A voir le nombre de voitures sur les routes et dans les rues - et dans la jungle et dans le désert - on en conclurait vite que le moteur le plus répandu sur terre est le moteur à essence. En réfléchissant deux secondes, on est bien obligé de se rappeler que toute voiture est équipée d'un démarreur et d'un essuie-glace, donc d'au moins deux moteurs électriques. Et bien souvent on peut encore ajouter ceux du second essuie-glace arrière, des vitres et de la pompe à essence.Le moteur le plus diffusé reste donc le moteur électrique. Dans le plus modeste appartement il y en a au moins une bonne douzaine :
réfrigérateur, aspirateur, machine à laver, tourne-disques, magnétophone, jouets des enfants, caméra, etc. Il présente sur le moteur à pistons deux avantages majeurs : il tourne rond et n'émet aucune fumée.
Par contre, il faut lui apporter du courant, et il apparaît souvent comme beaucoup moins simple à comprendre. C'est vrai que le moteur électrique peut être série, shunt, synchrone, asynchrone, monophasé, triphasé, pas-à-pas, autosynchrone et ainsi de suite. En réalité, comme nous allons le voir, le principe est relativement simple mais donne lieu à de nombreuses variantes.
Dans cette rubrique, nous avons déjà construit des moteurs électriques de plusieurs sortes, mais nous avons choisi cette fois une solution extrême : la simplicité absolue. Grâce au talent inventif de Pierre Courbier, on a pu arriver à un record : le moteur peut être construit à partir d'une boîte de conserve et de quelques brins de fil de cuivre. C'est dire que ses composants sont accessibles à tous pour un prix dérisoire, et qu'en plus il ne présente aucune difficulté de montage.
Cela ne l'empêche pas de fonctionner parfaitement, et d'illustrer clairement le principe qui est à la base de tout moteur électrique : l'attraction ou la répulsion des champs magnétiques engendrés par le passage du courant dans un fil conducteur. On sait qu'un aimant attire une rondelle de fer ou une pièce de 5 F en nickel ; on peut exploiter cette force pour maintenir une porte fermée ou faire tenir des papiers sur une cloison en tôle d'acier, mais pas pour donner un effort continu : une fois que la pièce d'acier est venue se coller à l'aimant, elle y reste et il faut dépenser une énergie égale pour la décoller.
Allons un peu plus loin dans les connaissances élémentaires : tout aimant possède un pole (+) et un pole (-), dits en général nord et sud ; deux pôles de signes opposés s'attirent (avec beaucoup plus de force qu'ils n'attirent une pièce neutre) et deux pôles de même signe se repoussent. Pour exploiter ces forces et les transformer en forces motrices, il faudrait pouvoir couper et rétablir le champ magnétique, faute de quoi, nous l'avons vu, les pôles viennent en contact et ne bougent plus.
Par chance, le danois OErsted fit en 1819 une découverte qui allait mener au moteur électrique : le passage du courant dans un fil fait bouger l'aiguille d'une boussole placée à proximité, autrement dit le courant (au sens de déplacement de charges électriques) engendre un champ magnétique exactement semblable à celui qui règne autour d'un aimant. En multipliant les conducteurs sur une même portion d'espace, on multiplie l'intensité du champ, d'où l'idée simple d'enrouler en bobine un long fil conducteur
Un tel bobinage constitue un électro-aimant, et tant que le courant y circule il a les mêmes propriétés qu'un barreau aimanté : il possède un pole (+) et un pole (-) qu'on peut inverser en changeant le sens du courant, attire tout ce qui est en fer, nickel ou cobalt, ou ce qui est déjà aimanté et de signe opposé à lui - et il repousse ce qui est de même signe. Mais dès qu'on arrête le courant, le bobinage redevient, du point de vue magnétique, l'équivalent d'un bout de bois.
