Solar Impulse: around the world without fuel to promote clean technologies.

1. 1/9
MAGNÉTISME
+ ÉLECTRICITÉ
MOTEUR !
Seras-tu capable de comprendre comment
fonctionnent les moteurs de Solar Impulse et
de fabriquer un moteur électrique ? Ce sont
les défis que te propose cette fiche.
Projet : EPFL | dgeo | Solar Impulse
Rédaction : Marie-Noëlle Kaempf
Graphisme : Anne-Sylvie Borter, Repro – Centre d’impression EPFL
Suivi de projet : Yolande Berga

2. 2/9 LES MOTEURS
LA RÉVOLUTION !
Jusqu’en 1820, deux chapitres de physique sem-
blaient distincts… On connaissait le galvanisme
et le magnétisme.
On ne pouvait pas tirer grand-chose de ces phé-
nomènes pris séparément. Le galvanisme étudiait
le maigre courant électrique continu produit par
des piles volumineuses et lourdes comme celles
de Volta. Le magnétisme était peu connu. Sa
seule application concrète était la boussole, utili-
sée par les Chinois avant le premier siècle !
Hans Christian Ørsted, convaincu depuis
quelques années que le magnétisme et l’électri-
cité sont liés, publie le 21 juillet 1820 le fruit de
ses recherches… Un courant qui passe dans un
fil électrique crée un champ magnétique !
En automne de la même année, François Ara-
go, sur les conseils d’André-Marie Ampère très
intéressé par ces travaux, améliore la trouvaille.
Il embobine le fil, pour amplifier l’effet, inventant
l’électroaimant avec un pôle nord et un pôle sud,
comme pour les aimants permanents :
Voici une astuce pour savoir facilement où se
trouve le pôle nord de la bobine. Entoure la bo-
bine avec tes doigts en plaçant ta main droite
de la manière suivante : l’extrémité de tes doigts
se place dans la direction où va le courant. Ce
dernier va de la borne positive de la source de
tension à la borne négative. Le pouce de ta main
pointera en direction du pôle nord de la bobine.
Hans Christian Ørsted (1777 – 1851)
est un chercheur danois. Pharmacien à
20 ans, puis médecin 3 ans plus tard,
il est passionné de chimie et de phy-
sique ce qui le conduit à étudier le
courant électrique produit par les piles
de l’époque. En 1820, il découvre, en
préparant un cours d’électricité, que le
courant électrique dévie l’aiguille d’une
boussole placée à proximité. Il com-
prend que le courant électrique crée
un champ magnétique. Sa découverte,
relatée dans un article de 4 pages, est
diffusée dans le monde scientifique.
Elle est à l’origine du développement
des génératrices, des moteurs et d’une
énorme révolution technique.
C’est lui qui isole, pour la première fois,
de l’aluminium pur.
I
NS
I
S N
II
NS

3. LES MOTEURS 3/9
LE MOTEUR ÉLECTRIQUE DE BASE
Un moteur est composé de deux parties : l’une,
fixe, que l’on appelle « stator » et l’autre, mobile,
que l’on nomme « rotor ».
stator
rotor
Tu as sans doute déjà joué avec des aimants et constaté qu’ils
s’attirent ou se repoussent. Deux aimants qui présentent des
pôles opposés (nord et sud) s’attirent. S’ils présentent des
pôles de même nature, ils se repoussent.
On peut donc mettre un aimant en mouvement en utilisant sa
répulsion ou son attraction par des électroaimants. C’est sur
ce principe que repose le moteur électrique. Un moteur est
donc un élément qui permet de transformer l’énergie électrique
en énergie mécanique cinétique (mouvement).
Un aimant permanent est monté sur la partie mobile du moteur.
Son champ magnétique va interagir avec le champ magnétique
créé dans les bobinages qui sont montés sur la partie fixe. Les
trois bobinages sont alimentés par du courant, dont l’intensité
et le sens varient avec le temps. Ils produisent donc un champ
magnétique dont le sens et l’intensité vont également varier.
La combinaison de ces trois champs va créer un champ ma-
gnétique qui va tourner mais dont l’intensité reste constante.
L’aimant du rotor va s’aligner sur ce champ.
Sur la Figure 1, l’aimant central (mobile) est repoussé par le
champ magnétique de la bobine (placée sur la partie fixe)
qui présente un pôle nord mais est attiré par le pôle sud de la
bobine . Bientôt (Fig. 2), la bobine émettra un champ nul,
alors que la bobine présentera à l’aimant un pôle nord qui
le repoussera, mais il sera attiré par la bobine qui expose-
ra un pôle sud. Cette force magnétique, produite par l’énergie
électrique, va mettre l’aimant en mouvement, générant ainsi de
l’énergie cinétique. Il ne reste plus qu’à monter une hélice sur le
rotor pour en faire un moteur pour Solar Impulse !
Nous allons essayer de comprendre comment fonctionne un moteur électrique sans balais, car Solar
Impulse est propulsé par 4 moteurs de ce type.
Fig. 1
Fig. 2
N
S
N
S
S
N
N
S
N
S
N
S
partie fixe
partie mobile

