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Les grandeurs électriques et mécaniques
               Un peu de vélo ...
       Électricité 2 — Électrotechnique


             Christophe Palermo

                IUT de Montpellier
          Département Mesures Physiques
       Web : http://palermo.wordpress.com
             e-mail : cpalermo@um2.fr

       Année Universitaire 2010–2011




                MONTPELLIER
Plan




 1    Puissance électrique



 2    Grandeurs mécaniques




IUT de Montpellier (Mesures Physiques)   Grandeurs électriques et mécaniques   2010–2011   2/8
Plan




 1    Puissance électrique



 2    Grandeurs mécaniques




IUT de Montpellier (Mesures Physiques)   Grandeurs électriques et mécaniques   2010–2011   3/8
La puissance électrique



 Grandeurs électriques :
         Tension U
         Courant I
         Facteur de puissance en alternatif cos ϕ

 Puissance électrique
 La puissance électrique est proportionnelle au produit U · I (au facteur de
 puissance près en alternatif)




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Plan




 1    Puissance électrique



 2    Grandeurs mécaniques




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Notion de couple
 On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ?




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Notion de couple
 On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ?
                 →
                 −
    Appliquons F en P, à → de l’axe
                             −
                             r
               Le disque tourne autour de l’axe                                P   r O
               Un couple (moment) est appliqué au
               disque                                                          F




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Notion de couple
 On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ?
                 →
                 −
    Appliquons F en P, à → de l’axe
                             −
                             r
               Le disque tourne autour de l’axe                                P   r O
               Un couple (moment) est appliqué au
               disque                                                          F
        Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation :
                               →
                               −
               Moment avec → ⊥ F
                           −
                           r




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Notion de couple
 On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ?
                 →
                 −
    Appliquons F en P, à → de l’axe
                             −
                             r
               Le disque tourne autour de l’axe                                P   r O
               Un couple (moment) est appliqué au
               disque                                                          F
        Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation :
                               →
                               −
               Moment avec → ⊥ F
                           −
                           r

 Couple
 Lors de la rotation autour d’un axe fixe, le couple T est le produit de la
 distance r à l’axe par l’intensité de la force agissante F :

                                                    T = rF

         S’exprime en N.m

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La puissance mécanique est donnée par le couple multiplié par la
         vitesse angulaire :
                                      P = TΩ
         Couple :
                Force × distance
                Se ressent dans les jambes du cycliste
                Est déployé par la roue sur le sol =⇒ création d’une force

         Transmission : puissance aux pédales = puissance dans la roue

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Augmenter la puissance


         Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance
         2 solutions :




IUT de Montpellier (Mesures Physiques)   Grandeurs électriques et mécaniques   2010–2011   8/8
Augmenter la puissance


         Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance
         2 solutions :
      Grand plateau – petit pignon




         Pour le cycliste :
Grand couple, petite vitesse angulaire
               5ème


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Augmenter la puissance


         Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance
         2 solutions :
      Grand plateau – petit pignon                                 Petit plateau – grand pignon




         Pour le cycliste :                      Pour le cycliste :
Grand couple, petite vitesse angulaire Petit couple, grande vitesse angulaire
               5ème                                     1ère


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Les machines électriques
Électricité 2 — Électrotechnique


      Christophe Palermo

         IUT de Montpellier
   Département Mesures Physiques
                  &
    Institut d’Electronique du Sud
       Université Montpellier 2
Web : http://palermo.wordpress.com
      e-mail : cpalermo@um2.fr

Année Universitaire 2010–2011




  MONTPELLIER
Plan

 1    Les machines électriques tournantes
        Présentation
        Principe de fonctionnement
 2    Description d’une machine électrique tournante
        Point de vue mécanique
        Point de vue électrique
 3    Le parc de machines électriques
        Exemple de la traction
        Robustesse des moteurs
 4    Moteurs électriques contre moteurs thermiques
       Le choix d’un moteur
       Grandeurs physiques et performances
 5    Le véhicule hybride

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Les machines électriques tournantes


 Plan

 1    Les machines électriques tournantes
        Présentation
        Principe de fonctionnement
 2    Description d’une machine électrique tournante
        Point de vue mécanique
        Point de vue électrique
 3    Le parc de machines électriques
        Exemple de la traction
        Robustesse des moteurs
 4    Moteurs électriques contre moteurs thermiques
       Le choix d’un moteur
       Grandeurs physiques et performances
 5    Le véhicule hybride

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Les machines électriques tournantes   Présentation


 Définition


         Dispositif électro-mécanique
         Énergie électrique −→ Énergie mécanique
              Moteur

         Énergie mécanique −→ Énergie électrique
              Génératrice

         Une seule et même machine : conversion dans les deux sens

 Réversibilité
 Les machines électriques tournantes peuvent fonctionner en moteurs et
 en génératrices : elles sont dites réversibles.



