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8/12/2019 110 Tesla Analyse Vf

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L'invention du moteur synchrone par Nikola Tesla

par Ilarion Pavelingnieur en chef des mines

chercheur au Laboratoire de Physique Thoriquecole Normale !uprieure

Figure 1 : La couverture du Time Magazinedu 20 juillet 1931, consacre Tesla loccasion de son 75eanniversaire( Time "aga#ine, New York)

Nikola Tesla $1%&(1)*+, est n en -roatie . !mili/an0 dans l'mpire

d'2utriche0 quatri3me des cinq enfants d'un pr4tre orthodo5e serbe6 2pr3s ses

tudes . l'cole Polytechnique de 7ra# et . l'8niversit de Prague0 il travaille

comme ingnieur . 9udapest et . Paris0 o: il essaie de dvelopper ses ides sur

le courant alternatif et le moteur lectrique . champ tournant0 sans succ3s6 n

1%%*0 il migre au5 tats(8nis o: il vivra le reste de sa vie6 Il entre dans la

compagnie d'lectricit fonde par Thomas dison $1%*;(1)+1,0 mais ce dernier0

ayant dvelopp ses affaires e5clusivement sur le courant continu0 ne voit pas

d'un bon u0 Tesla quitte dison pour la socit

de 7eorge ?estinghouse $1%*(1)1*,6 -'est le moment o: dison et

?estinghouse engagent une bataille acharne pour dvelopper un syst3me de

distribution d'lectricit0 que ?estinghouse gagnera6 sprit cratif0 Tesla est


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@

auteur ou contributeur de nombreuses inventions A moteur . induction0 rseau de

distribution de courant alternatif0 radio0 communications sans fil0 robots

tlcommands6

QUELQUES RAPPELS DLECTRICIT ET DE MAGNTISME

8n /our d'avril 1%@B0 . -openhague0 lors d'une confrence donne . des

tudiants0 le physicien danois Cans -hristian Drsted $1;;;(1%&1, connecte une

batterie galvanique . un fil de platine plac /uste au(dessus d'une boussole6

!tupfaits0 les tudiants constatent que le courant lectrique qui traverse le fil

fait dvier l'aiguille de la boussole0 de mani3re analogue au champ magntique

terrestre6 Il e5isterait donc un lien entre les phnom3nes lectriques et

magntiques16

Figure 2 : Exprience d'rsted Lorsqu'on fere le circui! ( droi!e), le couran!lec!rique qui "asse "ar le conduc!eur en#endre un c$a" a#n!ique, qui in!era#i! avec

l'ai#uille de la %oussole e! la fai! dvier& L'ai#uille s'orien!e "er"endiculaireen! auconduc!eur ( larion avel)&

-ette dcouverte n'est pas une consquence heureuse du hasard0 mais le

fruit d'une longue recherche6 2depte de la Na!ur"$iloso"$ie0 Drsted tait

persuad que les divers phnom3nes mcaniques0 lectriques0 magntiques et

chimiques que l'on observe n'taient que diffrentes manifestations d'une m4me

force unitaire plus fondamentale6 Drsted a l'intuition d'utiliser pour ses

e5priences des cellules [email protected] non0 comme les autres physiciens0 des

machines lectrostatiques ou des bouteilles de Leyde0 dont les courants sont

insuffisants pour mettre en vidence des phnom3nes magntiques6 n effet0 les

machines lectrostatiques produisent de hautes tensions mais de faibles

16 Pour une analyse du te5te de 1%@B dEDrsted0 voir F6(F6 !amueli et 26 "oatti0 G LEacte de naissance delElectromagntisme H0 i%Nu0 /anvier @[email protected] Le prsent article utilise de mani3re quivalente les terminologies len!s #alvanique0 "ile lec!rique et%a!!erie6


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+

courants0 limits dans le temps6 Les effets magntiques tant proportionnels .

l'intensit du courant0 il est pratiquement impossible de les mettre en vidence

avec ce type d'appareillage6

uand Jran>ois 2rago prsente en 1%@B les rsultats d'Drsted . une

runion de l'2cadmie des !ciences . Paris0 la dcouverte est re>ue par la

plupart des auditeurs avec rserve car on pensait0 sous l'influence de -harles de

-oulomb0 qu'il n'y avait aucun lien entre les phnom3nes lectriques et

magntiques6 2ndr("arie 2mp3re ne partage pas ce scepticisme et se lance

dans un travail acharn autant e5primental que thorique qui0 au bout de

quelques semaines0 l'am3ne . comprendre et e5primer de fa>on quantitative les

liens entre les courants lectriques et les champs magntiques+6 K cette

occasion0 2mp3re invente de nouveau5 appareils lectromagntiques comme le

galvanom3tre*et le solnode

&6

=e l'autre cMt de la "anche0 ?illiam !turgeon $1;%+(1%&B, dcouvre qu'en

insrant une barre de fer dans un solnode0 le champ magntique augmente de

fa>on spectaculaire6 Il invente ainsi l'lectroaimant comme son nom lEindique0

celui(ci0 aliment par une cellule galvanique0 produit un champ

magntique $capable0 par e5emple0 de soulever des morceau5 de fer,6

L'lectroaimant permet donc d'effectuer une action mcanique !"ai#e #e!"ne$gie !ect$ique6 Il /ouera un rMle crucial dans l'invention du moteur

lectrique6

Figure 3 : L'lectroai!ant de "turgeon, for de s"ires de cuivre enroules sur unno*au de fer en fore de fer c$eval, "ouvai! soulever des asses de + k#& Les con!ac!s

lec!riques son! assurs "ar deu cuves con!enan! du ercure no!es - e! . (la!roisi/e cuve, #auc$e, servai! d'in!erru"!eur "ar l'in!erdiaire de la !i#e d)& Le fil en