4. 4/9 LES MOTEURS
Partir d’une feuille blanche et trouver les solutions permettant
le bon fonctionnement des différentes pièces de l’appareil.
S’assurer que les solutions soient compatibles et que le puzzle
une fois assemblé soit un avion performant. Tel est le rôle de
Jonas Schär.
Solar Impulse (HB-SIA) est équipé de 4 moteurs. Ces moteurs spécialement développés
pour le projet doivent allier le meilleur rendement possible (pour assurer le déplacement
de l’avion en limitant au minimum la consommation électrique), un poids aussi faible
que possible et une grande fiabilité. Ils ont été développés par l’équipe de Solar Impulse
et construits par l’entreprise ETEL. Des tests ont été conduits dans les laboratoires de
l’EPFL durant les phases de développement.
Chaque moteur :
• pèse environ 8 kg (stator 5,4 kg et rotor 3,1 kg)
• a une puissance de 14 kW (la puissance totale de l’avion
correspond à celle d’un scooter)
• est composé de 20 aimants permanents (10 nord et 10 sud)
• a une vitesse de rotation nominale de 4000 tours par minute
• a une vitesse de rotation maximale de 5000 tours par minute
• est branché sur un réducteur qui permet d’obtenir
la vitesse de rotation de l’hélice souhaitée, qui est
inférieure à ces valeurs.
Les moteurs permettent à l’avion d’atteindre une vitesse de
croisière de 70 km/h.
JONAS SCHÄR, RESPONSABLE DE L’ÉQUIPE
DESIGN CHEZ SOLAR IMPULSE
Jonas apprécie tout particulièrement de pouvoir suivre toutes
les étapes menant des premiers croquis à la production et l’as-
semblage d’une pièce. Il doit également anticiper les consé-
quences d’un changement de concept ou de design et s’assu-
rer que cela ne perturbera pas le schéma de production global
de l’appareil.
Jonas Schär, responsable de l’équipe Design chez Solar Im-
pulse, a étudié l’ingénierie mécanique. Il a supervisé, entre
autres, la conception et la construction de la boîte à vitesse du
deuxième avion Solar Impulse.
PORTRAIT

5. LES MOTEURS 5/9
TECHNOLOGIE : UN MOTEUR « FAIT MAISON »
Voici un moteur à courant continu facilement réalisable.
Marche à suivre
Faire tenir les deux imperdables à chaque extrémité de la pile à l’aide de l’élastique. Placer l’aimant
sur la pile.
Créer un petit bobinage dont le rayon soit nettement inférieur à la longueur des imperdables. Laisser
dépasser les deux extrémités. Racler l’une des extrémités du fil, de manière à enlever la couche isolante
sur tout le pourtour. Faire de même avec l’autre extrémité, mais sur une portion de 180° seulement.
Glisser le bobinage dans les deux boucles des imperdables.
Comme les imperdables sont conductrices, on forme un circuit électrique. Il est fermé, lorsque la
bobine est en appui sur les deux portions dénudées du fil. Il sera ouvert, quand l’appui se fera sur la
portion non dénudée de l’une des extrémités.
Une pichenette sur la bobine
et c’est parti !
Matériel nécessaire
• une pile AA
• du fil de cuivre avec un revêtement en céramique
• un aimant fort (néodyme)
• deux épingles de sûreté (imperdables)
• un élastique
• une lame (couteau ou cutter)
Attention : les aimants au néodyme sont très puissants.
Il faut les manipuler avec précaution !

