Moteurs électriques principe, caractéristiques ; stators et rotors, collecteurs, moteur théorique, exemple de collecteur et câblage ; types et usages, comparaison ; évolution, moteurs spécifiques de l'électronique, informatique, voiture électrique

Le moteur à courant continu. Les moteurs sont comparables aux alternateurs et dynamos. A l'inverse, on les alimente donc en courant électrique pour qu'ils tournent. Logique. Comme dit au début de cette page, si l'on déplace un aimant devant un fil conducteur, un courant électrique y est produit. A l'inverse, si l'on fait passer un courant dans un fil conducteur placé devant un aimant, c'est le conducteur qui bouge !  pourquoi ? le conducteur parcouru par un courant crée lui-même un champs magnétique qui, s'opposant au premier, repousse le conducteur.
C'est le principe du moteur: on y oppose des champs magnétiques, le premier groupe étant dans la partie fixe du moteur, l'autre groupe dans le rotor. L'un de ces groupes peut être composé d'aimants permanents, comme sur la photo de ce petit moteur, mais pour l'autre groupe, ici celui qui tourne (le rotor), les champs magnétiques sont obligatoirement créés en faisant passer un courant dans les fils (bobinages).

La fabrication de tels moteurs, surtout les plus petits à usage "approximatif" domestique, dont on n'attend guère de performance particulière, est bien trop onéreux. Afin que les forces exercées soient importantes, les conducteurs représentés ici seraient en réalité remplacés des faisceaux de fils au câblage délicat, logé dans des rainures transversales du rotor.
 Le modèle présenté ci-dessous est très simplifié et l'on peut voir que les conducteurs eux-mêmes, éloignés de la périphérie, ne satisfont pas à la théorie précédente. Tout d'abord, les conducteurs éloignés de la périphérie n'offrent pas un bon couple par rapport à l'axe du rotor et ensuite, les deux deux brins d'une bobine sont proches et parcourus par deux courants opposés dans un même champ. Enfin, il y a une dissymétrie entre le nombre de pôles du rotor et celui des aimants (trois pôles pour le rotor et deux pour le stator. Ce sont donc ici des flux magnétiques qui s'attirent d'opposent ou s'attirent.

Moteur d'appareil ménager avec des balais à charbon. Le charbon, un bâtonnet carré, coulisse dans le guide métallique doré situé à la gauche de la photo. Un ressort relié au fil électrique le pousse contre le collecteur que l'on aperçoit dessous. Ces charbons relativement tendres sont conçus pour s'user en préservant le collecteurs. Ils sont remplaçables. Moteurs sans aimants permanents. Lorsqu'on n'utilise pas d'aimants permanents, il faut envoyer du courant dans les deux groupes de bobines ; si l'on entre par le stator et que l'on relie sa sortie à l'entrée du rotor pour sortir par celui-ci, on obtient un moteur dit "série". Si l'on entre à la fois dans le rotor et le stator en reliant respectivement leurs entrées ensemble, puis leurs sorties, on obtient un moteur dit parallèle. (voir physique 3, les montages série et parallèle).
Le moteur dit "série" à courant continu, est le meilleur moteur jamais créé en terme de puissance au démarrage (fort couple) et de vitesse (locomotives). Mais il est sensible à la charge et baisse vite de régime. Un autre  inconvénient provient du collecteur à secteurs, coûteux et fragile; les balais ou "charbons" s'usent en frottant sur les lamelles du collecteur qui s'usent aussi et en plus se piquent sous l'effet des étincelles. On sait les réduire mais chaque passage du charbon d'une lame à l'autre fait changer de bobinage et de ce fait, un extra courant de rupture est créé (voir self dans Physique 3).
Le moteur dit "parallèle". Il a pour lui une bonne stabilité de la vitesse selon la charge. Vitesse et puissance au démarrage  limitées. Le moteur dit "série parallèle" combine évidemment les avantages et les inconvénients des deux. Le moteur est dit "parallèle" parceque l'arrivée du courant se fait à la fois dans le rotor et le stator,  soit en reliant ensemble leurs entrées, puis leurs sorties.

