Les moteurs électriques : cours de Première SI

Un robot aspirateur, une trottinette, une voiture électrique, un ascenseur, une machine-outil : tous ces systèmes ont besoin de mouvement, et la plupart l'obtiennent grâce à un moteur électrique. En Sciences de l'ingénieur, tu ne te contentes pas de savoir qu'un moteur « tourne » : tu dois savoir ce qu'il consomme, ce qu'il fournit, ce qu'il perd, et pourquoi on a choisi celui-là plutôt qu'un autre.

Les ressources pédagogiques Éduscol notent que les élèves saisissent souvent mal ce qui motive le choix d'un type de moteur plutôt qu'un autre ¹. Ce cours a donc deux objectifs : te donner les outils de calcul (puissance, rendement, modèle électrique) et t'entraîner à raisonner sur les choix de conception.

Tu t'appuies ici sur trois notions déjà vues : l'énergie et la puissance, les grandeurs électriques (tension $U$, intensité $I$, loi d'Ohm $U = R\,I$) et le rendement d'une chaîne de puissance. Si l'une d'elles est floue, relis-la avant de continuer : tout ce qui suit les réutilise.

Cette réversibilité a une conséquence très concrète pour un système embarqué : un véhicule électrique qui ralentit peut faire fonctionner son moteur en mode « générateur » pour récupérer une partie de l'énergie du mouvement. Une ressource Éduscol décrit d'ailleurs deux fonctionnements : quand la machine convertit de l'énergie électrique en énergie mécanique, c'est un fonctionnement « moteur » ; quand elle convertit de l'énergie mécanique en énergie électrique, c'est un fonctionnement « générateur » ⁴.

Dans la chaîne de puissance d'un système, le moteur est l'élément qui fait le lien entre la partie électrique (source d'énergie, éventuellement un variateur qui adapte l'alimentation) et la partie mécanique (réducteur, transmission, charge). Les documents techniques consacrés aux moteurs traitent d'ailleurs ensemble les moteurs, leurs démarreurs et leurs variateurs de vitesse électroniques, car on ne peut pas bien choisir l'un sans l'autre ⁵.

Les ressources Éduscol sur les moteurs électriques retiennent comme vocabulaire de base les mots rotor, stator, induit, inducteur, rendement et convertisseur d'énergie ⁴. Il faut savoir les placer sur un moteur réel.

Le principe de fonctionnement repose sur l'interaction entre un champ magnétique et un courant. Une séance pédagogique de terminale STI2D, consacrée à la fabrication d'un moteur à courant continu, s'appuie sur plusieurs lois électriques : la loi d'Ohm, la résistance d'un fil, le champ magnétique d'une bobine et la force d'attraction d'un électro-aimant ³. Cela te donne une bonne idée de ce qu'il faut maîtriser : un moteur est une bobine, donc une résistance, placée dans un champ magnétique.

Les ressources de formation distinguent les moteurs à courant continu, les moteurs synchrones et les moteurs asynchrones ³⁴. Une ressource Éduscol précise qu'elle se limite à comparer les moteurs à courant continu et les moteurs asynchrones ⁴ ; ce sont les deux familles que tu dois savoir situer.

Cette liste de sujets (démarrage, réglage de vitesse, freinage) montre ce que l'ingénieur doit prévoir autour d'un moteur : le moteur seul ne suffit pas, il faut le piloter et le protéger ⁵.

C'est le cœur du cours. Pour un moteur en régime établi, on compare ce qu'il reçoit à ce qu'il fournit.

La différence entre puissance absorbée et puissance utile correspond aux pertes : $P_{pertes} = P_a - P_u$ Ces pertes se transforment surtout en chaleur. La plus simple à calculer est la perte par effet Joule dans la résistance $R$ de l'induit, qui découle de la loi d'Ohm : $P_J = R\, I^2$ Elle augmente avec le carré de l'intensité : doubler le courant multiplie par quatre la chaleur dégagée dans les enroulements.

Pour prévoir le courant demandé par un moteur, on le modélise. Dans le modèle simplifié utilisé en Première, l'induit se comporte comme une résistance $R$ en série avec une source de tension $E$, appelée force électromotrice (f.é.m.). Ce modèle est un outil de calcul : il fait des hypothèses (pertes réduites à l'effet Joule de l'induit, régime établi) que l'on garde en tête.

Cet exemple explique un fait industriel : le démarrage est un moment délicat, car l'appel de courant est important. C'est une des raisons pour lesquelles la documentation technique détaille les dispositifs de démarrage, le réglage de vitesse et le freinage associés aux moteurs ⁵, et traite des démarreurs et variateurs de vitesse électroniques dans un guide à part ⁵.

Au début du XIXe siècle, la découverte des phénomènes d'électromagnétisme est le point de départ de la conception des moteurs électriques ⁴. La roue de Barlow, construite en 1822, annonce les moteurs électriques ⁴. Les progrès techniques et la deuxième révolution industrielle ont ensuite fait des moteurs électriques une alternative possible à la force musculaire animale ou humaine ⁴.

Quelques jalons à retenir, sans les apprendre par cœur : en 1821, Michael Faraday construit deux appareils qui produisent une « rotation électromagnétique », démonstration du premier moteur électrique ⁶. En 1822, Peter Barlow construit la roue de Barlow, un disque métallique découpé en étoile plongeant dans du mercure, mais trop faible pour une application pratique ⁶. En 1832, William Sturgeon invente le premier commutateur utilisable expérimentalement ⁶.

Moritz Hermann von Jacobi développe en mai 1834 le premier moteur électrique pratique, à Königsberg ⁶. Le 13 septembre 1838, à Saint-Pétersbourg, il pilote un navire mû par son moteur de 220 W ; le bateau, avec une dizaine de passagers, remonte la Neva en parcourant 7,5 km à environ 2,5 km/h ⁶. Thomas Davenport invente en 1834 le premier moteur à courant continu conçu pour être commercialisé, puis le brevette en 1837 ; ces moteurs ne se sont pas développés industriellement à cause du coût des batteries ⁶.

En 1864, Antonio Pacinotti réalise la vérification pratique de la réversibilité des machines électriques ⁶. Enfin, pour le moteur asynchrone, la paternité est controversée entre trois inventeurs : Nikola Tesla (brevet déposé en 1887), Galileo Ferraris (expérimentation en 1885, théorie en avril 1888) et Doliwo-Dobrowolski (1889) ⁶.

Choisir un moteur est un problème de compromis. Une ressource Éduscol destinée aux enseignants de STI présente un cours de synthèse, donné en fin de deuxième année, qui met côte à côte l'ensemble des moteurs et leurs façons d'être pilotés pour les comparer ¹. Ce qui compte, c'est donc le couple moteur + commande, pas le moteur seul.