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Les machines électriques tournantes   Présentation


 Types de machines électriques tournantes


 Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :
     du courant continu
              Machine à courant continu
                        Moteur à courant continu
                        Dynamo (génératrice à courant continu)




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Les machines électriques tournantes   Présentation


 Types de machines électriques tournantes


 Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :
     du courant continu
              Machine à courant continu
                        Moteur à courant continu
                        Dynamo (génératrice à courant continu)

         du courant alternatif, monophasé ou triphasé
              Machine synchrone
                        Moteur synchrone
                        Alternateur synchrone
              Machine asynchrone
                        Moteur asynchrone
                        Génératrice hypersynchrone




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Les machines électriques tournantes   Présentation


 Types de machines électriques tournantes


 Une machine électrique tournante peut fonctionner avec :
     du courant continu
              Machine à courant continu
                        Moteur à courant continu
                        Dynamo (génératrice à courant continu)

         du courant alternatif, monophasé ou triphasé
              Machine synchrone
                        Moteur synchrone
                        Alternateur synchrone
              Machine asynchrone
                        Moteur asynchrone
                        Génératrice hypersynchrone




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 Les lois de l’électromagnétisme

 Les machines électriques tournantes fonctionnent grâce à :
         La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)

         La loi de Laplace

         La loi de Faraday

         La loi de Lenz




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 Les lois de l’électromagnétisme

 Les machines électriques tournantes fonctionnent grâce à :
         La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)

         La loi de Laplace

         La loi de Faraday

         La loi de Lenz

 PAS DE PANIQUE !
 Dans ce cours : pas de calcul de champs magnétiques =⇒ Phénomènes
 physiques et leurs conséquences



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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)


 Énoncé
                                                            →
                                                            −
 Courant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique B




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)


 Énoncé
                                                            →
                                                            −
 Courant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique B

         En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r 2 )
         Courant et champ de même nature
                                     →
                                     −
                Courant continu =⇒ B continu
                                      →
                                      −
                Courant alternatif =⇒ B alternatif




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart)


 Énoncé
                                                            →
                                                            −
 Courant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique B

         En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r 2 )
         Courant et champ de même nature
                                     →
                                     −
                Courant continu =⇒ B continu
                                      →
                                      −
                Courant alternatif =⇒ B alternatif

 Utilité
 On peut créer des champs magnétiques avec du courant



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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Laplace


 Énoncé
 Un conducteur parcouru par un courant




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Laplace


 Énoncé
 Un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ
 magnétique




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Laplace


 Énoncé
 Un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ
 magnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Laplace


 Énoncé
 Un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ
 magnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace


         Conducteur libre −→ mouvement

         Technologie −→ contrôle du mouvement

 Utilité
 On peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Faraday

 Énoncé
 La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ
 magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ.

                                      Qu’est-ce que cela veut dire ?




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Faraday

 Énoncé
 La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ
 magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ.

                                                  →
                                                   −
                    dφ                               B variable induit e variable
                e=−                  =⇒              →
                                                     −
                    dt                               B continu n’induit pas de f.é.m




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Faraday

 Énoncé
 La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ
 magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ.

                                                  →
                                                   −
                    dφ                               B variable induit e variable
                e=−                  =⇒              →
                                                     −
                    dt                               B continu n’induit pas de f.é.m

      Circuit fermé =⇒ naissance d’un courant




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Faraday

 Énoncé
 La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ
 magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ.

                                                  →
                                                   −
                    dφ                               B variable induit e variable
                e=−                  =⇒              →
                                                     −
                    dt                               B continu n’induit pas de f.é.m

      Circuit fermé =⇒ naissance d’un courant

 Utilité
 On peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide
 d’un champ magnétique variable


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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Lenz



 Énoncé
 Le sens du courant induit est tel que, par ses effets électromagnétiques, il
 s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Lenz



 Énoncé
 Le sens du courant induit est tel que, par ses effets électromagnétiques, il
 s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance


 Utilité
 Décrit la conservation de l’énergie et permet d’établir les sens des tensions
 et des courants induits




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Les machines électriques tournantes   Principe de fonctionnement


 La loi de Lenz



 Énoncé
 Le sens du courant induit est tel que, par ses effets électromagnétiques, il
 s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance


 Utilité
 Décrit la conservation de l’énergie et permet d’établir les sens des tensions
 et des courants induits

      Rappel : convention générateur =⇒ e et I dans le même sens




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Description d’une machine électrique tournante


 Plan

 1    Les machines électriques tournantes
        Présentation
        Principe de fonctionnement
 2    Description d’une machine électrique tournante
        Point de vue mécanique
        Point de vue électrique
 3    Le parc de machines électriques
        Exemple de la traction
        Robustesse des moteurs
 4    Moteurs électriques contre moteurs thermiques
       Le choix d’un moteur
       Grandeurs physiques et performances
 5    Le véhicule hybride

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Description d’une machine électrique tournante      Point de vue mécanique


 Éléments mécaniques

                                             stator



                                arbre de transmission



                                     rotor

                                           entrefer




         Stator : partie fixe, statique
         Rotor : élément entrant en rotation
         Le rotor est lié à l’arbre de transmission
         Stator et rotor séparés par l’entrefer

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Description d’une machine électrique tournante   Point de vue électrique