Force contre électromotrice des moteurs.

Si l'on empêche un moteur de tourner alors qu'il est alimenté en courant, il chauffe rapidement et peut brûler son collecteur et ses conducteurs si la puissance électrique fournie se maintient. On en conclut qu'il n'y a guère de risque avec un petit moteur à pile !  Que se passe t-il donc quand le moteur tourne ?  il produit ce que l'on nomme une F.C.E.M, Force Contre Electromotrice qui s'opposant à la tension qui lui est appliquée, la réduit d'autant et par conséquence limite le courant. Les enroulements des moteurs sont constitués de fils assez gros pour pouvoir produire des champs intenses et leur résistance est généralement faible. Sans FCEM, le moteur est une résistance pure de faible valeur et il y a danger. A vide, le moteur ne fournit pas d'effort et la FCEM est maximale, presque égale à la tension d'alimentation et le moteur ne consomme presque rien. Plus on le charge et moins la FCEM agit, l'intensité augmente donc dans les bobinages ce qui est normal puisque un effort est fournit.

Le moteur à courant alternatif. C'est (ou c'était ?) le moins puissant des moteurs et il faut créer un artifice pour le faire démarrer, puis le synchroniser sur la fréquence du courant. Il est intéressant pour sa parfaite régularité puisqu'il suit la fréquence du courant. Bien des pendules branchées sur le courant 230 volts ont possédé un tout petit moteur de ce type et les programmateurs simples en ont encore un. Là ne s'arrête pas cependant son usage, car il a également bénéficié de larges progrès, témoin celui de la nouvelle Toyota Prius hybride, dont le premier moteur était à courant continu. Le moteur de la première Toyota Prius fonctionnait sous 274 volts continu!   la nouvelle Toyota Prius fonctionne sous 500 volts alternatif.

Il faut dire qu'autrefois, un moteur à courant alternatif ne fonctionnait que sur le secteur à 50 périodes par seconde (voir Physique 3, le courant alternatif), et un ensemble de bobines créait ce que l'on appelle un champ tournant. Ce champ tournant peut être simplement représenté et visualisé par un aimant qui tourne.
Si on alimente des bobines fixes placées à l'intérieur d'un cylindre avec du courant alternatif, chaque pôle fixe change alternativement de polarité + puis - puis +, - etc. Plaçons un aimant pivotant autour d'un axe au milieu du cylindre. Sollicité par des pôles magnétiques changeants, il ne bouge pas. Si maintenant on le lance à la vitesse qui lui permet de suivre ces alternances, il s'accroche dessus et tourne avec le champ. Si on le freine; il résiste et se décale, puis finit par "décrocher" si on le force trop. Voilà le principe du moteur alternatif. Un collecteur peut être nécessaire, mais il est simple, avec seulement deux bagues lisses sans coupure (sans lames).

Moteur diphasé. Dans ce moteur, le champ est crée par quatre bobines. Le rotor est constitué d'aimants permanents. Deux bobines opposées sont parcourues par un même courant alternatif. Chaque paire est alimentée par un courant décalé de l'autre (déphasé d'une demi période, ce qui veut dire qu'ils s'opposent en sens de circulation : l'un est au maximum   quand l'autre est au maximum   (voir physique 1). Le courant de phase 1 pour deux bobines (fil noir), le courant de phase 2  pour les deux autres (fil rouge). On obtient ainsi l'équivalent d'une rotation mécanique des pôles des électroaimants, qui vont entraîner ceux du rotor dans une valse "collé serré" ; si les pôles aimantés sont freinés, il y a retard (glissement en arrière comme avec un élastique qui se tend puis, si la charge est trop forte, décrochage et arrêt ( le champs tourne toujours mais n'entraîne plus le rotor, "l'élastique est cassé"). Conçus à l'origine pour du courant 230,  50 périodes, ce qui donnait dans le cas simple 50 tours/mn, la production de courants électriques alternatifs par l"électronique ; à façon, a permis de bien meilleurs développements, dont les moteurs de CD/DVD à vitesse variable.

