électro-aimant, attirant à elle toute matière ferromagnétique environnante et interagissant avec d'éventuels aimants permanents présents autour. Mais cette interaction n'est pas une interaction des champs magnétiques de chacun, c'est juste une interaction entre un champ et un éventuel dipôle plongé dans ce champ.

Cette même bobine est bien le siège d'une force de Laplace, mais cette force n'est pas celle que subissent les électrons. Un électron en mouvement dans un champ magnétique subit une force de Lorentz et est dévié (mais ne vient pas "pousser" sur l'isolant). Si cet électron se balade dans un conducteur, sa déviation occasionne un défaut d'électron localement, donc la "création" d'ions dans le réseau. La force électrostatique entre l'électron dévié et l'ion ainsi créé, intégrée sur tout le conducteur, est la force de Laplace.

[YBaCuO]

Bonsoir,
Sans vouloir tout embrouiller, les forces ne s'appliquent pas sur les fils mais sur les carcasses en fer. (et heureusement car sinon, un moteur serait très fragile!)
Cordialement.

Exact, mais les liens présentés traitaient un fil dans le vide.
Pour la prise en compte des matériaux magnétiques, on peut faire la transition avec le modèle des courants surfaciques.

[phuphus]

Bonjour à tous,

loin de moi l'idée de troubler la quiétude de ce fil, mais il me semble qu'il y a quelques confusions.

Un fil dans le vide (parcouru par un courant et plongé dans un champ magnétique) subit bien une force de Laplace, qu'il soit entouré d'un isolant ou non.

Dans un moteur ou tout autre transducteur dynamique, la force de Laplace est bien exercée sur le conducteur électrique (et, par action / réaction, le châssis finit à un moment ou à un autre par subir aussi cette force). Il m'est arrivé de voir des bobinages délaminés car la couche adhésive du fil n'avait pas tenu face à la force de Laplace.

[YBaCuO]

Dans un moteur ou tout autre transducteur dynamique, la force de Laplace est bien exercée sur le conducteur électrique (et, par action / réaction, le châssis finit à un moment ou à un autre par subir aussi cette force). Il m'est arrivé de voir des bobinages délaminés car la couche adhésive du fil n'avait pas tenu face à la force de Laplace.

Bonsoir,

Non, stefjm a raison,dans une machine réelle le couple provient majoritairement de la "pression magnétique" au niveau des encoches (comme si des courants circulaient sur les flancs des encoches). La force de Laplace qui s'exerce sur les conducteurs et qui se répercute sur le châssis est bien plus faible.

[phuphus]

Bonsoir YBaCuO,

au temps pour moi, je n'avais pas l'intention de sous-entendre que le couple d'un moteur à courant continu n'était dû qu'aux seules forces de Laplace, même si j'ignorais que ce n'est pas le cas. Si je veux résumer (corrige-moi si je me trompe) :

- une force de Laplace existe au sein d'un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champs magnétique, cette force ayant pour origine une interaction électrostatique entre les électrons déviés et les ions du réseau. A aucun moment les électrons n'appuient sur les parois du conducteur
- dans une machine à CC, le flux statorique passe principalement par les parties métalliques du rotor. Comme les enroulements sont pratiqués dans des encoches, ces encoches faisant partie de l'entrefer, seule une faible partie du flux traverse les enroulements
- cette faible partie de flux est certes faible mais existante, et en interagissant avec le courant parcourant les enroulements est à l'origine d'une force de Laplace
- l'autre partie du flux, majoritaire, passe par les parties métalliques du rotor. Ces parties métalliques étant magnétisées par le courant parcourant les enroulements (c'est donc un électro-aimant), et cette magnétisation étant perpendiculaire au flux statorique, le rotor a tendance à vouloir s'aligner sur le flux statorique et donc à tourner
- le flux rotorique, en outre, rayonne hors du rotor et vient perturber le flux statorique, qui n'est plut tout à fait transversal
- pour rétablir un flux global correct (nul sur la ligne neutre et transversal entre les pôles du stator), on peut mettre des pôles auxiliaires

Si j'ai bien tout compris, cette synthèse explique assez globalement le fonctionnement d'un moteur à CC, avec une complémentarité des forces de Laplace et des forces magnétiques exercées sur le rotor.