 Éléments électriques

 Deux circuits électriques, portés par le rotor et le stator :

         L’inducteur :
              Créé le champ magnétique
              Permet le transfert d’énergie rotor ⇐⇒ stator
              Courant i




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Description d’une machine électrique tournante   Point de vue électrique


 Éléments électriques

 Deux circuits électriques, portés par le rotor et le stator :

         L’inducteur :
              Créé le champ magnétique
              Permet le transfert d’énergie rotor ⇐⇒ stator
              Courant i

         L’induit :
              Siège de l’induction électromagnétique
              Expression des phénomènes physiques
              Création des nouvelles grandeurs (couple ou f.é.m + courant)
              Courant I



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Description d’une machine électrique tournante   Point de vue électrique


 Rôles des éléments



 Les rôles dépendent de la machine
 Selon la machine :
         stator = inducteur ou induit !
         rotor = inducteur ou induit !

 Pour une machine donnée :
         inducteur du moteur = inducteur de la génératrice
         induit du moteur = induit de la génératrice




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Le parc de machines électriques


 Plan

 1    Les machines électriques tournantes
        Présentation
        Principe de fonctionnement
 2    Description d’une machine électrique tournante
        Point de vue mécanique
        Point de vue électrique
 3    Le parc de machines électriques
        Exemple de la traction
        Robustesse des moteurs
 4    Moteurs électriques contre moteurs thermiques
       Le choix d’un moteur
       Grandeurs physiques et performances
 5    Le véhicule hybride

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Le parc de machines électriques   Exemple de la traction


 Trains


 3 types de machines utilisées :

         Machine à courant continu
         Machine synchrone
              Rotor tourne à la même vitesse que le champ inducteur

         Machine asynchrone
              Vitesse du rotor = vitesse du champ inducteur

 Choix
                                    Dépend des progrès techniques




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Le parc de machines électriques   Exemple de la traction


 Les différents moteurs

         Compromis : coût et difficulté de la commande
                                      Moteur
                                 à courant continu              Moteur
                                                               synchrone
                                                                                            Moteur
                                                                                          asynchrone
                de fabrication
                et d'entretien
         coût




                                                                                                       de la commande
                                                                                                                    difficulté
                           Tension et courant
                        connexion directe possible
                                                    Fréquence et courant
                         TGV Sud-Est (orange),                                    Fréquence
                                                         Toyota Prius
                            trains corails, etc.                              TGV TMST (Eurostar)
                                                        TGV Atlantique
                                                 Grandes machines industrielles   Ventilateurs
                                                                                  Lave-linge




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Le parc de machines électriques   Exemple de la traction


 Les différents moteurs

         Compromis : coût et difficulté de la commande
                                      Moteur
                                 à courant continu              Moteur
                                                               synchrone
                                                                                            Moteur
                                                                                          asynchrone
                de fabrication
                et d'entretien
         coût




                                                                                                       de la commande
                                                                                                                    difficulté
                           Tension et courant
                        connexion directe possible
                                                    Fréquence et courant
                         TGV Sud-Est (orange),                                    Fréquence
                                                         Toyota Prius
                            trains corails, etc.                              TGV TMST (Eurostar)
                                                        TGV Atlantique
                                                 Grandes machines industrielles   Ventilateurs
                                                                                  Lave-linge

         Même chose dans d’autres domaines

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Le parc de machines électriques   Robustesse des moteurs


 Robustesse


  Question pertinente
 Quelle est l’utilité d’apprendre le fonctionnement d’une autre machine que
 la machine asynchrone ?




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Le parc de machines électriques   Robustesse des moteurs


 Robustesse


  Question pertinente
 Quelle est l’utilité d’apprendre le fonctionnement d’une autre machine que
 la machine asynchrone ?

     1   Machines robustes
                Solides et fiables
                Durent dans le temps
                Présentes longtemps dans le parc

     2   Certains moteurs ne sont pas adaptés à certaines applications :
             Absurde d’utiliser un moteur synchrone dans un aspirateur
             Absurde d’utiliser une machine asynchrone comme alternateur
              d’automobile



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Moteurs électriques contre moteurs thermiques


 Plan

 1    Les machines électriques tournantes
        Présentation
        Principe de fonctionnement
 2    Description d’une machine électrique tournante
        Point de vue mécanique
        Point de vue électrique
 3    Le parc de machines électriques
        Exemple de la traction
        Robustesse des moteurs
 4    Moteurs électriques contre moteurs thermiques
       Le choix d’un moteur
       Grandeurs physiques et performances
 5    Le véhicule hybride

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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Le choix d’un moteur


 Le choix d’un moteur


         Utilisation sédentaire :
                Bâtiments alimentés en électricité ;
                Moteur thermique : faire le plein !
                Choix du moteur électrique évident

         Utilisation embarquée (automobile) :
                Stockage de l’énergie = problème ;
                Recharge plus lente que le plein de carburant ;
                Choix du moteur thermique plus simple

         Train : cas particulier
                Caténaire
                Pas de stockage



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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Le choix d’un moteur