+6 Ooir l'anne5e technique . la fin de l'article6*6 Le galvanom3tre est form d'une aiguille de boussole situe . l'intrieur d'une bobine6 Lorsqu'un courantlectrique traverse la bobine0 il engendre un champ magntique qui dvie l'aiguille6 -'est en mesurant cettedviation qu'on value l'intensit du courant6&6 Le solnode est constitu d'un fil conducteur enroul en forme d'hlice autour d'un long cylindre6 2limentpar une cellule galvanique0 il fournit un champ magntique plus fort et plus homog3ne qu'une simple boucle defil conducteur6


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*

cuivre es! sans isola!ion, le fer es! laqu "our vi!er le cour!0circui! en!re les s"ires&(llus!ra!ion 1iki.oons)

utre(2tlantique0 Foseph Cenry $1;);(1%;%, construit des lectroaimants

de plus en plus performants A il diminue leur taille tout en augmentant la force

d'attraction magntique6 Prfigurant lEisolation des cQbles lectriques0 Cenry

recouvre le fil de cuivre avec une isolation de soie0 ce qui permet de serrer les

enroulements de la bobine et de les disposer en plusieurs couches6 2insi0 le

champ magntique de la bobine augmente notablement0 bien que la source

d'nergie reste une modeste cellule galvanique6 Les caractristiques des

lectroaimants d'Cenry dpassent vite celles des aimants permanents6 Ils sont

principalement destins . des laboratoires de recherche ou utiliss pour effectuer

des dmonstrations publiques A une dmonstration spectaculaire consistait .maintenir suspendu un barreau de fer pesant quelques centaines de kilogrammes

grQce . l'attraction d'un lectroaimant6 Lorsqu'on coupait l'alimentation de ce

dernier0 le barreau tombait au sol avec grand fracas6 Par ailleurs0 certains

lectroaimants furent commercialiss A un de ceu5 construits par Cenry fut

employ par la socit Penfield and Taft IronRorks $-roRn Point0 tat de NeR

Sork, pour aimanter des cylindres d'acier utiliss dans la sparation du minerai

de fer6

L"IN%ENTI&N DU M&TEUR LECTRIQUE

-'est en essayant de dmontrer qu'un fil travers par un courant lectrique

produit un champ magntique circulaire qu'en 1%@10 "ichael Jaraday $1;)1(

1%;, met au point un syst3me mcanique tournant6 =ans une cuve remplie de

mercure0 il plonge verticalement un barreau aimant qu'il maintient fi5e6 nsuite0

il fait pendre librement une tige conductrice qui touche la surface du liquide6 nconnectant la tige . une cellule galvanique0 Jaraday remarque qu'elle tourne

autour du barreau0 son e5trmit libre dcrivant des cercles c'est le rsultat de

l'interaction entre le courant qui la traverse et le champ magntique de l'aimant6

Il s'agit donc du premier dispositif de con'e$(ion #"ne$gie !ect$ique en

mou'ement mcanique continu6Nanmoins0 il ne connaUtra pas d'applications

pratiques et restera un appareil de laboratoire6

6 Ooir anne5e technique0figure 216


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&

Figure # : Le !oteur lectri$ue de Farada%& Le couran! lec!rique fourni "ar la%a!!erie "asse !ravers la !i#e conduc!rice sus"endue e! in!era#i! avec le c$a"

a#n!ique "rodui! "ar l'aian! "lon# dans la cuve de ercure& La !i#e !ourne alorsau!our de l'ae ver!ical, son e!ri! dcrivan! des cercles& Le con!ac! lec!rique es!

assur "ar le su""or! e! "ar le ercure don! la !i#e !ouc$e la surface ( larion avel)&

Cenry invente en 1%+1 le premier moteur lectrique;6 La partie mobile est

un lectroaimant qui bascule sur l'a5e hori#ontal6 !a polarit s'inverse

automatiquement pendant son mouvement grQce . deu5 paires de fils

conducteurs qui se connectent alternativement . deu5 cellules galvaniques6 =eu5

aimants permanents verticau50 dont les pMles sont orients dans la m4me

direction0 attirent et repoussent alternativement les e5trmits de

l'lectroaimant0 ce qui le fait osciller6

Figure & : oteur oscillant de (enr%& 2eu aian!s "eranen!s (. e! 2) son! fisavec les "3les nord orien!s en $au!& Lorsque l'lec!roaian! es! alien! "ar la "ile dedroi!e, son "3le nord es! re"ouss vers le $au! "ar l'aian! 2, e! son "3le sud 4 es!a!!ir vers le %as "ar l'aian! .& L'lec!roaian! %ascule, l'alien!a!ion es! cou"e auniveau de la "ile de droi!e, r!a%lie au niveau de la "ile de #auc$e don! les conneionsson! ralises de !elle ani/re que les "3les nord e! sud de l'lec!roaian! s'inversen!&