D'un point de vue modélisation, on peut simplifier le tout et considérer que les enroulements voient l'intégralité du flux statorique. En multipliant ce flux par le courant et par le nombre de tours des enroulements, on retombe sur nos pattes pour le calcul du couple, même si cela est simpliste.

J'm'ai gouré kek part ???

[YBaCuO]

Merci d'avoir réalisé cette synthèse ; elle me semble correct.
Finalement ce fil m'a permis de me replonger dans le principe de fonctionnement des machines électriques, et d'en sortir avec des idées mieux agencées.

D'un point de vue modélisation, on peut simplifier le tout et considérer que les enroulements voient l'intégralité du flux statorique. En multipliant ce flux par le courant et par le nombre de tours des enroulements, on retombe sur nos pattes pour le calcul du couple, même si cela est simpliste.

Il me semble qu'en réalisant ce produit, on ne prend pas en compte l'effet de l'aimantation du rotor par les enroulements rotoriques, en rajoutant un coefficient de proportionnalité la formule devient correcte.

[Babar III]

Bonjour tout le monde,

- une force de Laplace existe au sein d'un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champs magnétique, cette force ayant pour origine une interaction électrostatique entre les électrons déviés et les ions du réseau. A aucun moment les électrons n'appuient sur les parois du conducteur

En fait, je crois que c'est ce passage que j'ai du mal à me représenter; en quoi consiste cette interaction électrostatique et comment donne-t-elle naissance à la force de Laplace (concrètement)?

Merci.

[phuphus]

Bonsoir Babar III,

des particules chargées exercent entre elles une force répulsive si elles sont de même signe, et attractive si elles sont de signe opposé. Je ne suis pas spécialiste des conducteurs électriques, mais si je ne dis pas de bêtises (si j'en dis, j'espère que quelqu'un me corrigera), on peut considérer qu'un conducteur métallique est fait d'atomes qui peuvent s'échanger des électrons. On parle donc d'électrons libres et d'ions métalliques (en faisant une rapide recherche, on trouve que le modèle de Drude, vieux de déjà plus d'un siècle, décrit un conducteur électrique comme un réseau d'ions baignant dans une nuée d'électrons libres ; on a dû faire beaucoup mieux depuis comme modèle). Sous l'effet du champ magnétique et de leur vitesse, les électrons vont être déviés et se concentrer d'un côté du conducteur, il s'agit de l'effet Hall. Du coup, on a un déséquilibre avec un déficit d'électrons d'un côté du conducteur (donc un "trop plein" d'ions) et une accumulation d'électrons de l'autre côté. Comme les charges opposées d'attirent, il va y avoir attraction entre le côté déficitaire en électrons et le côté excédentaire.

Au final, la force électrostatique exercée sur les électrons va finir par exactement compenser la force de Lorentz, et les électrons seront en équilibre (équilibre selon une direction orthogonale à leur vitesse), mais pas le réseau ionique qui ne subit que la force électrostatique. Ce déséquilibre au niveau des ions est donc la force de Laplace, qui par la force des choses (équilibre des électrons) va être égale à la somme des forces de Lorentz. C'est pour cela que l'on peut se permettre de calculer la force de Laplace directement à partir du courant.

Finalement ce fil m'a permis de me replonger dans le principe de fonctionnement des machines électriques, et d'en sortir avec des idées mieux agencées.