 Intérêt de l’électrique pour les automobiles



 Moteur électrique : grands intérêts pour l’automobile
         Rendements élevés

         Énergie “propre”
         Qualités mécanique :
                Fonctionnement basse vitesse
                Couple important (reprise)

         Indépendance énergétique




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 Le rendement η


 Cas d’un moteur de véhicule :

         Meilleurs moteurs diesel : moins de 50 % (typiquement 30 – 40 %)

         Meilleurs moteurs essence : moins de 30 % (typiquement 25 %)

         Moteurs électriques : plus de 90 % (toute technologie confondue)

 Avantage à l’électrique
  Le rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du
                            moteur thermique




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 Le rendement η : Electrique 1 — Thermique 0


 Cas d’un moteur de véhicule :

         Meilleurs moteurs diesel : moins de 50 % (typiquement 30 – 40 %)

         Meilleurs moteurs essence : moins de 30 % (typiquement 25 %)

         Moteurs électriques : plus de 90 % (toute technologie confondue)

 Avantage à l’électrique
  Le rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du
                            moteur thermique




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La densité d’énergie

 Question
 Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
 accumulateur d’un litre ?




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1

 Question
 Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
 accumulateur d’un litre ?

         1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L




IUT de Montpellier (Mesures Physiques)            Les machines électriques                           2010–2011   23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1

 Question
 Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
 accumulateur d’un litre ?

         1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
         Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1

 Question
 Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
 accumulateur d’un litre ?

         1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
         Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
         10 kWh = énergie énorme = énergie consommée




IUT de Montpellier (Mesures Physiques)            Les machines électriques                           2010–2011   23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1

 Question
 Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
 accumulateur d’un litre ?

         1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
         Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
         10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
                par un lave-linge pendant trois heures




IUT de Montpellier (Mesures Physiques)            Les machines électriques                           2010–2011   23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1

 Question
 Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
 accumulateur d’un litre ?

         1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
         Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
         10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
                par un lave-linge pendant trois heures
                par un ordinateur pendant une journée




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1

 Question
 Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
 accumulateur d’un litre ?

         1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
         Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
         10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
                par un lave-linge pendant trois heures
                par un ordinateur pendant une journée
                par une ampoule classique pendant une semaine




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1

 Question
 Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
 accumulateur d’un litre ?

         1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
         Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
         10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
                par   un lave-linge pendant trois heures
                par   un ordinateur pendant une journée
                par   une ampoule classique pendant une semaine
                par   une ampoule économique pendant un mois




IUT de Montpellier (Mesures Physiques)            Les machines électriques                           2010–2011   23 / 29
Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1

 Question
 Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un
 accumulateur d’un litre ?

         1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L
         Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !)
         10 kWh = énergie énorme = énergie consommée
                par   un lave-linge pendant trois heures
                par   un ordinateur pendant une journée
                par   une ampoule classique pendant une semaine
                par   une ampoule économique pendant un mois

 Avantage au thermique
                            Les batteries prennent beaucoup de place
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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 Le couple moteur

 Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W)
         Couple moteur thermique :
                ∼ 100 Nm
                déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max)




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 Le couple moteur

 Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W)
         Couple moteur thermique :
                ∼ 100 Nm
                déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max)

         Couple moteur électrique :
                ∼ 400 Nm
                Déployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle)




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 Le couple moteur : Electrique 2 — Thermique 1

 Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W)
         Couple moteur thermique :
                ∼ 100 Nm
                déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max)

         Couple moteur électrique :
                ∼ 400 Nm
                Déployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle)

 Avantage à l’électrique
       Le moteur électrique déploie des couples plus élevés à faible vitesse

 =⇒ idéal pour le démarrage (ville)


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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La réversibilité


                               Grande force de la machine électrique




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La réversibilité


                               Grande force de la machine électrique

         Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice
                Véhicule en descente
                Ralentissement




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La réversibilité


                               Grande force de la machine électrique

         Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice
                Véhicule en descente
                Ralentissement

         Mouvement −→ puissance électrique
                Ralentissement
                Recharge de batterie
                Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La réversibilité


                               Grande force de la machine électrique

         Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice
                Véhicule en descente
                Ralentissement

         Mouvement −→ puissance électrique
                Ralentissement
                Recharge de batterie
                Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)

         Freinage par récupération




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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 La réversibilité : Electrique 3 — Thermique 1


                               Grande force de la machine électrique

         Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice
                Véhicule en descente
                Ralentissement

         Mouvement −→ puissance électrique
                Ralentissement
                Recharge de batterie
                Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.)

         Freinage par récupération

     C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant


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Moteurs électriques contre moteurs thermiques   Grandeurs physiques et performances


 Le prix : Electrique 4 — Thermique 1



 Prix de l’énergie :

         1,45 euros pour 1 L de SP95 = 14,5 centimes par kWh

         Électricité (nucléaire) : en moyenne 11,5 centimes par kWh

 En plus : rendements très différents !