Les possibiltés de l'électronique-informatique a révolutionné le monde des moteurs spéciaux, en ouvrant de fabuleuses possibilités d'alimentation en courants variables "divers et variés"..  Une autre révolution est arrivée par l'extraordinaire puissance d'aimantation que l'on peut induire en permanence dans le métal, y compris sur de tout petits volumes tels que les boutons de fermeture de sacs ! Je suppose que les recherches ont été initiées par la fabrication des disques durs d'ordinateurs, afin de positionner le bras-stylet sur des points micrométriques (il y a deux aimants extrêmemenet puissanrs).

Ces moteurs "spécifiques" se distinguent par leur alimentation en électricité.  Cette alimentation peut aller de la simple l'impulsion "pas à pas" à la variation de fréquence". Par rapport au moteur classique, c'est un grand pas car chez ce dernier seule la vitesse de rotation peut être contrôlée, par variation de la tension du courant qui lui est appliqué. Le moteur "piloté", c'est aussi des circuits électroniques complexes. Sans eux, il n'aurait pas existé. On le trouve dans les matériels informatiques (disques durs, lecteurs numériques..), ainsi que dans bien des matériels industriels, sans oublier les robots d'usines.

Montres à quartz avec aiguilles analogiques : les aiguilles sont animées par un moteur pas à pas super miniature. Ce moteur est alimenté par des impulsions électriques produites par un oscillateur électronique "calé" par quartz sur une fréquence de 32.768 hertz (cas d'une Seiko kinetic). On parvient à la seconde par réductions successives de la fréquence de l'oscillation électrique.

Le record de miniaturisation de moteur électrique serait détenu par un russe, selon une information qui remonte aux années 1970/1980 : ce moteur qui fonctionnait - mais ne faisait rien d'autre - passait dans le chas d'un aiguille .. ça laisse rêveur, même si un sculpteur réalise des œuvres qui réalisent le même exploit (voir "il peint avec un poil de tête de mouche" dans Curiosité, drôle de chose, en bas de page )

Le moteur linéaire.  L'appellation peut surprendre car un moteur, ça tourne !  mais ça fait aussi bien  avancer un engin. L'idée est don venue de créer un moteur qui fait directement avancer sans passer par la rotation. Pour cela, on a imaginé de "déployer à plat un stator", les bobinages fixes du moteur, et de le prolonger ainsi sur une grande longueur en multipliant la juxtaposition des bobinages ou des aimants fixes. Le rotor, partie tournante du moteurs, constitué des mêmes bobinages qu'un rotor normal, mais mis également à plat, en face des bobines du stator, ne tournera donc plus non plus: il se translatera. Ce "translateur" est donc situé dans la machine qui se déplace.  Entre l'équivalent stator et l'équivalent rotor, l'espace est "presque à toucher". Sanyo produit un rasoir électrique dont le moteur est un élément linéaire. Cela simplifie la mécanique tout en permettant de plus grandes vitesses. Les Grandes Tours. Au-delà des 600 mètres de hauteur, les ascenseurs ne peuvent plus être tirés par des câbles car ils casseraient sous leur propre poids. On fait don appel à la technologie du moteur linéaire pour propulser les cabines qui, par le fait, ne seraient plus suspendues à rien !! on voit que cela doit être plus compliqué

Moteur linéaire et Sustentation électromagnétique. Le moteur électrique linéaire va de pair avec la sustentation électromagnétique. Cette technologie s'applique actuellement aux trains électriques à grande vitesse, en Allemagne et au Japon; elle s'étendra sans doute à bien d'autres engins mobiles. La sustentation magnétique est un peu comme le coussin d'air des bateaux hovercraft; mais par le magnétisme, comme la boule qui semble flotter dans l'air. En raison de la caractéristique même du magnétisme, qui exige de très faibles espaces pour conserver une forte puissance, le problème est délicat car il ne faut pas que ça risque de frotter. L'autre difficulté était de réduire fortement la consommation de courant électrique qui aurait été prohibitive. Pour cela, on gèle très très fortement les conducteurs, de sorte qu'ils deviennent "supraconducteurs", perdant toute résistance ou presque. On peine à imaginer cela, mais c'est fait!