Avec un interrupteur, une bobine constitue donc un aimant qu'on peut allumer et éteindre à volonté ; il n'en faut pas plus pour faire un moteur électrique. Pour commencer, on va piquer un axe à travers une première bobine : ce sera l'arbre moteur ; on met ensuite une seconde bobine fixe près de la première, et on envoie le courant dans les deux. On a ainsi créé deux aimants dont les attractions ou répulsions vont entrer en jeu.
S'il y a attraction, la bobine mobile tourne sur son axe pour se rapprocher de la bobine fixe ; dans le cas contraire elle va être repoussée, mais elle aura encore tourné sur son axe : dans les deux cas, il y a amorce d'un mouvement de rotation. Tout le problème maintenant va être de l'entretenir. Notons d'abord que le second cas se ramène de lui-même au premier : quand le pole, disons nord, est repoussé et tourne en s'écartant du pole nord de la bobine fixe, la rotation amène du même coup le sud mobile vers le nord fixe et l'attraction entre en Jeu.
Le mouvement s'arrête dès que les deux bobines sont alignées, pôles opposés en face l'un de l'autre. L'expérimentateur a alors le choix : couper le courant juste avant que les bobines soient alignées, et ne le rétablir que quand le pole mobile, sur sa lancée, aura fait plus d'un demi-tour ; ou, meilleur rendement, le rétablir mais inversé dès que le pole mobile aura un peu dépassé le pole fixe. A ce moment le champ est inversé, l'attraction est devenue répulsion et la rotation se poursuit.
Elle se poursuivra d'ailleurs aussi longtemps que l'opérateur ne sera pas fatigué de couper et inverser le courant chaque demi-tour. Remarquons tout de suite une chose : pour que le moteur tourne, il faut que le rotor (bobine mobile) soit alimenté par un courant périodiquement inversé, donc par définition même un courant alternatif. Il n'existe pas, au sens vrai, de moteur à courant continu - les deux pôles opposés des bobines resteraient face à face et ne bougeraient plus.
Bien entendu, on peut se passer de l'opérateur et des manipulations d'interrupteurs, faute de quoi le moteur n'aurait eu aucun avenir. Il est immédiat que la bobine mobile ne peut être reliée directement à la source de courant par un fil électrique car celui-ci serait immédiatement entortillé puis cassé par la rotation de la bobine. Il faut donc amener le courant à l'axe avec des frotteurs qui appuieront sur des conducteurs reliés à la bobine.
Or ces frotteurs, dits balais, vont d'eux mêmes résoudre très simplement le problème de l'interruption et de l'inversion du courant chaque demi-tour. Notre bobine traversée par un axe comporte évidemment un fil d'entrée, un fil de sortie ces deux fils vont être collés en long de part et d'autre de l'axe, puis deux autres conducteurs fixes (les balais) vont venir frotter en deux points diamétralement opposés sur cet axe.
Si le rotor tourne, il vient un moment où les balais touchent les deux fils de la bobine mobile ; celle-ci s'aimante et accélère le début de rotation, puis les balais cessent de toucher les fils et le rotor continue sur sa lancée. De nouveau les fils vont revenir en contact avec les balais, mais de manière opposée : le balai qui touchait le fil de gauche, par exemple, touche maintenant celui de droite, et réciproquement.
Pour fabriquer notre moteur, une simple boîte en fer blanc et du fil de cuivre suffiront.
De ce fait, le courant circule en sens contraire dans la bobine mobile et les attractions magnétiques entraînent le rotor sur un autre demi-tour. Le courant est de nouveau interrompu et inversé à la fin de ce demi-tour, et le cycle se poursuit tant que le moteur est sous tension. Mais en général un engin aussi simplifié ne démarre pas tout seul, sauf si les balais se trouvent par chance en contact avec les fils du rotor. Autrement, il faut le lancer à la main.