                                L’énergie électrique est moins chère




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Le véhicule hybride


 Plan

 1    Les machines électriques tournantes
        Présentation
        Principe de fonctionnement
 2    Description d’une machine électrique tournante
        Point de vue mécanique
        Point de vue électrique
 3    Le parc de machines électriques
        Exemple de la traction
        Robustesse des moteurs
 4    Moteurs électriques contre moteurs thermiques
       Le choix d’un moteur
       Grandeurs physiques et performances
 5    Le véhicule hybride

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Le véhicule hybride


 Concilier les avantages



         Le problème du stockage est rédhibitoire

         Le problème de la recharge aussi

         MAIS la machine électrique a de très grands intérêts


 Solution
 Utiliser les deux en même temps

 Alternateurs très rentables (presque 100 %) =⇒ cela est donc possible !




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Le véhicule hybride


 Fiche technique

                                  Moteur Thermique
                               Type Essence – 1,5 L – 16 soupapes
                           Cylindrée 1497 cm3
                 Puissance maximale 77 ch (57 kW) à 5000 tr/min
                    Puissance fiscale 4 CV
                     Couple maximal 115 Nm à 4000 tr/min
               Consommation (mixte) 4,3 L/100 km

                                   Moteur Électrique
                                 Type Synchrone, à aimant permanent
                   Puissance maximale 68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mn
                     Tension nominale 500 V
                       Couple maximal 400 de 0 à 1200 tr/mn
                        Fiche technique d’une Toyota Prius Linea Sol


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Le véhicule hybride


 Fiche technique

                                           Moteur Thermique
                     Type                 Essence – 1,5 L – 16 soupapes
                 Cylindrée                1497 cm3
       Puissance maximale                 77 ch (57 kW) à 5000 tr/min sous-dimensionné
          Puissance fiscale                4 CV
           Couple maximal                 115 Nm à 4000 tr/min vitesse élevée
     Consommation (mixte)                 4,3 L/100 km faible

                                           Moteur Électrique
                       Type               Synchrone, à aimant permanent
         Puissance maximale               68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mn plage
           Tension nominale               500 V
             Couple maximal               400 de 0 à 1200 tr/mn vitesse nulle
                        Fiche technique d’une Toyota Prius Linea Sol