Et moi de comprendre comment fonctionnait vraiment un moteur CC

[Babar III]

Bonjour,

merci pour la réponse phuphus, mais finalement qu'est-ce qui va interagir avec le champ magnétique du stator pour faire tourner le rotor, est-ce la pression des électrons contre le conducteur? En fait j’ai bien compris ce vous avez expliqué mais je n'arrive pas à comprendre qu'est-ce qui met réellement le rotor en mouvement lorsqu'il interagit avec le stator.

[Babar III]

Je veux dire, certes il y a une interaction électrostatique entre les électrons déviés et es ions du réseau, mais en quoi cette interaction électrostatique va-t-elle mettre en mouvement le rotor à l'intérieur du stator?

[phuphus]

Bonsoir Babar III,

comme l'ont précisé Stefjm et YBaCuo précédemment, la force de Laplace ne représente qu'un fraction minoritaire des efforts exercés sur le rotor d'un moteur à courant continu. Pour cette seule fraction, la force créée est orthogonale à la fois au courant circulant dans les enroulements du rotor et au flux magnétique provenant du stator. Donc au final, la force tend bien à faire tourner le rotor. Quelques images et animations pour que tu puisses visualiser cela :

http://www.walter-fendt.de/ph14f/electricmotor_f.htm (avec en prime la "règle de la main droite" en code couleur)
http://web.ncf.ca/ch865/frenchdescr/...tricMotor.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Machine...ipes_physiques


En plus, dès que je retrouve une image montrant le flux magnétique dû aux courants du rotor, je te la mets. Cette image illustrerait le point que j'ai cité plus haut :

l'autre partie du flux, majoritaire, passe par les parties métalliques du rotor. Ces parties métalliques étant magnétisées par le courant parcourant les enroulements (c'est donc un électro-aimant), et cette magnétisation étant perpendiculaire au flux statorique, le rotor a tendance à vouloir s'aligner sur le flux statorique et donc à tourner

[Babar III]

Bonjour,

je suis tout à fait d'accord avec ce que vous dites mais je voudrais avoir confirmation d'une chose de manière très simple:
est-ce que la force de Laplace est générée par le champ magnétique circulaire qui se crée autour du fil conducteur (parcouru par un courant) ou est-ce que ce champ magnétique circulaire autour du fil n'a strictement rien à voir avec la force de Laplace?

[YBaCuO]

Bonsoir,

Le champ magnétique circulaire manifeste la présence d'un courant dans le conducteur. Dans l'exemple cité cela n'a pas d'impact, par contre si on referme le conducteur pour faire une spire ou un enroulement, ce champ magnétique va généré sur la spire une force de Laplace créée par elle-même qui tend à l'étirer. Cette force ne travaille pas et donc n'intervient pas dans le bilan énergétique.
A vrai dire, je ne trouve pas cette illustration judicieuse, elle ne permet pas de se représenter intuitivement le phénomène, c'est sans doute pour cela que tu n'as pas d'explication très convaincante.

[Babar III]

Bonsoir,

Oui, c'est tout à fait ça, tu as bien compris mon problème, je n'arrive pas à trouver une représentation intuitive du phénomène et ça me dérange...

[phuphus]

Bonsoir Babar III,

pour compléter l'intervention de YBaCuO, la force de Laplace est réellement due au mouvement des électrons dans le conducteur, et à rien d'autre. L'interaction électrostatique entre les électrons déviés et les ions du réseau n'est qu'un intermédiaire qui de toutes façons transmet intégralement les forces de Lorentz aux ions (équilibre des électrons).

Ensuite, le courant qui passe dans les enroulements a non seulement pour effet celui décrit par YBaCuO, mais en plus ce courant va aimanter les pièces ferromagnétiques du rotor. Le rotor se transforme donc en électro-aimant, avec une polarisation perpendiculaire à celle du stator. Si tu places deux aimants parallélépipédique sur une table, perpendiculaires l'un à l'autre, ils vont tourner pour se présenter mutuellement leurs pôles opposés. Là, c'est pareil : le rotor va tourner pour s'aligner sur le stator.