4lors le "3le nord 4 es! re"ouss "ar l'aian! . e! le "3le sud es! a!!ir "ar l'aian! 2&L'lec!roaian! %ascule dans l'au!re sens, l'alien!a!ion es! alors cou"e au niveau de la"ile de #auc$e, r!a%lie au niveau de la "ile de droi!e e! le "rocessus recoence& Les

con!ac!s lec!riques avec les "iles son! ralises "ar les !i#es !alliques q, r, o e! ",solidaires de l'lec!roaian! oscillan! ( 4erican ournal of 6cience)&

;6 F6 Cenry04erican ournal of 6cience and 4r!s0 @B0 +*B $1%+1,6


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LE GNRATEUR LECTRIQUE ENTRE EN SC)NE

Drsted montre qu'un conducteur engendre un champ magntique aussi

longtemps que le courant le traverse6 =ans l'esprit de l'unit des forces0 les

adeptes de la Na!ur"$iloso"$ie se sont immdiatement demands si la

rciproque tait vraie A le champ magntique d'un aimant peut(il engendrer un

courant lectrique dans une bobine situe dans sa pro5imit V Les premi3res

e5priences donnent des rsultats ngatifs6 Les e5primentateurs se limitent

alors . placer une bobine autour d'un aimant0 le galvanom3tre n'indique aucun

courant6

-e n'est qu'apr3s plusieurs checs% qu'en 1%+10 Jaraday annonce sa

russite6 Il place deu5 bobines spares sur un m4me anneau de fer0 l'une d'elles

tant connecte . un galvanom3tre6 -'est prcisment . l'instant o: il connecteou dconnecte l'autre bobine . une batterie que l'aiguille du galvanom3tre dvie

bri3vement0 puis revient . #ro6 Le m4me phnom3ne se produit si0 au lieu de

connecter la batterie0 il approche ou loigne de la bobine un aimant permanent6

Jaraday avait dcouvert l'induction lectromagntique A ce n'est pas un champ

magntique constant qui engendre un courant lectrique0 mais un champ

magntique variable6

Figure ) : L'induction lectro!agnti$ueLorsqu'on fere l'in!erru"!eur k0uncouran! lec!rique a""ara! dans la "rei/re %o%ine e! en#endre un c$a" a#n!iquevaria%le dans le no*au !oro8dal& La varia!ion du c$a" a#n!ique donne alors naissance

un couran! lec!rique dans la deui/e %o%ine, is en vidence l'aide d'un

#alvano/!re ( larion avel)&

L'induction lectromagntique permet donc de transformer un mou'ement

mcanique $par e5emple A le mouvement dEun aimant permanent, en

!ect$icit0 ce qui ouvrait la voie . l'invention du gnrateur lectrique)6

%6 -ontrairement . la plupart des scientifiques de l'poque0 et des scientifiques actuels0 Jaraday publiait parfoisdes e5priences dont les rsultats taient ngatifs6)6 Le moteur lectrique est un dispositif qui0 aliment par un courant lectrique0 produit un mouvementmcanique0 en gnral de rotation6 Le gnrateur lectrique ralise la conversion inverse A entraUnmanuellement0 par un moteur . vapeur ou par une turbine0 il produit un courant lectrique et peut donc 4treutilis comme source d'nergie lectrique6


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;

-'est encore Jaraday qui met au point le premier dispositif e5primental

capable de produire de l'lectricit0 s'inspirant probablement des machines

lectrostatiques6 8n disque de cuivre0 mont sur un cadre0 tourne entre les pMles

d'un aimant permanent en forme de fer . cheval6 n connectant un galvanom3tre

entre l'a5e du disque et sa /ante0 Jaraday met en vidence le passage d'un

courant lectrique6 Le disque de Jaraday0 tout comme son moteur lectrique0

restera un appareil de laboratoire0 son rendement tant tr3s faible en tant que

gnrateur lectrique6

Figure * 9 Le dis$ue de Farada%!ourne en!re les "3les d'un aian! "eranen! 4& :nfil du #alvano/!re es! connec! au con!ac! , li l'ae du disque 2, l'au!re fil au

con!ac! ', connec! la ;an!e "ar l'in!erdiaire d'une laelle las!ique (illus!ra!ion1iki"dia)&