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  • 2. Plan 1 Puissance électrique 2 Grandeurs mécaniques IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 2/8
  • 3. Plan 1 Puissance électrique 2 Grandeurs mécaniques IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 3/8
  • 4. La puissance électrique Grandeurs électriques : Tension U Courant I Facteur de puissance en alternatif cos ϕ Puissance électrique La puissance électrique est proportionnelle au produit U · I (au facteur de puissance près en alternatif) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 4/8
  • 5. Plan 1 Puissance électrique 2 Grandeurs mécaniques IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 5/8
  • 6. Notion de couple On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ? IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6/8
  • 7. Notion de couple On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ? → − Appliquons F en P, à → de l’axe − r Le disque tourne autour de l’axe P r O Un couple (moment) est appliqué au disque F IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6/8
  • 8. Notion de couple On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ? → − Appliquons F en P, à → de l’axe − r Le disque tourne autour de l’axe P r O Un couple (moment) est appliqué au disque F Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation : → − Moment avec → ⊥ F − r IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6/8
  • 9. Notion de couple On sait ce qu’est une vitesse, mais qu’est-ce qu’un couple ? → − Appliquons F en P, à → de l’axe − r Le disque tourne autour de l’axe P r O Un couple (moment) est appliqué au disque F Couple ⇐⇒ Mouvement de rotation : → − Moment avec → ⊥ F − r Couple Lors de la rotation autour d’un axe fixe, le couple T est le produit de la distance r à l’axe par l’intensité de la force agissante F : T = rF S’exprime en N.m IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 6/8
  • 10. La puissance mécanique est donnée par le couple multiplié par la vitesse angulaire : P = TΩ Couple : Force × distance Se ressent dans les jambes du cycliste Est déployé par la roue sur le sol =⇒ création d’une force Transmission : puissance aux pédales = puissance dans la roue IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 7/8
  • 11. Augmenter la puissance Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance 2 solutions : IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 8/8
  • 12. Augmenter la puissance Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance 2 solutions : Grand plateau – petit pignon Pour le cycliste : Grand couple, petite vitesse angulaire 5ème IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 8/8
  • 13. Augmenter la puissance Dans une côte, pour maintenir la vitesse du vélo : plus de puissance 2 solutions : Grand plateau – petit pignon Petit plateau – grand pignon Pour le cycliste : Pour le cycliste : Grand couple, petite vitesse angulaire Petit couple, grande vitesse angulaire 5ème 1ère IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Grandeurs électriques et mécaniques 2010–2011 8/8
  • 14. Les machines électriques Électricité 2 — Électrotechnique Christophe Palermo IUT de Montpellier Département Mesures Physiques & Institut d’Electronique du Sud Université Montpellier 2 Web : http://palermo.wordpress.com e-mail : cpalermo@um2.fr Année Universitaire 2010–2011 MONTPELLIER
  • 15. Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybride IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 2 / 29
  • 16. Les machines électriques tournantes Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybride IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 3 / 29
  • 17. Les machines électriques tournantes Présentation Définition Dispositif électro-mécanique Énergie électrique −→ Énergie mécanique Moteur Énergie mécanique −→ Énergie électrique Génératrice Une seule et même machine : conversion dans les deux sens Réversibilité Les machines électriques tournantes peuvent fonctionner en moteurs et en génératrices : elles sont dites réversibles. IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 4 / 29
  • 18. Les machines électriques tournantes Présentation Types de machines électriques tournantes Une machine électrique tournante peut fonctionner avec : du courant continu Machine à courant continu Moteur à courant continu Dynamo (génératrice à courant continu) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 5 / 29
  • 19. Les machines électriques tournantes Présentation Types de machines électriques tournantes Une machine électrique tournante peut fonctionner avec : du courant continu Machine à courant continu Moteur à courant continu Dynamo (génératrice à courant continu) du courant alternatif, monophasé ou triphasé Machine synchrone Moteur synchrone Alternateur synchrone Machine asynchrone Moteur asynchrone Génératrice hypersynchrone IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 5 / 29
  • 20. Les machines électriques tournantes Présentation Types de machines électriques tournantes Une machine électrique tournante peut fonctionner avec : du courant continu Machine à courant continu Moteur à courant continu Dynamo (génératrice à courant continu) du courant alternatif, monophasé ou triphasé Machine synchrone Moteur synchrone Alternateur synchrone Machine asynchrone Moteur asynchrone Génératrice hypersynchrone IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 5 / 29
  • 21. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement Les lois de l’électromagnétisme Les machines électriques tournantes fonctionnent grâce à : La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) La loi de Laplace La loi de Faraday La loi de Lenz IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 6 / 29
  • 22. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement Les lois de l’électromagnétisme Les machines électriques tournantes fonctionnent grâce à : La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) La loi de Laplace La loi de Faraday La loi de Lenz PAS DE PANIQUE ! Dans ce cours : pas de calcul de champs magnétiques =⇒ Phénomènes physiques et leurs conséquences IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 6 / 29
  • 23. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) Énoncé → − Courant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique B IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 7 / 29
  • 24. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) Énoncé → − Courant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique B En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r 2 ) Courant et champ de même nature → − Courant continu =⇒ B continu → − Courant alternatif =⇒ B alternatif IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 7 / 29
  • 25. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi d’Ampère (ou de Biot et Savart) Énoncé → − Courant dans un conducteur =⇒ Champ d’induction magnétique B En tout point de l’espace (mais décroit en 1/r 2 ) Courant et champ de même nature → − Courant continu =⇒ B continu → − Courant alternatif =⇒ B alternatif Utilité On peut créer des champs magnétiques avec du courant IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 7 / 29
  • 26. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Laplace Énoncé Un conducteur parcouru par un courant IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
  • 27. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Laplace Énoncé Un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ magnétique IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
  • 28. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Laplace Énoncé Un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ magnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