Pour qu'il démarre seul, il faut non pas une, mais au moins trois bobines autour de l'axe, et trois contacts sur lesquels vont porter les deux balais - à ce moment, la bobine qui est alimentée est toujours un peu en arrière de la bobine fixe et se trouve attirée (ou repoussée) par elle, ce qui amorce la rotation. En pratique, on met beaucoup plus d'enroulements encore au rotor (5, 7, ...11, ...23, etc.) pour que la marche soit parfaitement fluideQuant au collecteur, il est constitué de lames en cuivre sur lesquelles viennent frotter des charbons. On peut aussi alimenter directement les bobinages fixes en courant alternatif, ce qui dispense du collecteur et des balais dont le rôle essentiel est d'alimenter le rotor en courant alternatif. Le principe de fonctionnement reste toujours le même, mais pour avoir un bon rendement il faut tenir compte d'un grand nombre de facteurs (tension, intensité, domaine d'action efficace des champs magnétiques créés, résistance des circuits, etc.).
Un bon moteur électrique, même petit, réclame de longues études préliminaires et beaucoup d'expérience. Celui que nous allons construire ne nous mènera heureusement pas si loin, et pourtant il tourne. Tout commencera par la quête des composants, ce qui sera vite fait puisqu'il suffit de se procurer une boîte de conserve en fer blanc et une bobine de fil émaillé de 5/10 ou 6/10mm.
On trouvera le fil de cuivre chez les marchands de composants électroniques, mais on peut également le récupérer sur un vieux transformateur radio ou autre. Pour la boîte de conserve, il vaut mieux choisir une boîte de 1 kg, et vérifier (avec un aimant si nécessaire) qu'elle est bien en tôle d'acier - l'aluminium, paramagnétique, n'apporterait rien au rendement de la machine. Pour découper le fer blanc, une vieille paire de ciseaux conviendra (une neuve aussi, mais il ne restera plus qu'à l'aiguiser ensuite).
Après avoir découpé la boîte pour en extraire la partie cylindrique et l'avoir redressée soigneusement, on pourra enlever les impressions qui l'ornent avec un solvant (acétone, trichloréthylène). A vrai dire, on peut les laisser et se rapprocher ainsi des vrais moteurs dont les tôles sont séparées les unes des autres par un film isolant afin d'éliminer les courants de Foucault.
Deux versions du moteur sont possibles : - le modèle rustique monté sur une planchette de contre-plaqué de 90 x 80mm sur laquelle les divers composants (paliers, balais, etc.) seront fixés avec de simples punaises. - la version « luxe » dont le socle sera constitué par un morceau de carton épais de mêmes côtes mais qui utilisera des barrettes de connexion en lieu et place des punaises.
Le socle, figure 1, sera compose selon les cas par un rectangle de carton ou de contre-plaqué de 90 x 80mm. Les paliers sont illustrés figure 2 ; le tracé sur la feuille de fer blanc se fera avec un crayon gras aux côtes indiquées sur les figures. Pour plier la tôle à angle droit, on s'aidera d'un gabarit (boîte parallélépipédique quelconque). Les trous destinés au passage de l'axe du rotor seront obtenus par perçage avec une aiguille à coudre. Après avoir découpé 2 rectangles de 25 x 55mm, on les percera et pliera aux côtes indiquées figure 2.
Le rotor est décrit figures figures 3 à 6. L'axe du rotor est constitué par une tige d'acier d'environ 1mm de diamètre et de 40mm (ou plus) de longueur. Une aiguille à coudre du même diamètre conviendra si l'on ne peut se procurer de la corde à piano - disponible chez les spécialistes de maquettes. Le noyau du rotor est constitué par l'empilement de rectangles de fer blanc ainsi qu'on le voit sur les figures 3 à 6.
Les 6 petits rectangles de fer blanc (10 x 24mm) disposés de part et d'autre de l'axe sont pris en sandwich entre les deux grands rectangles (10 x 50mm). Cet empilement terminé doit se présenter en coupe comme indiqué figure 3. Chaque lamelle est collée avec de la colle cyanocrylate type gel, sans oublier le passage de l'axe. On peut s'aider des mors d'un étau pour aplanir le noyau avant de procéder au collage, mais cela n'est pas indispensable.