Le premier gnrateur lectrique ayant une application pratique est ralisen 1%+@ par Cyppolyte Pi5ii $1%B%(1%+&,0 constructeur d'instruments travaillant

en troite collaboration avec 2mp3re6 ntraUn par une manivelle0 un aimant

permanent en forme de fer . cheval tourne devant une bobine . noyau de fer6

Les pMles nord et sud de l'aimant inversent successivement le sens des lignes des

champs magntiques dans le noyau de fer et0 en consquence0 induisent un

courant lectrique alternatif dans la bobine6

2fin de remplacer les lments galvaniques par des gnrateurs lectriques0

en particulier dans les applications d'lectromtallurgie0 qui ncessitent un

courant de m4me polarit0 2mp3re introduit le commutateur6 -'est un dispositif

en forme de cylindre mtallique fendu0 fi5 sur l'a5e de rotation0 qui inverse le

sens du courant dans le circuit e5trieur et permet ainsi d'obtenir un courant

puls . la place du courant alternatif1B

6

1B6 -hronologiquement0 le courant continu fut dcouvert avant le courant alternatif0 d'abord lors de l'tude desdcharges lectrostatiques0 puis . travers les lments galvaniques6 Les premi3res applications de l'lectricitet du magntisme0 comme les lectroaimants ou l'lectromtallurgie0 utilisaient des courants continus6


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%

-e gnrateur contenait un aimant permanent0 dEo: sont nom de

a#n!o11

6

Figure + : agnto de ixii&


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)

les instruments pour les laboratoires et pour les dmonstrations publiques des

savants et de quelques particuliers passionns6

"ais . la fin de cette dcennie0 des entrepreneurs0 des financiers0 des

gouvernements s'intressent de plus en plus au5 applications de cette nouvelle

technique6 Les fabricants et les consommateurs se multiplient0 on dpose des

brevets0 on publie des articles de presse6 La commercialisation des produits des

techniques lectriques bnficie de la gnralisation de la socit anonyme par

actions qui permet d'entreprendre des pro/ets ncessitant d'importants

investissements financiers et risqus sur le long terme6

n commence alors . voir dans le moteur lectrique une alternative possible

. la force musculaire des animau5 et des ouvriers6 Le moteur . vapeur l'avait

certes d/. largement remplace mais il prsentait plusieurs inconvnients6='abord0 le moteur . vapeur de petite taille0 comme celui qui quipe les ateliers0

est de faible rendement A c'est pourquoi l'automobile . vapeur ne se dveloppera

pas0 contrairement . la locomotive ou au bateau . vapeur6 Par ailleurs0 il

fonctionne en continu0 on ne peut l'teindre et l'allumer . volont maintenir la

pression de la vapeur e5ige de consommer en permanence du combustible A il

n'est donc pas adapt au5 tQches intermittentes des machines outils6 n outre0

les machines outils sont connectes au moteur par l'intermdiaire d'un syst3me

mcanique compliqu d'arbres et de courroies de transmission6 nfin0 le moteur

. vapeur est dangereu5 car il peut e5ploser il est sale0 bruyant et ncessite

beaucoup d'entretien6

-'est dans ces annes 1%+B qu'on se met . imaginer pour le moteur

lectrique des applications multiples pour raliser dans les foyers les tQches

domestiques A pompes . eau0 machines . laver0 ventilateurs0 barattes0

torrfacteurs0 broyeurs6 !on triomphe semble invitable6

n 1%++0 lors d'une visite dans une mine de fer0 le forgeron Thomas

=avenport $1%B@(1%&1, voit fonctionner un des lectroaimants d'Cenry6 Intrigu0

il en ach3te un6 =e retour dans son atelier0 il le dmonte et l'tudie avec

attention6 Persuad que la force lectrique remplacera bientMt la force de la

vapeur0 =avenport construit quelques mois plus tard un des premiers moteurs

lectriques rotatifs1@

0 qu'il brev3te en 1%+;6 2fin de fabriquer en srie et de

[email protected] =avenport ne fut pas le seul . essayer de construire un moteur lectrique6 n 1%+)0 . !aint(Ptersbourg0"orit# Facobi $1%B1(1%;*, teste une barque propulse par un moteur lectrique transportant des passagers surla Neva6


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1B

commercialiser son invention0 il fonde une socit par actions avec la

participation d'associs6

Clas0 les rsultats ne sont pas . la hauteur des attentes6 Le coWt du #inc

utilis dans les lments galvaniques qui servent de source d'alimentation rend le

moteur lectrique non comptitif par rapport au moteur . vapeur6 Le moteur

lectrique est un chec commercial et =avenport fait faillite6

Figure 9 : oteur de -avenport, for "ar deu %o%ines croises, qui !ournen!suivan! un ae ver!ical dans un anneau en %ois uni de deu aian!s "eranen!s en

fore de dei0cercle& Les %o%ines son! alien!es "ar un cou!a!eur, visi%le l'e!ri! infrieure de l'ae ( 6i!$sonian


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11

Figure 10 : . gauc/e, !a$uette du !oteur oscillant de agedeu "aires de%o%ines ali#nes en !>!e !>!e, alien!es successiveen!, a!!iren! !our de r3le la

%arre en fer& Le ouveen! al!erna!if de la %arre es! conver!i en ouveen! de ro!a!ion"ar le canise %ielle0anivelle&. droite, cro$uis de la loco!otive lectri$ue(