  • 29. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Laplace Énoncé Un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ magnétique subit une force mécanique appelée force de Laplace Conducteur libre −→ mouvement Technologie −→ contrôle du mouvement Utilité On peut faire bouger des circuits avec des champs magnétiques IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 8 / 29
  • 30. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Faraday Énoncé La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ. Qu’est-ce que cela veut dire ? IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
  • 31. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Faraday Énoncé La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ. → − dφ B variable induit e variable e=− =⇒ → − dt B continu n’induit pas de f.é.m IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
  • 32. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Faraday Énoncé La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ. → − dφ B variable induit e variable e=− =⇒ → − dt B continu n’induit pas de f.é.m Circuit fermé =⇒ naissance d’un courant IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
  • 33. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Faraday Énoncé La force électromotrice e induite dans un circuit sous l’effet d’un champ magnétique est proportionnelle à la variation du flux magnétique φ. → − dφ B variable induit e variable e=− =⇒ → − dt B continu n’induit pas de f.é.m Circuit fermé =⇒ naissance d’un courant Utilité On peut induire des tensions et des courants (puissance électrique) à l’aide d’un champ magnétique variable IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 9 / 29
  • 34. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Lenz Énoncé Le sens du courant induit est tel que, par ses effets électromagnétiques, il s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 10 / 29
  • 35. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Lenz Énoncé Le sens du courant induit est tel que, par ses effets électromagnétiques, il s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance Utilité Décrit la conservation de l’énergie et permet d’établir les sens des tensions et des courants induits IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 10 / 29
  • 36. Les machines électriques tournantes Principe de fonctionnement La loi de Lenz Énoncé Le sens du courant induit est tel que, par ses effets électromagnétiques, il s’oppose toujours à la cause qui lui a donné naissance Utilité Décrit la conservation de l’énergie et permet d’établir les sens des tensions et des courants induits Rappel : convention générateur =⇒ e et I dans le même sens IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 10 / 29
  • 37. Description d’une machine électrique tournante Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybride IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 11 / 29
  • 38. Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Éléments mécaniques stator arbre de transmission rotor entrefer Stator : partie fixe, statique Rotor : élément entrant en rotation Le rotor est lié à l’arbre de transmission Stator et rotor séparés par l’entrefer IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 12 / 29
  • 39. Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique Éléments électriques Deux circuits électriques, portés par le rotor et le stator : L’inducteur : Créé le champ magnétique Permet le transfert d’énergie rotor ⇐⇒ stator Courant i IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 13 / 29
  • 40. Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique Éléments électriques Deux circuits électriques, portés par le rotor et le stator : L’inducteur : Créé le champ magnétique Permet le transfert d’énergie rotor ⇐⇒ stator Courant i L’induit : Siège de l’induction électromagnétique Expression des phénomènes physiques Création des nouvelles grandeurs (couple ou f.é.m + courant) Courant I IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 13 / 29
  • 41. Description d’une machine électrique tournante Point de vue électrique Rôles des éléments Les rôles dépendent de la machine Selon la machine : stator = inducteur ou induit ! rotor = inducteur ou induit ! Pour une machine donnée : inducteur du moteur = inducteur de la génératrice induit du moteur = induit de la génératrice IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 14 / 29
  • 42. Le parc de machines électriques Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybride IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 15 / 29
  • 43. Le parc de machines électriques Exemple de la traction Trains 3 types de machines utilisées : Machine à courant continu Machine synchrone Rotor tourne à la même vitesse que le champ inducteur Machine asynchrone Vitesse du rotor = vitesse du champ inducteur Choix Dépend des progrès techniques IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 16 / 29
  • 44. Le parc de machines électriques Exemple de la traction Les différents moteurs Compromis : coût et difficulté de la commande Moteur à courant continu Moteur synchrone Moteur asynchrone de fabrication et d'entretien coût de la commande difficulté Tension et courant connexion directe possible Fréquence et courant TGV Sud-Est (orange), Fréquence Toyota Prius trains corails, etc. TGV TMST (Eurostar) TGV Atlantique Grandes machines industrielles Ventilateurs Lave-linge IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 17 / 29
  • 45. Le parc de machines électriques Exemple de la traction Les différents moteurs Compromis : coût et difficulté de la commande Moteur à courant continu Moteur synchrone Moteur asynchrone de fabrication et d'entretien coût de la commande difficulté Tension et courant connexion directe possible Fréquence et courant TGV Sud-Est (orange), Fréquence Toyota Prius trains corails, etc. TGV TMST (Eurostar) TGV Atlantique Grandes machines industrielles Ventilateurs Lave-linge Même chose dans d’autres domaines IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 17 / 29
  • 46. Le parc de machines électriques Robustesse des moteurs Robustesse Question pertinente Quelle est l’utilité d’apprendre le fonctionnement d’une autre machine que la machine asynchrone ? IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 18 / 29
  • 47. Le parc de machines électriques Robustesse des moteurs Robustesse Question pertinente Quelle est l’utilité d’apprendre le fonctionnement d’une autre machine que la machine asynchrone ? 1 Machines robustes Solides et fiables Durent dans le temps Présentes longtemps dans le parc 2 Certains moteurs ne sont pas adaptés à certaines applications : Absurde d’utiliser un moteur synchrone dans un aspirateur Absurde d’utiliser une machine asynchrone comme alternateur d’automobile IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 18 / 29
  • 48. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybride IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 19 / 29
  • 49. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Le choix d’un moteur Utilisation sédentaire : Bâtiments alimentés en électricité ; Moteur thermique : faire le plein ! Choix du moteur électrique évident Utilisation embarquée (automobile) : Stockage de l’énergie = problème ; Recharge plus lente que le plein de carburant ; Choix du moteur thermique plus simple Train : cas particulier Caténaire Pas de stockage IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 20 / 29
  • 50. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Intérêt de l’électrique pour les automobiles Moteur électrique : grands intérêts pour l’automobile Rendements élevés Énergie “propre” Qualités mécanique : Fonctionnement basse vitesse Couple important (reprise) Indépendance énergétique IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 21 / 29
