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On distingue plusieurs types de moteurs ayant chacun une utilisation particulière :

Le Moteur à courant continu ou « DC continious » : plus on augmente le voltage, plus vite il tourne. Mais on ne peut pas le bloquer dans une position particulière. Même principe qu’un moteur de voiture. Moteur possédant un très fort couple de démarrage, dont la vitesse est proportionnelle à la tension d’alimentation et le couple proportionnel au courant. Il est simple à mettre en œuvre, le changement de vitesse est simple aussi mais son contrôle en vitesse/position est délicat et nécessite des asservissements complexes. La plupart font du 4000 à 7000 rpm (tour/minute). L’avantage d’utiliser un simple moteur DC est qu’on peut le remplacer par un moteur thermique puisque le système est similaire.

Utilisation : pour entrainer les roues d’un robot ou les hélices d’un hélicoptère – plus pour la vitesse ou la puissance

le Moteur pas à pas ou « DC Stepping » : Le principe commun à tous les moteurs pas-à-pas est d’avoir les bobines statiques dans lesquels on fait passer alternativement un courant qui fait tourner le rotor. On distingue le moteur avec rotor à aimant qui a un couple élevé et le moteur dit « à reluctance variable » avec rotor sans aimant mais qui a une structure dentée qui lui permet d’avoir beaucoup de pas. on peut calculer facilement combien de mètres sont parcourus car en fonction du nombre de pas, du diamètre de la roue et du démultiplicateur, il devient possible de réaliser ce calcul. Moteur dont le couple diminue rapidement avec la vitesse et qui permet de travailler en statique (positionneur). Le contrôle de sa position et de sa vitesse est simple ainsi que son changement de sens de rotation. Il nécessite une carte spécifique pour l’alimentation et le pilotage.

Utilisation : pour entrainer les roues d’un robot si la distance effectuée est importante. Peut être utilisé également pour des rotations d’axe ne nécessitant pas une résistance ou une contre force, comme pour tourner une caméra sur son axe. Généralement, ce sont des moteurs relativement lents.

Les Servomoteurs : Il s’agit d’un DC Continuous avec un circuit permettant d’asservir dans une certaine position. Il possède un fort couple grâce au réducteur intégré et est extrêmement pratique pour les réalisations mécaniques. Sa course est limitée (secteur de 120° ou 180° par exemple) mais il permet un positionnement précis dans ces limites. Il est peu simple à mettre en œuvre sans carte spécifique. Notons que les servomoteurs peuvent être modifiés  pour tourner à 360°.

Utilisation : pour faire la rotation d’un bras robotique. L’avantage du servo est sa résistance à une poussée contraire. Il garde ainsi une position que ne saura pas garder le moteur pas à pas.  Nous avons réalisé un article sur le pilotage des servomoteurs avec un arduino.

Les moteur « Brushless DC » : moteur à courant continu, mais sans balai, donc s’use beaucoup moins rapidement. Ces moteurs à courant continu de technologie récente se différencient en inversant bobines et aimants par rapport aux moteurs CC originels : le rotor est un aimant permanent et le stator porte les bobines (comme dans un moteur pas-à-pas). Il n’y a donc pas besoin de balais pour transmettre le courant électrique dans les bobines, d’où leur nom de « brushless » (lit. sans brosses).

A performances égales, le moteur sans balais est d’un prix de revient inférieur à celui de la machine à courant continu du fait du remplacement du collecteur et des balais par un capteur électronique d’un coût très réduit.

Utilisation : faire tourner les hélices des avions. C’est un moteur à courant continu, mais plus résistant dans le temps. À performances égales, son rendement est toujours meilleur, ceci étant dû en partie à l’absence de pertes mécaniques et électriques liées aux balais (surtout lors de faibles charges). Mais aussi la plupart du temps à son inertie notablement réduite par rapport à une machine équivalente à courant continu, ce paramètre étant prépondérant dans de nombreuses applications, en particulier dans les phases d’accélération. Ils équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD.  Une forme simplifiée et populaire de ces technologies est utilisée dans les ventilateurs assurant le refroidissement des micro-ordinateurs. Dans ce cas, le stator (bobiné) est à l’intérieur et le rotor (comportant les aimants) à l’extérieur.

Dans le domaine des transports, les moteurs électriques qui équipent les véhicules hybrides comme la Toyota Prius et la Honda Civic IMA pour assurer, entre autres, le fonctionnement à faible vitesse sont également des moteurs sans balais. Des moteurs de type brushless sont également utilisés pour les systèmes de ventilation/ climatisation d’automobiles depuis les années 1990 ; un des principaux avantages dans ce cas est leur silence.

Ils équipent également les vélos à assistance électrique, vélos que l’on entraîne en pédalant comme sur un vélo classique mais où un moteur vient aider à l’effort. Certains scooters présents sur le marché utilisent également ce moteur pour les faibles vitesses ou en remplacement total du moteur thermique.

Le couple du moteur (Torque) : Le couple et la force que le moteur exerce sur une charge. On peut doubler un couple au détriment de sa vitesse (/2) si on utilise un système de réduction 2 :1 (exemple : 2 engrenages, 30 dents coté moteur et 15 coté charge).

Le couple exprime sa capacité à lever une masse au bout d’un bras de levier. Un couple de 3kg/cm signifie que le moteur peut lever un objet pesant 3 kilogrammes s’il est fixé au bout d’un bras de levier de 1 cm, ou bien un objet de 300 grammes au bout d’un bras de 10 cm, ou encore un objet de 30 g au bout d’un bras de 1 mètre.

Pour tester le couple d’un moteur, rien de plus simple :

• On attache un bras d’1 mètre au moteur. Le moteur est connecté à son électronique de commande (pour être dans les conditions d’utilisation) et on alimente une ou deux bobines selon le mode choisi (pas, demi-pas) à la tension nominale.
• Puis on écarte le bras de la position stable d’un angle selon des valeurs successives entre 0° et 1.8° (correspondant à la prochaine position d’équilibre). On utilise une règle pour se repérer.
• Et à chaque écartement, on mesure la force qu’exerce le moteur sur le bras. Comme on a eu la bonne idée d’utiliser un bras d’1 mètre, cette force en Newtons se convertit directement en un couple de maintien en Newton mètres.

Bien sûr on ne peut jamais atteindre les 1.8° car le rotor « saute » et atteint le pas suivant où il se retrouve en équilibre. Mais on a quand même la possibilité de constater que le couple est maximum peu après la moitié du pas et on mesure ainsi le couple efficace de notre moteur.

Conclusion

Il y a des moteurs pour toutes les bourses. On peut en récupérer de nombreux en démontant des objets au quotidien : tondeuse électrique, machine à laver, disque dur, imprimante, etc. Plus difficiles à trouver sont les servomoteurs qui sont d’un usage très courant en robotique. Dès qu’on s’attaque aux moteurs DC, il ne faut pas oublier non plus les circuits de puissance qui peuvent être très gourmands. Mais nous aurons l’occasion de revenir souvent sur le choix des moteurs lors de nos expériences.