Obtenir de l'énergie mécanique à l'aide d'un moteur électrique | Terminale Bac Pro ICCER | Physique-Chimie
Capacités et connaissances du programme :
C1 – Identifier les parties d'un moteur (stator, rotor, inducteur, induit)
C2 – Calculer la puissance mécanique (\(P = C\omega\))
C3 – Calculer le rendement d'un moteur (\(\eta = P_{\text{mec}} / P_{\text{elec}}\))
C4 – Identifier les pertes dans un moteur (Joule, fer, mécaniques)
C5 – Appliquer dans le contexte d'une PAC ou d'une VMC
C1 — Identifier les parties d'un moteur électrique
Stator : partie fixe du moteur. Rotor : partie mobile qui tourne. Inducteur : partie qui crée le champ magnétique (souvent le stator). Induit : partie dans laquelle le courant produit le couple moteur (souvent le rotor).
Exercice 1
Dans un moteur électrique, associer chaque terme à sa définition :
1. Stator — 2. Rotor — 3. Inducteur — 4. Induit
A. Partie mobile qui tourne
B. Partie fixe du moteur
C. Partie où circule le courant qui produit le couple moteur
D. Partie qui génère le champ magnétique
1 – B (Stator : partie fixe)
2 – A (Rotor : partie mobile)
3 – D (Inducteur : génère le champ magnétique)
4 – C (Induit : courant → couple moteur)
Exercice 2
Dans une pompe à chaleur, le compresseur est entraîné par un moteur électrique asynchrone triphasé. Indiquer laquelle des parties (stator ou rotor) crée le champ magnétique tournant et laquelle est entraînée mécaniquement.
Dans un moteur asynchrone, le stator (inducteur) est alimenté par le courant triphasé et crée le champ magnétique tournant. Ce champ induit des courants dans le rotor (induit) qui est alors entraîné mécaniquement en rotation. C'est le rotor qui entraîne le compresseur.
Exercice 3
Un moteur de VMC comporte un rotor à cage d'écureuil. Expliquer brièvement pourquoi ce type de rotor est robuste et nécessite peu de maintenance.
Le rotor à cage d'écureuil est constitué de barres conductrices en aluminium ou en cuivre reliées par des anneaux, sans balais ni contacts glissants. En l'absence de pièces d'usure par frottement électrique, la maintenance se réduit aux roulements mécaniques. C'est un rotor très robuste, économique et fiable pour les applications continues comme la ventilation.
C2 — Calculer la puissance mécanique \(P = C\omega\)
\(P_{\text{mec}} = C \times \omega\) (en W) où \(C\) : couple (N·m) et \(\omega\) : vitesse angulaire (rad/s)
Conversion : \(\omega = \dfrac{2\pi \times n}{60}\) avec \(n\) en tr/min
Exercice 1
Un moteur de circulateur de chauffage tourne à \(n = 1\,450\) tr/min et développe un couple \(C = 2\) N·m. Calculer la puissance mécanique fournie.
Moteur A : \(P_{\text{elec}} = 1\,000\) W, \(P_{\text{mec}} = 870\) W. Moteur B : \(P_{\text{elec}} = 1\,000\) W, \(P_{\text{mec}} = 920\) W. Calculer les rendements et indiquer lequel choisir.
Moteur A : \(\eta_A = 870/1\,000 = 87\,\%\)
Moteur B : \(\eta_B = 920/1\,000 = 92\,\%\) Choisir le moteur B : pour la même consommation électrique, il fournit plus de puissance mécanique utile et génère moins de pertes thermiques.
Exercice 4
Un moteur de VMC de \(P_{\text{mec}} = 250\) W a un rendement de 82 %. Calculer les pertes totales dans le moteur.
Les pertes dans un moteur se répartissent en trois familles :
– Pertes par effet Joule (cuivre) : \(P_J = RI^2\) dans les enroulements
– Pertes fer : hystérésis et courants de Foucault dans les tôles magnétiques
– Pertes mécaniques : frottements des roulements, ventilation
Exercice 1
Un moteur présente les pertes suivantes : Joule = 45 W, fer = 20 W, mécaniques = 15 W. La puissance absorbée est \(P_{\text{elec}} = 500\) W. Vérifier que le rendement est bien de 84 %.
Total des pertes : \(45 + 20 + 15 = 80\) W
\(P_{\text{mec}} = 500 - 80 = 420\) W
\(\eta = 420/500 = 0{,}84 = \mathbf{84\,\%}\) ✓
Exercice 2
Les enroulements du stator d'un moteur ont une résistance totale \(R = 2\) Ω. Le moteur est parcouru par \(I = 5\) A. Calculer les pertes par effet Joule.
Un technicien de maintenance énergétique veut réduire les pertes d'un moteur de compresseur. Proposer une action pour chaque type de perte (Joule, fer, mécaniques).
– Pertes Joule : utiliser un moteur à haute efficacité (classe IE3 ou IE4), avec des conducteurs de plus grande section et des enroulements en cuivre de meilleure qualité.
– Pertes fer : choisir un moteur avec des tôles magnétiques de haute qualité (acier à grains orientés) ou utiliser un moteur à aimants permanents.
– Pertes mécaniques : entretenir les roulements (graissage régulier), remplacer les roulements usés, réduire les vibrations pour limiter les frottements.
C5 — Appliquer dans le contexte d'une PAC ou d'une VMC
Dans une PAC, le moteur entraîne le compresseur. La puissance mécanique fournie au compresseur détermine la puissance thermique échangée.
Dans une VMC, le moteur entraîne un ventilateur qui maintient le débit d'air dans le bâtiment.
Exercice 1
Un technicien chauffagiste installe une PAC dont le compresseur est entraîné par un moteur de \(P_{\text{elec}} = 3\) kW et \(\eta = 90\,\%\). Calculer la puissance mécanique transmise au compresseur.
Un moteur de VMC absorbe \(P_{\text{elec}} = 200\) W avec un rendement de 78 %. Calculer la puissance mécanique fournie au ventilateur et les pertes thermiques dégagées dans le moteur.
\[P_{\text{mec}} = 0{,}78 \times 200 = 156 \text{ W}\]
\[\text{Pertes} = 200 - 156 = 44 \text{ W}\]
P_mec = 156 W et 44 W dissipés en chaleur dans le moteur.
Exercice 3
Une PAC a un COP (coefficient de performance) de 3 : pour 1 kW électrique absorbé, elle fournit 3 kW thermiques. Le moteur du compresseur consomme \(P_{\text{elec}} = 1{,}5\) kW. Calculer la puissance thermique fournie par la PAC au circuit de chauffage.
\[P_{\text{thermique}} = \text{COP} \times P_{\text{elec}} = 3 \times 1{,}5 = 4{,}5 \text{ kW}\]
La PAC fournit 4,5 kW thermiques au circuit de chauffage pour 1,5 kW électriques consommés.