Rendement d’un moteur électrique

Rendement en fonction du régime de rotation du moteur
mercredi 19 avril 2006
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Lorsqu’un courant traverse un moteur électrique, il parcourt des bobinages qui ont une résistance. On peut se représenter le moteur comme le groupement en série d’un moteur idéal (sans pertes) et
d’une résistance. Une partie de l’énergie électrique fournie au moteur est donc dissipée en chaleur dans cette résistance. La fraction d’énergie qui se transforme en énergie mécanique est appelée rendement du moteur. Ce rendement dépend du régime de rotation du moteur.

Source : J.-A. Monard, Electricité, Bienne 1976.

Lorsqu’un courant traverse un moteur électrique, il parcourt des bobinages qui ont une résistance. On s’arrange pour que la chaleur dissipée par effet Joule soit faible, de sorte que la fraction d’énergie qui se transforme en énergie mécanique soit la plus grande possible. Cette fraction est appelée rendement du moteur.

Dans un moteur qui n’aurait pas de pertes, la puissance électrique consommée, comme la puissance mécanique fournie, vaudrait P=UI, où U est la tension aux bornes du moteur et l le courant qui le traverse. Dans un moteur réel, les bobinages ont une résistance r qu’on appelle résistance interne. La puissance électrique consommée est encore UI, où U est la tension aux bornes du moteur et l le courant qui le traverse. On peut se représenter le moteur comme le groupement en série d’un moteur idéal (sans pertes) et d’une résistance r.

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Schéma d’un moteur électrique
Un moteur électrique peut être représenté comme le groupement en série d’un moteur idéal (sans pertes) et d’une résistance r.

Si les tensions aux bornes de ces éléments sont U’ et U", les puissances qu’ils consomment sont respectivement UI et U’’I. UI est égal à la puissance mécanique fournie, tandis que U’’I est la puissance perdue sous forme de chaleur. Cette dernière peut aussi être mise sous la forme rI2. D’après la loi de conservation de l’énergie, on a : UI=UI+U’’I ou U=U’+U’’. La dernière égalité peut être interprétée comme suit. La tension appliquée au moteur est partagée en deux : une partie U’ qui produit l’énergie mécanique et une partie U" qui, conformément à la loi d’Ohm, assure le passage du courant dans les bobinages. U’ est appelée tension contre-électromotrice.

Envisageons les deux situations limites suivantes :

- Si on bloque le moteur, la puissance mécanique fournie est nulle, de même que la tension contre-électromotrice. Le moteur se comporte alors comme une simple résistance. La tension U est appliquée à la résistance r et entraîne un courant très élevé.
- Si le moteur tourne librement, sans qu’on utilise l’énergie mécanique disponible, la puissance mécanique est à peu près nulle. (Elle serait nulle s’il n’y avait aucun frottement). La tension contre-électromotrice est voisine de la tension appliquée au moteur, de sorte que U" et le courant sont presque nuls.

Entre ces deux cas limites, le comportement de U’’ et du courant I qui traverse le moteur en fonction de son régime de rotation est monotone décroissant. Plus le moteur tourne vite, plus la tension U’’ et le courant I qui le traverse sont petits. C’est pour cette raison que le rendement augmente lorsqu’on soulève une charge en faisant tourner le moteur plus rapidement.