Moteur électrique

Un moteur électrique change le courant en rotation : une bobine parcourue par un courant entre les pôles d'un aimant est poussée de côté, et un commutateur ou un champ tournant garde cette poussée dans le même sens. Le moteur de Moritz Jacobi, en 1834, fournissait bien plus de puissance que tous ses prédécesseurs ; les systèmes entraînés par moteur consomment aujourd'hui environ la moitié de l'électricité mondiale.

Ce que c’est

Un moteur électrique transforme un courant électrique en rotation. Il entraîne ventilateurs, pompes, ascenseurs, tramways et machines-outils. Selon la plateforme Electric Motor Systems du programme 4E de l’Agence internationale de l’énergie, les systèmes entraînés par moteur ont consommé environ 53 % de l’électricité mondiale en 2023.

La planche montre un moteur à courant continu de la fin du XIXe siècle, alimenté par une pile.

Comment ça marche

Un fil parcouru par un courant, placé dans un champ magnétique, subit une poussée latérale, perpendiculaire à la fois au courant et au champ. Dans une bobine placée entre deux pôles, les deux grands côtés sont parcourus en sens inverse : l’un est poussé vers le haut, l’autre vers le bas, et la bobine tourne.

Commutateur à deux segments : les balais changent de moitié à chaque demi-tour.

Seule, la bobine pivoterait jusqu’à ce que son plan soit perpendiculaire au champ, oscillerait un peu et s’arrêterait là. Le commutateur (on dit aussi collecteur) l’en empêche. C’est une bague montée sur l’arbre et découpée en segments isolés, chacun relié à la bobine ; deux balais fixes frottent dessus et amènent le courant. Dans sa forme la plus simple, à deux segments, les balais passent à l’autre segment à chaque demi-tour, le courant s’inverse dans la bobine et le couple garde le même sens.

Un induit de machine porte de nombreuses bobines réparties autour d’un tambour de fer, chacune reliée à ses propres segments, ce qui rend le couple régulier. Ce fer est fait de tôles minces isolées : un noyau massif serait parcouru de courants de Foucault qui gaspillent l’énergie en chaleur. Le champ vient d’aimants permanents dans beaucoup de petits moteurs, et d’électroaimants dans la plupart des machines du XIXe siècle, comme celle de la planche.

Un induit qui tourne fonctionne aussi en générateur. Ses bobines produisent une tension opposée à l’alimentation, la force contre-électromotrice, qui croît avec la vitesse. Au démarrage, elle est nulle, et le courant peut atteindre plusieurs fois sa valeur de marche. À mesure que le moteur accélère, elle augmente et le courant baisse, jusqu’à ce que le couple équilibre la charge. Entraînée à la main, avec son champ établi et une charge branchée, la même machine débite du courant : moteur et générateur sont un seul appareil utilisé dans les deux sens.

Les moteurs asynchrones, alimentés en courant alternatif, n’ont pas de commutateur. Des enroulements fixes parcourus par des courants décalés dans le temps créent un champ magnétique tournant. Il induit des courants dans les barres de cuivre ou d’aluminium du rotor, qui tourne un peu moins vite que le champ.

Comment le fabriquer

Le moteur des salles de classe demande une pile de 1,5 V (format D ou AA), environ un mètre de fil de cuivre émaillé de 0,5 à 0,8 mm, deux grands trombones, un aimant en disque (ferrite ou néodyme), un élastique solide et du papier de verre fin.

Bobiner. Enrouler le fil 10 à 20 fois autour d’un feutre, en laissant 4 à 5 cm droits à chaque bout. Passer chaque extrémité deux fois autour du faisceau pour le tenir. Les deux bouts doivent sortir de part et d’autre de la bobine, alignés sur son centre : ils forment l’axe.

Le commutateur du moteur à trombones : cuivre nu dessus, émail laissé dessous ; le courant ne passe que pendant le demi-tour où le côté nu repose sur le trombone.

Faire le commutateur. Sur un bout, poncer tout l’émail. Sur l’autre, tenir la bobine debout comme elle sera montée et n’ôter l’émail que sur la moitié supérieure du fil. Ce bout conduit pendant un demi-tour et isole pendant l’autre, si bien que la bobine n’est jamais repoussée en arrière ; elle franchit le demi-tour mort sur son élan.

Monter les supports. Plier chaque trombone en montant, avec un pied plat en bas et une petite boucle en haut. Tendre l’élastique dans la longueur de la pile, par-dessus les deux pieds, pour qu’il plaque chaque trombone contre une borne. Poser l’aimant sur le flanc de la pile, sous les boucles : il tient sur l’enveloppe d’acier. Placer la bobine dans les boucles, à quelques millimètres au-dessus de l’aimant.

Lancer. Donner une légère pichenette à la bobine. Si elle ne fait qu’osciller, la retourner bout pour bout ou reponcer le côté dénudé.

Passer à plus grand. Un aimant plus fort donne plus de couple ; davantage de spires aussi, tant que le fil plus long ne réduit pas trop le courant. Un moteur d’atelier réunit plusieurs bobines sur un noyau de fer feuilleté, avec un commutateur à nombreux segments et des balais à ressort, comme sur la planche.

Sécurité. N’utiliser qu’une ou deux piles ordinaires de 1,5 V : jamais le secteur, une batterie de voiture ou une batterie lithium-ion. La bobine est presque un court-circuit, et ces sources peuvent débiter assez de courant pour brûler la peau, faire fondre le fil ou mettre le feu. Même une petite pile chauffe, que le moteur tourne ou non : faire des essais courts et surveillés, et débrancher la pile dès qu’elle ou le fil tiédit, avant tout réglage ou ponçage, et après usage. Les aimants au néodyme se collent assez fort pour pincer la peau et peuvent éclater. Les tenir loin des stimulateurs cardiaques et autres implants médicaux, et hors de portée des jeunes enfants : deux aimants avalés peuvent s’attirer à travers la paroi de l’intestin.

Histoire et évolution

La rotation de Faraday (1821) : le bout libre du fil tourne autour de l’aimant.

En 1820, Hans Christian Ørsted voit l’aiguille d’une boussole dévier près d’un fil parcouru par un courant. Le 3 septembre 1821, Michael Faraday fait tourner autour d’un aimant un fil qui plonge dans du mercure, et en 1822 Peter Barlow fait tourner une roue en étoile entre les pôles d’un aimant. Ce sont des démonstrations presque sans puissance. Les champs puissants arrivent avec l’électroaimant, que William Sturgeon réalise au milieu des années 1820, et vers 1832 William Ritchie et Sturgeon construisent des machines tournantes munies d’un commutateur.

En mai 1834, à Königsberg, Moritz Hermann Jacobi achève un moteur à huit électroaimants en fer à cheval qui développe environ 15 watts. Cette planche retient 1834 : Faraday a montré le principe et le petit moteur de Sturgeon faisait déjà tourner une broche à rôtir, mais la machine de Jacobi est bien plus puissante, et aucun autre constructeur ne l’égale avant 1839 environ. Le brevet américain de Thomas Davenport date de 1837.

Les piles rendent ces moteurs coûteux jusqu’à ce que le générateur apporte un courant bon marché. En 1873, on constate qu’une dynamo de Zénobe Gramme tourne en moteur quand une autre l’alimente. Galileo Ferraris, à Turin, étudie le champ tournant à partir de 1885 et publie en mars 1888 ; Nikola Tesla, qui travaille de son côté à New York, obtient son brevet de moteur à induction le 1er mai 1888. Aujourd’hui, des moteurs à aimants pilotés par l’électronique équipent drones et voitures électriques.