#auc$e, 6i!$sonian's


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1@

d'art6 -e succ3s industriel s'e5plique en partie par le fait qu'ouvrir un atelier de

galvanoplastie demandait peu d'investissements matriels

form d'un fil conducteur fortement chauff par le passage du courant

lectrique0 le d!ona!eur lec!rique se substitue graduellement . la m3che

classique0 peu fiable0 dont le temps de combustion est difficile . contrMler et qui

cause donc de nombreu5 accidents6 ='abord utilis par les militaires pour faire

dtonner . distance des charges e5plosives sous(marines et des mines flottantes0

le dtonateur lectrique trouve un large usage civil dans l'e5ploitation des mines

et carri3res0 la construction des canau50 des tunnels et des chemins de fer

le !l#ra"$e lec!rique supplante le tlgraphe optique6 -e dernier0

invent pour transmettre rapidement des messages . distance0 ne fonctionnait

que pendant la /ourne0 dpendait fortement de la mto0 ne transmettait quedeu5 mots par minute et ncessitait des stations(relais tous les +B kilom3tres6

-'est lorsque des e5priences montrent que les signau5 lectriques peuvent 4tre

transmis . distance par des fils conducteurs que le tlgraphe lectrique devient

ralit6 !on dveloppement est dW . plusieurs savants $2mp3re0 2rago0 7auss0

?eber0 Cenry0 9arloR0 ?heatstone, mais c'est !amuel "orse $1;)1(1%;@, qui

russit . produire en 1%** le premier syst3me oprationnel entre 9altimore et

?ashington

dans les annes qui suivent l'invention du tlgraphe0 plusieurs syst3mes

lectriques de !ransission dis!ance d'information0 d'alare et de con!r3le

voient le /our A syst3me de dialogue entre la cabine de pilotage et la salle des

machines d'un bateau0 syst3me de guidage de navires0 instruments de mesure

de la vitesse0 instruments de contrMle de la pression de la vapeur dans la

chaudi3re0 syst3mes d'alarme antivol0 syst3mes de transmission d'images .

distance0 syst3mes de contrMle de la temprature0 horloges lectriques

synchronises . distance0 syst3mes d'alerte incendie0 syst3mes de signalisation

ferroviaire

les salles de spectacles claires avec plusieurs centaines de becs . ga#

sont quipes de s*s!/es d'allua#e instantan A un lectroaimant ouvre le

robinet du ga# et un fil de platine chauff . blanc allume le ga#

l'arc lec!rique est utilis comme source de lumi3re dans les studios

photographiques ou dans les spectacles de lanterne magique0 dans les

pro/ecteurs d'clairage de nuit pendant les oprations militaires ou commeclairage des halles0 usines et lieu5 publics


13/53

1+

avec la croissance du commerce maritime et les besoins accrus en

scurit0 les "$ares de si#nalisa!ionmaritime utilisent . l'essai l'arc lectrique0

dont la lumi3re clatante est nettement plus visible que celle des traditionnelles

lampes . huile ou . ga#6 -onsommant plus d'lectricit0 les phares . arc

lectrique rendent ncessaire le remplacement des piles lectriques par des

magntos lectriques entraUnes par des moteurs . vapeur6

-ette demande croissante d'nergie lectrique stimule les efforts des

fabricants pour amliorer les sources d'nergie lectrique0 en particulier les

magntos6

LA RENAISSANCE DU M&TEUR LECTRIQUEn 1%*&0 -harles ?heatstone $1%B@(1%;&, a l'ide de remplacer les aimants

permanents des magntos par des lectroaimants aliments par une batterie0 qui

sont capables de fournir des champs magntiques nettement plus importants6 n

1%*0 Cenry ?ilde $1%++(1)1), alimente les lectroaimants . l'aide d'une petite

magnto0 couple . l'a5e de rotation du gnrateur0 ce qui rend la batterie

superflue6

Puis les inventeurs se sont rendus compte qu'ils pouvaient se dispenser

aussi de la petite magnto A il dcouvrent le principe de !"autoe-citation6 n

effet0 m4me si les lectroaimants ne sont pas aliments0 une aimantation

rmanente persiste dans leur noyau de fer6 Lorsqu'on fait tourner les

lectroaimants0 elle suffit . induire un faible courant lectrique dans le circuit du

gnrateur6 Il suffit de coupler la sortie du gnrateur au5 bobines des

lectroaimants pour que ces derniers soient traverss par un courant lectrique

et que leur aimantation augmente6 n consquence0 le gnrateur produit un

courant de sortie plus fort et ainsi de suite6 2u fur et . mesure que le courant de

sortie du gnrateur augmente0 l'aimantation des lectroaimants augmente

aussi0 le gnrateur atteint rapidement le rgime de fonctionnement normal6

Plusieurs amliorations sont apportes dans les annes suivantes6

Traditionnellement0 chaque bobine avait son propre noyau de fer6 K la fin

des annes 1%B0 ?erner !iemens $1%1(1%)@, et 2ntonio Pacinotti $1%*1(

1)1@,0 l'un indpendamment de l'autre0 placent les bobines sur un seul noyau de


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1*

fer en forme d'anneau A c'est l'invention de la dynamo1*

6 2u dbut de la dcennie

suivante0 Ynobe 7ramme $1%@(1)B1, invente un nouveau type d'enroulement

et diminue la distance entre le rotor et le stator1&

6 !es dynamos prsentent des

rendements suprieurs et sont une russite commerciale6

Figure 11 : . gauc/e, la d%na!o de acinotti& Le c$a" a#n!ique, "rodui! "ardeu %o%ines ver!icales, !raverse les %o%ines du ro!or& .e dernier, en!ran "ar une

anivelle, !ourne sur un ae ver!ical . droite, la d%na!o de ra!!e Le s!a!or es! lecadre en fer uni de qua!re %o%ines, qui concen!ren! le c$a" a#n!ique dans le ro!or