  • 51. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le rendement η Cas d’un moteur de véhicule : Meilleurs moteurs diesel : moins de 50 % (typiquement 30 – 40 %) Meilleurs moteurs essence : moins de 30 % (typiquement 25 %) Moteurs électriques : plus de 90 % (toute technologie confondue) Avantage à l’électrique Le rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du moteur thermique IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 22 / 29
  • 52. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le rendement η : Electrique 1 — Thermique 0 Cas d’un moteur de véhicule : Meilleurs moteurs diesel : moins de 50 % (typiquement 30 – 40 %) Meilleurs moteurs essence : moins de 30 % (typiquement 25 %) Moteurs électriques : plus de 90 % (toute technologie confondue) Avantage à l’électrique Le rendement du moteur électrique est nettement plus grand que celui du moteur thermique IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 22 / 29
  • 53. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  • 54. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  • 55. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  • 56. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  • 57. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heures IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  • 58. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heures par un ordinateur pendant une journée IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  • 59. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heures par un ordinateur pendant une journée par une ampoule classique pendant une semaine IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  • 60. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heures par un ordinateur pendant une journée par une ampoule classique pendant une semaine par une ampoule économique pendant un mois IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  • 61. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La densité d’énergie : Electrique 1 — Thermique 1 Question Quelle énergie est contenue dans un litre d’essence, et dans un accumulateur d’un litre ? 1 L de diesel ou d’essence : 36 000 kJ/L = 10 kWh/L Une batterie de 1 L : 0,1 à 1 kWh/L (grand maximum !) 10 kWh = énergie énorme = énergie consommée par un lave-linge pendant trois heures par un ordinateur pendant une journée par une ampoule classique pendant une semaine par une ampoule économique pendant un mois Avantage au thermique Les batteries prennent beaucoup de place IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 23 / 29
  • 62. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le couple moteur Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W) Couple moteur thermique : ∼ 100 Nm déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 24 / 29
  • 63. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le couple moteur Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W) Couple moteur thermique : ∼ 100 Nm déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max) Couple moteur électrique : ∼ 400 Nm Déployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 24 / 29
  • 64. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le couple moteur : Electrique 2 — Thermique 1 Pour un moteur d’environ 100 ch (1 ch = 736 W) Couple moteur thermique : ∼ 100 Nm déployé à grande vitesse (∼ 4000 tr/min, près de la vitesse max) Couple moteur électrique : ∼ 400 Nm Déployé à faible vitesse (0 – 1000 tr/min, à vitesse nulle) Avantage à l’électrique Le moteur électrique déploie des couples plus élevés à faible vitesse =⇒ idéal pour le démarrage (ville) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 24 / 29
  • 65. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité Grande force de la machine électrique IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  • 66. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité Grande force de la machine électrique Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice Véhicule en descente Ralentissement IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  • 67. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité Grande force de la machine électrique Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice Véhicule en descente Ralentissement Mouvement −→ puissance électrique Ralentissement Recharge de batterie Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.) IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  • 68. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité Grande force de la machine électrique Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice Véhicule en descente Ralentissement Mouvement −→ puissance électrique Ralentissement Recharge de batterie Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.) Freinage par récupération IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  • 69. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances La réversibilité : Electrique 3 — Thermique 1 Grande force de la machine électrique Moteur qui ne travaille pas =⇒ génératrice Véhicule en descente Ralentissement Mouvement −→ puissance électrique Ralentissement Recharge de batterie Renvoi dans la caténaire (trains, trams, etc.) Freinage par récupération C’est comme si un moteur à explosion produisait du carburant IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 25 / 29
  • 70. Moteurs électriques contre moteurs thermiques Grandeurs physiques et performances Le prix : Electrique 4 — Thermique 1 Prix de l’énergie : 1,45 euros pour 1 L de SP95 = 14,5 centimes par kWh Électricité (nucléaire) : en moyenne 11,5 centimes par kWh En plus : rendements très différents ! L’énergie électrique est moins chère IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 26 / 29
  • 71. Le véhicule hybride Plan 1 Les machines électriques tournantes Présentation Principe de fonctionnement 2 Description d’une machine électrique tournante Point de vue mécanique Point de vue électrique 3 Le parc de machines électriques Exemple de la traction Robustesse des moteurs 4 Moteurs électriques contre moteurs thermiques Le choix d’un moteur Grandeurs physiques et performances 5 Le véhicule hybride IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 27 / 29
  • 72. Le véhicule hybride Concilier les avantages Le problème du stockage est rédhibitoire Le problème de la recharge aussi MAIS la machine électrique a de très grands intérêts Solution Utiliser les deux en même temps Alternateurs très rentables (presque 100 %) =⇒ cela est donc possible ! IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 28 / 29
  • 73. Le véhicule hybride Fiche technique Moteur Thermique Type Essence – 1,5 L – 16 soupapes Cylindrée 1497 cm3 Puissance maximale 77 ch (57 kW) à 5000 tr/min Puissance fiscale 4 CV Couple maximal 115 Nm à 4000 tr/min Consommation (mixte) 4,3 L/100 km Moteur Électrique Type Synchrone, à aimant permanent Puissance maximale 68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mn Tension nominale 500 V Couple maximal 400 de 0 à 1200 tr/mn Fiche technique d’une Toyota Prius Linea Sol IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 29 / 29
  • 74. Le véhicule hybride Fiche technique Moteur Thermique Type Essence – 1,5 L – 16 soupapes Cylindrée 1497 cm3 Puissance maximale 77 ch (57 kW) à 5000 tr/min sous-dimensionné Puissance fiscale 4 CV Couple maximal 115 Nm à 4000 tr/min vitesse élevée Consommation (mixte) 4,3 L/100 km faible Moteur Électrique Type Synchrone, à aimant permanent Puissance maximale 68 ch (50 kW) à 1200–1540 tr/mn plage Tension nominale 500 V Couple maximal 400 de 0 à 1200 tr/mn vitesse nulle Fiche technique d’une Toyota Prius Linea Sol IUT de Montpellier (Mesures Physiques) Les machines électriques 2010–2011 29 / 29