6. 6/9 LES MOTEURS
Fig. 3
Fig. 4
LE MOTEUR À L’ENVERS – UNE GÉNÉRATRICE !
Ce qu’il y a d’extraordinaire avec les moteurs électriques, c’est qu’ils pourraient voir leur usage inversé !
Si tu parvenais à tourner à la main suffisamment vite la mèche d’une perceuse, tu pourrais produire
un courant électrique digne de celui d’une prise murale ! Ce n’est pas le cas de tous les moteurs. Tu
aurais beau descendre des pentes en voiture, le moteur ne pourrait pas fabriquer de l’essence… il se
contenterait de chauffer.
L’invention du moteur électrique a été précédée par celle de la génératrice dont l’alternateur est l’une
des variantes. C’est un dispositif qui comporte une bobine de fil électrique. On fait tourner un aimant au
centre de la bobine pour créer un courant électrique dans le fil. Alors que son alimentation en courant
aurait créé un électroaimant, un champ magnétique variable en son centre va produire un courant.
C’est le principe de la dynamo des vélos, des génératrices des centrales hydroélectriques des barrages
ou des éoliennes. Ce dispositif permet de transformer l’énergie cinétique du vent qui entraîne les pales
d’une éolienne en énergie électrique (Fig. 3). Il en va de même pour l’énergie du courant d’une rivière
ou de l’eau d’une conduite forcée d’un barrage (Fig. 4). C’est le moyen de récupérer l’énergie cinétique
lors du freinage des véhicules hybrides pour recharger leurs batteries ; ou encore, lors du freinage des
locomotives, pour redonner de l’énergie au réseau.
barrage
lac de
retenue conduite
forcée
turbine
transformateur
lignes à
haute tension
pale
multiplicateur
frein
système
d’orientation
génératrice
nacelle
moyeu et
commande du rotor
mat
fondation
transformateur
lignes à
haute tension

7. LES MOTEURS 7/9
POUR ALLER PLUS LOIN…
TECHNOLOGIE : L’ALTERNATEUR
Matériel nécessaire
• un tournevis (tête plate)
• une planche de support en bois dont la lar-
geur est un peu inférieure à la longueur de la
partie métallique du tournevis (Fig. 10)
• 20 m de fil en cuivre émaillé
• un tube de 4 cm de diamètre environ (rouleau
de papier WC par défaut)
Marche à suivre
Perce le cylindre d’un trou qui permette à la tête
du tournevis de passer.
Crée un double bobinage avec le fil de cuivre
(Fig. 7). En effet, il ne faut pas obstruer le trou par
lequel le tournevis doit passer. Laisse 15 cm de fil
de libre à chaque extrémité. (Fig. 5)
• 2 aimants en néodyme
• un bout de tissu pour manipuler les aimants
• du scotch de carrossier
• 2 crochets dans lesquels passe tout juste la
tête du tournevis
• une ampoule de lampe de poche
et son support ou une diode LED
Manipuler les aimants avec précaution car ils sont très puissants. En emballer
un permet d’avoir plus de prise pour les séparer. Il ne faut pas chercher à les
écarter au moyen d’une lame ou d’un outil pour ne pas se blesser. Un appui sur une
structure métallique permet d’avoir suffisamment de prise pour les séparer.
Fig. 5

8. 8/9 LES MOTEURS
Améliore le montage !
...une manivelle, une courroie, un meilleur bobinage, etc.
Enroule le fil sur la face collante de deux ou trois
morceaux de scotch répartis sur le tour du cy-
lindre (Fig. 6). Une fois une couche de fil complète,
colle le scotch en le refermant (Fig. 7). Cela per-
met de maintenir le bobinage serré et l’empêche
de glisser à l’extérieur de la bobine. Superpose
ainsi plusieurs couches. Cette étape nécessite du
temps et de la méticulosité. Il faut être deux. Le
bobinage doit comporter plus de 100 spires.
Visse les deux crochets sur la plaque. Insère le
tournevis et enroule le scotch de façon à réaliser
une butée (Fig. 8).
Insère la tête du tournevis dans la bobine. Place
un premier aimant sur une des faces du bout du
tournevis. Emballe le deuxième aimant dans un
tissu pour le placer sur l’autre face du tournevis.
Le tissu permet d’éviter que le choc ne soit trop
violent et de repositionner les aimants au besoin.
Une fois qu’ils sont bien placés, retire lentement
l’étoffe (Fig. 9)
Cale la bobine de façon à ce que le tournevis et
les aimants puissent pivoter librement.
Connecte les deux extrémités du fil aux bornes
du support de lampe ou à la diode, sans oublier
de gratter les extrémités du fil pour enlever la
couche isolante.
Il ne reste plus qu’à tourner le plus rapidement
possible le tournevis.
Fig.6 Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9