(illus!ra!ions 1iki"edia)&

!elon la lgende0 lors de l'e5position universelle de 1%;+ . Oienne0 7ramme

ou un de ses collaborateurs connecta par inadvertance deu5 dynamos6 n

entraUnant l'a5e de l'une d'entre elles au moyen d'un moteur . vapeur0 l'autre

commen>a . tourner rapidement6 7ramme dcouvrait ainsi que la dynamo est

une machine lectrique rversible A elle peut fonctionner comme moteur1

6 Les

essais qui ont suivi ont montr que la longueur des cQbles conducteurs qui

connectaient le moteur . la dynamo pouvait dpasser le kilom3tre6 L'lectricit

pouvait donc 4tre utilise pour la transmission de l'nergie . distance6 -'est elle

qui se gnralisera par le suite0 et non les autres mthodes0 en gnral

mcaniques0 de transmission de l'nergie essayes auparavant $tubes . aircomprim0 conduites remplies d'eau0 courroies coupls . un long arbre tournant0

cQbles en acier enroul sur poulies,6

1*6 La dynamo est donc une magnto dont on a remplac les aimants permanents par des lectroaimants dontles bobines se trouvent sur un seul cadre ferromagntique0 ce qui optimise le circuit du flu5 magntique6 Ladynamo est munie d'un commutateur et produit donc du courant puls6 2vec l'arrive du courant alternatif0 ladynamo s'affranchira du commutateur et prendra l'appellation d'al!erna!eur0 dispositif encore utilis dans lesautomobiles au/ourd'hui A pour alimenter la batterie et l'installation lectrique0 le courant alternatif produit parl'alternateur est transform en courant continu par des circuits lectroniques . base de dispositifs semi(conducteurs appels diodes6 Notons que la ZdynamoZ du vlo est improprement nomme A c'est en effet unemagnto61&6 La partie fi5e d'un gnrateur ou moteur lectrique est appele s!a!or0 la partie mobile0 qui tourne0 ro!or616 Ou la diversit des e5priences d'lectricit de l'poque0 la rversibilit du gnrateur tait probablementbien connue6


15/53

1&

L'nergie lectrique est par ailleurs facile . distribuer0 il suffit de connecter

les divers moteurs . un m4me gnrateur6 n ralise alors qu'un m4me rseau

pourra alimenter . la fois des syst3mes d'clairage lectrique ou d'autres

appareils6 Il ne restait qu'. valuer les rendements de conversion et les pertes en

ligne pour tablir si ce schma tait viable du point de vue conomique6

n prend alors conscience de la varit des applications potentielles6 =ans

l'usine0 on ne se bornera plus . transmettre l'nergie mcanique en utilisant des

arbres de ligne0 des courroies0 de l'air comprim ou la pression hydraulique6

-haque machine pourra 4tre quipe avec son propre moteur lectrique0 facile .

commander0 l'nergie tant transmise efficacement0 pratiquement sans pertes6

=ans l'agriculture0 les moteurs lectriques pourront remplacer l'nergie

musculaire humaine et animale pour moudre le grain ou pomper l'eaud'irrigation6 n mati3re de transports0 les villes pourront 4tre quipes d'omnibus

lectriques6 uant au5 foyers0 ils pourront bnficier de nombreu5 appareils

lectromnagers6

-es applications verront effectivement le /our6 "ais il restait une tape .

franchir6 L'lectricit est une forme d'nergie facile . transporter et . distribuer

mais tr3s difficile . stocker6 La magnto0 puis la dynamo avaient augment la

puissance par rapport . celle de l'lment galvanique0 mais n'avaient pas rsolu

le probl3me du stockage1;

6 Les savants comprennent alors qu'il faut considrer la

chaUne dans sa globalit A l'nergie lectrique est produite dans des centrales

lectriques par des gnrateurs0 transporte . distance via des rseau5 de

distribution et utilise aussitMt par les consommateurs6 -e schma implique

d'normes investissements financiers6

C&URANT ALTERNATI. %S/C&URANT C&NTINU

K la fin des annes 1%;B0 dison0 d/. cl3bre pour l'invention du

phonographe0 veut dvelopper un rseau de distribution d'lectricit pour

remplacer l'clairage classique au bec de ga#6 Il s'associe . des hommes

d'affaires0 fonde la socit dison lectric Light0 perfectionne et commercialise

l'ampoule lectrique et dpose une multitude de brevets concernant gnrateurs0

moteurs0 conducteurs0 fusibles0 compteurs lectriques6

1;6 -e probl3me n'est au/ourd'hui tou/ours pas rsolu de mani3re satisfaisante6 Le mieu5 est d'utiliser0 pendantles heures creuses0 l'e5cdent de l'lectricit produite pour pomper l'eau en amont des barrageshydrolectriques6 8n grand effort de la recherche d'au/ourd'hui vise aussi . amliorer les piles lectriques afind'augmenter l'autonomie des consommateurs mobiles $voiture lectrique0 tlphones cellulaires0 ordinateursportables,6