On terminera en enroulant autour un morceau de ruban adhésif - figure 4 ; sans cette précaution, le vernis qui isole le fil de cuivre pourrait être éraflé par les angles vifs et cela risquerait de provoquer des courts circuits. Mettre un tel empilement de tôles feuilletées dans la bobine permet de concentrer le champ magnétique du au courant et de relever d'autant les forces d'attraction ou de répulsion. Tous les moteurs électriques à haut rendement sont ainsi bobinés autour de fer doux en feuilles isolées les unes des autres.
La figure 4 indique aussi comment il faut procéder pour enrouler 80 tours de fil de cuivre 5/10mm spires jointives sur chaque côté du rotor et toujours dans le même sens. Au début, on laissera une longueur de 2cm de fil (qui va constituer le collecteur E) et à partir de l'axe, on enroulera 20 tours dans le sens indiqué figure 4 en allant vers l'une des extrémités. Ensuite on reviendra vers le centre, encore 20 tours, on passera de l'autre côté de l'axe, et on poursuivra l'enroulement de 20 tours vers l'autre extrémité ; puis on reviendra vers l'axe en terminant les 20 tours restants et on coupera le fil en laissant 2 cm qui feront le second collecteur ( « S »).
Ensuite, on coupera 5 manchons en plastique dans une hampe de coton-tige - voir côtes et indications figure 6. On passera l'extrémité des fils de cuivre encore revêtus de leur vernis isolant dans le manchon 2 (2 mm de long) ; ces fils passeront ensuite au dessus du manchon 3 (5 mm de long), puis au dessous du manchon 4 (2 mm de long) ; enfin ils seront rabattus et coupés comme indiqué figure 6.
C'est alors seulement que l'on dénudera la partie externe des fils de cuivre qui va servir de collecteur et se trouvera en contact avec les balais.
Pour cela on enlèvera le vernis en le grattant avec une lame de cutter fine, cette opération est indispensable et doit être effectuée avec le plus grand soin. Les manchons 1 (6mm) et 5 (1mm) jouent le rôle d'écarteurs. On s'assurera que le rotor tourne librement et sans frottement dans ses paliers.
Le stator, figures 7 à 9, est composé lui aussi et pour les mêmes raisons d'un empilement de lamelles dont les côtes et l'identification sont données figure 7. La lame A, coudée en U à 90°, est prise en sandwich entre les lamelles B1 à B6 et C1 à C4, tandis que les lames D1 x D2, coudées sur leurs bases, servent à fixer le stator sur son socle.
Comme pour le rotor et pour les mêmes raisons, la partie du noyau (figure 9) qui doit recevoir le bobinage - composé de 135 tours de fil émaillé 5/10mm à spires jointives enroulées dans le même sens que le rotor - sera revêtue d'une couche de ruban adhésif.
Une longueur de 300mm de fil de cuivre identique à celui qui a servi pour les bobinages servira à confectionner les balais - figure 10. Notons au passage que les balais d'un moteur électrique doivent se plier, c'est le cas de le dire, à certaines contraintes si l'on veut obtenir une bonne durée de fonctionnement. Leur pression sur le collecteur doit être suffisante pour assurer le contact, mais pas trop forte sinon l'usure mécanique s'ajoute au ralentissement du au frottement. Il faut aussi compter avec la corrosion due aux étincelles.
Ce ressort, convenablement réglé, produira une pression constante sur le collecteur malgré la ductilité relative du cuivre. Si l'on dispose de barrettes de connexion on les fixera comme indiqué sur la même figure avec de la colle néoprène.
La figure 11 montre comment doivent être assemblés et câblés les composants que nous venons de fabriquer. Si on ne dispose pas de barrettes de connexion, les balais seront fixés sur le socle en bois avec des punaises. Le stator et les supports de paliers seront collés sur le socle avec de la colle de type néoprène ou, à la rigueur, avec des morceaux de ruban adhésif.