9. LES MOTEURS 9/9
PARENTHÈSE HISTORIQUE
Comment la découverte de l’électromagnétisme a révolutionné le monde !
L’unification de l’électricité statique, du magnétisme et du galvanisme, a marqué un tournant décisif
dans l’histoire des sciences et de la technologie. L’utilisation de la variation d’un champ magnétique
pour créer un courant dans un fil conducteur a permis de mettre au point des dynamos (machines
dynamoélectriques) ou des alternateurs. Il ne restait plus qu’à trouver une source d’énergie pour pro-
duire le mouvement des aimants nécessaire à la variation du champ : roues à aubes entraînées par
l’eau d’une rivière ou d’un barrage (énergie potentielle), vapeur d’eau produite par combustion (énergie
chimique transformée en énergie thermique). C’est le principe utilisé par les génératrices de courant.
Le dispositif peut voir son usage inversé. On peut utiliser un courant électrique pour produire un mouve-
ment. C’est alors un moteur électrique. C’est ce qui est utilisé sur Solar Impulse. L’énergie rayonnante du
Soleil est transformée en énergie électrique par les cellules photovoltaïques. Cette énergie électrique sera
ensuite utilisée par les moteurs pour produire le mouvement des pales de l’avion et lui permettre de voler.
Suite à l’invention des premières dynamos en 1869 ou des alternateurs triphasés (sources de courant al-
ternatif) en 1891, on peut produire des courants électriques significatifs. Dès lors, le courant alternatif et
le courant continu se livrent une compétition pour pouvoir desservir des réseaux de plus en plus étendus.
Les premières centrales électriques à courant continu défendues par Edison ne peuvent alimenter initia-
lement qu’une zone de 2,5 km de rayon.
Tesla, qui promeut le courant alternatif,
développe des réseaux à haute tension.
L’invention du transformateur donne un
avantage décisif au courant alternatif
qui peut être transporté sur de plus lon-
gues distances. Le raccordement pro-
gressif des différents réseaux fait naître
des standards. Ainsi, en Amérique du
Nord, le courant à 60 Hz de fréquence et
à 110 – 120 V de tension s’impose. Dans
le reste du monde, le courant à 50 Hz et
à 220 – 230 V l’emporte.
L’extension des réseaux électriques et l’amélioration des moteurs précipitent la révolution industrielle.
Il n’y a pas que les entreprises qui soient métamorphosées, la vie quotidienne change avec la « fée
électricité », grâce à l’ampoule, à l’électro-ménager, aux éclairages et aux nouveaux transports publics
entre autres.
La première centrale hydroélectrique du monde est installée à St-Moritz en 1879 ! La première com-
pagnie d’électricité illumine les rues de Surrey (GB) en 1881. La première démonstration d’éclairage
électrique public suisse a lieu à Lausanne en 1882. En 1885, il y a 115 abonnés au réseau électrique,
principalement les commerces de la rue de Bourg. Pendant quelques années, l’électricité ne rencontre
guère de succès dans le reste du canton. Mais en 1896, comme une traînée de poudre, villes et villages
entrent dans la course. Les sociétés électriques suisses s’unissent rapidement pour construire des
barrages (1947 : la 1ère
Grande-Dixence). Difficile d’imaginer la vie sans électricité maintenant !
220V, 50Hz
230V, 50Hz
240V, 50Hz
110V, 60Hz
120V, 60Hz
127V, 60Hz
220V, 60Hz
230V, 60Hz
240V, 60Hz
110V, 50Hz
120V, 50Hz
127V, 50Hz