16/53


17/53

1;

2222222

8ne ampoule lectrique peut aussi bien fonctionner en courant continu qu'en

courant alternatif6 =ans ce dernier cas0 une frquence de B C# est suffisamment

leve pour que l'inertie thermique du filament rende l'clairage constant A lalumi3re de l'ampoule ne tremblote pas au rythme du courant6 2u contraire0 un

moteur lectrique con>u pour le courant continu ne peut pas fonctionner en

courant alternatif6 ?estinghouse avait donc besoin d'un moteur . courant

alternatif0 qui restait . inventer6 Il s'intresse alors au5 travau5 de Nikola Tesla

sur les champs magntiques tournants6

Tesla0 qui est arriv au5 tats(8nis en 1%%*0 travaille dans la socit

d'dison0 bien que ce dernier soit hostile . ses ides en faveur du courant

alternatif6 2u service d'dison0 Tesla doit donc malgr tout continuer . travailler

sur le courant continu6 "ais les divergences entre les deu5 inventeurs

s'accentuent6 dison aurait promis . Tesla &B BBB dollars0 somme considrable .

l'poque0 pour amliorer les moteurs et gnrateurs de courant continu6 uand

Tesla aurait rclam son dW0 dison lui aurait ri au ne# en lui disant A G Oous ne

comprene# pas notre humour amricain0 "onsieur Tesla [H

n 1%%0 Tesla dmissionne et . l'aide d'investisseurs0 fonde sa propre

socit0 Tesla lectric Light0 spcialise dans l'clairage . l'arc lectrique6 Ilsouhaite y dvelopper ses ides novatrices sur le courant alternatif mais les

investisseurs craignent l'chec6 Ils prennent le contrMle de la socit et licencient

Tesla6 Pour se nourrir0 ce dernier est contraint . travailler comme ouvrier sur des

chantiers de creusement de fosss pour cQbles lectriques6 2pr3s quelques mois0

il est contact par d'autres investisseurs et la socit Tesla lectric -ompany est

cre6 Tesla dispose maintenant d'un laboratoire6 -'est l. qu'il va concrtiser ses

recherches sur le moteur . courant alternatif et le syst3me d'alimentation

polyphas6 =3s 1%%%0 ?estinghouse ach3te . pri5 d'or les brevets de Tesla et

l'embauche comme consultant6

Rca*itu!ati3 c1$ono!ogique (ommai$e #e( in'enteu$( etin'ention( mentionn(

-harles(2ugustin de -oulomb $1;+(1%B,0 Jrance0 lois d'attractionet rpulsion des charges lectriques

Cans -hristian Drsted $1;;;(1%&1,0 =anemark0 un courantlectrique engendre un champ magntique


18/53

1%

2ndr("arie 2mp3re $1;;&(1%+,0 Jrance0 loi d'interaction entre lescourants lectriques

?illiam !turgeon $1;%+(1%&B,0 7rande 9retagne0 le premierlectroaimant $fig6 @,

"ichael Jaraday $1;)1(1%;,0 7rande 9retagne0 l'inductionlectromagntique $1%+1, le premier gnrateur lectrique

Foseph Cenry $1;);(1%;%,0 tats(8nis0 lectroaimants puissants l'auto(inductance le premier moteur lectrique $fig6 *,

-harles 76 Page $1%1@(1%%,0 8!2 ?erner !iemens $1%1(1%)@,0 2llemagne0 la dynamo $fin des

annes 1%B, 1%@B A article dEDrsted0 puis dE2mp3re \ 2rago6 1%+1 A premier moteur lectrique dECenry 1%+1 A dcouverte de lEinduction lectromagntique par Jaraday

un champ magntique variable engendre un courant lectrique $fig6&, 1%+@ A premier gnrateur lectrique construit par Pi5ii et 2mp3re

$fig6 ;, 1%** A utilisation de lElectricit dans le tlgraphe par !amuel

"orse6 7eorge ?estinghouse $1%*(1)1*,0 8!2 Thomas dison $1%*;(1)+1,0 8!2 1%&1 A essai $infructueu5, de moteur lectrique pour la traction