L'un des balais sera connecté à l'entrée de la bobine du stator par une épissure obtenue en torsadant les fils soigneusement dénudés. L'autre balai ira vers l'un des pôles de la pile (type plate 4,5 V) ; un trombone servira de contact, tandis que le fil de sortie de la bobine du stator sera relié à l'autre pole en utilisant le même genre de connexion.
Dans le second cas (version luxe avec barrettes de connexion), le câblage est identique. Les barrettes seront collées avec de la colle néoprène, ainsi que le stator et les supports de paliers. On commencera donc, pile non branchée, par coller le support de palier postérieur (néoprène), puis on introduira l'axe du rotor après avoir intercalé les manchons 1 et 5 (figure 6).
Déjà spécialiste de la photographie - artistique, industrielle, reportage etc. - notre lecteur d'Asnières, Jean Damery, est en passe de devenir le spécialiste de la machine électrostatique. Et c'est lui qui détient le record de la plus petite machine de Whinshurst, comme celui de la variété dans les modèles et les matériaux. Saurez-vous faire mieux encore ?
On mettra en place le porte palier antérieur qui sera maintenu par un morceau de ruban adhésif. Ceci fait, on disposera et collera le stator (néoprène) en veillant à son alignement et à son centrage par rapport au rotor. Eventuellement, on écartera légèrement les branches du U afin que le rotor en tournant ne le touche pas.
On placera ensuite les balais montés sur leurs supports et on réglera soigneusement leur torsion afin qu'ils appuient légèrement de part et d'autre sur le manchon cylindrique 3 qui porte le long de deux génératrices diamétralement opposées les deux fils en provenance du rotor. On les collera (néoprène) en faisant attention que les balais ne se croisent ni ne se touchent.
Normalement, lorsque le rotor est horizontal, les fils formant le collecteur ne doivent pas être en contact avec les balais ; ce contact doit se produire un peu avant que le rotor ne soit vertical (il en résulte que notre moteur doit être lancé pour tourner, sauf si par chance le rotor se trouve dans la position idoine).
Ceci contrôlé, on mettra le contact (polarité indifférente) et on lancera avec délicatesse le rotor. Si la construction a été menée en respectant les indications qui précèdent, le moteur doit immédiatement tourner. Si ce n'est pas le cas, on reprendra tous les stades en vérifiant le sens d'enroulement et la qualité des contacts.
Mais si le résultat est positif, cela ne signifie pas qu'il soit le meilleur possible : la vitesse de rotation peut probablement être améliorée. Pour cela, il faut régler le calage du collecteur en faisant varier avec des pinces fines (à la rigueur des pinces à épiler) la position des fils. Toutefois, la théorie et la pratique veulent que ces deux fils soient toujours dans un même plan passant par l'axe.
Il ne faut jouer que sur l'angle que fait ce plan avec celui du bobinage, et procéder avec minutie. Ceux qui disposent d'un multimètre pourront s'aider lors de ce réglage par une mesure de consommation. Il sera optimum lorsque pour une vitesse maximum, on constatera un minimum de consommation (en milliampères).
Le réglage terminé il peut être utile d'immobiliser le collecteur avec une trace de colle type cyanocrylate, il faut faire attention à ce qu'elle ne déborde pas sur le fil de cuivre dénudé, ni sur le palier. Il ne restera plus, pour terminer ce moteur, qu'à coller le support de palier antérieur et à réfléchir sur la construction d'un modèle identique mais encore plus petit.
Disons tout de suite que pour avoir un moteur capable de démarrer seul, le rotor doit comporter 3 bobines calées à 120° C - formule courante sur les moteurs des jouets, mais qui complique sensiblement la construction. Bien entendu, on peut multiplier le nombre des bobines (5, 7, 11, 17, etc.) du rotor pour avoir une marche encore plus fluide, et augmenter aussi le nombre de bobinages du stator. De toute manière, le principe reste le même que celui de notre modèle ultra simplifié. Quand on compris l'un, on a compris tous les autres.
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