ferroviaire par -harles Page6

Nikola Tesla $1%&(1)*+,0 !erbie] 8!2

LE 4RE%ET DE TESLA SUR LE M&TEUR S5NC,R&NE

-ette publication1%

fait partie d'une srie de sept brevets dposs le 1ermai

1%%%6 L'ide du moteur sans contact . champ magntique tournant remonte

probablement . la fin des annes 1%;B0 quand Tesla tait tudiant . l'cole

Polytechnique de 7ra#1)6 n fait0 le brevet prsente plusieurs variantes de

moteurs et gnrateurs synchrones0 le concept de courant alternatif biphas et

triphas0 ainsi que le rseau de distribution associ6

Tesla annonce d'emble0 . la ligne 1&0 la principale caractristique de son

invention0 le moteur synchrone0 moteur dont la vitesse de rotation angulaire est

1%6 86!6 Patent B0+%10)% ( =lec!ro a#ne!ic o!or( 1@ octobre 1%%;0 brevet de Nikola Tesla sur le moteursans contact0 publication commente par le prsent article i%Nu6 Il est recommand de prendreconnaissance de lEanne5e technique avant dEentamer la lecture de cette partie61)6 n 1%%&0 . Turin0 en cherchant une analogie mcanique . la lumi3re polarise circulairement0 7alileoJerraris $1%*;(1%);, met en rotation un cylindre en cuivre . l'aide d'un champ magntique tournant6 Il publieses conclusions en 1%%%0 quelques semaines apr3s le dpMt des brevets par Tesla6 Jerraris tait loin d'envisagerune quelconque application au rsultat de son e5prience6


19/53

1)

synchronise avec celle du champ magntique tournant0 et qui0 dans certaines

limites de valeurs0 est indpendante du couple mcanique rsistant oppos par la

charge [email protected]

A

B deands a unifori!* of s"eed in !$e o!or irres"ec!ive of i!s loadwi!$in i!s noral workin# lii!s

K la ligne +*0 l'inventeur introduit le concept de champ magntique

tournant0 engendr par des bobines du stator traverses par des courants

alternatifs sinusodau5 A

4 o!or is e"lo*ed in w$ic$ !$ere are !wo or ore inde"enden! circui!s!$rou#$ w$ic$ al!erna!e curren!s are "assed a! "ro"er in!ervals, in !$eanner $ereinaf!er descri%ed, for !$e "ur"ose of effec!in# a "ro#ressives$if!in# of !$e a#ne!is or of !$e Clines of forceD in accordance wi!$ !$e

well0known !$eor*, and a consequen! ac!ion of !$e o!or&Le rotor tourne car son moment magntique a tendance . s'orienter suivant

le champ magntique tournant du [email protected]

A

! is o%vious !$a! a "ro"er "ro#ressive s$if!in# of !$e lines of force a* %eu!iliEed !o se! u" a oveen! or ro!a!ion of ei!$er eleen! of !$e o!or,!$e ara!ure, or !$e field0a#ne! B

Le champ tournant permet au moteur de courant alternatif de s'affranchir du

commutateur@@

0 dispositif mcanique utilis par les moteurs de courant continu

dont le rMle0 e5pliqu auparavant0 est d'inverser le sens du courant dans le rotor

et d'assurer ainsi la continuit de son mouvement de rotation6 Le commutateur

est susceptible de s'user dans le temps0 ce qui augmente le coWt de la

maintenance du moteur6 n revanche0 le champ magntique tournant requiert

une source de courants alternatifs0 ce qui contraint Tesla . introduire alors le

gnrateur de courant alternatif biphas0 ainsi que le rseau de distribution A

B if !$e curren!s direc!ed !$rou#$ !$e several circui!s of !$e o!or are in

!$e "ro"er direc!ion no cou!a!or for !$e o!or will %e required@ %u! !oavoid all !$e usual cou!a!in# a""liances in !$e s*s!e "refer !oconnec! !$e o!or circui!s direc!l* wi!$ !$ose of a sui!a%le al!erna!ecurren! #enera!or&

La description du fonctionnement de ce type de moteur est tr3s dtaille et

suit les tapes montres sur les huit premi3res figures du brevet0 qui dcrivent

@B6 La charge mcanique dsigne tout consommateur d'nergie mcanique mis en mouvement par le moteur etqui engendre un couple de force rsistant s'opposant . ce mouvement A par e5emple les roues d'un vhiculelectrique0 la turbine d'un aspirateur0 l'hlice d'un ventilateur0 le tambour d'un lave([email protected] =ans ce type de moteur0 le stator est l'inducteur $field0 en anglais,0 le rotor est l'induit $armature,6L'inducteur engendre le champ magntique0 l'induit le re>oit et le transforme en nergie mcanique $dans le casdu moteur, ou en nergie lectrique $dans le cas du gnrateur,6@@6 Le rMle du commutateur est dcrit dans l'anne5e technique6


20/53

@B

les positions successives du rotor du gnrateur $. gauche, et du rotor du

moteur $. droite,0 espaces d'un demi(quadrant $]*,0 pendant une rotation

compl3te6

Le rotor du gnrateur 7 est form par deu5 bobines 9 et 9'0 disposes

perpendiculairement l'une . l'autre0 tournant solidairement dans le champ

magntique d'un aimant permanent $le stator,6 lles engendrent alors deu5

courant alternatifs sinusodau5 dphass de )B^ A c'est effectivement un

gnrateur de courant alternatif biphas6

!ur la figure 1 du brevet0 la bobine 9 re>oit un flu5 magntique ma5imal0 la

tension lectromotrice induite0 proportionnelle . la drive du flu50 est alors

nulle6 n revanche0 la bobine 9' re>oit un flu5 magntique nul0 mais dont la

vitesse de variation est ma5imale0 la tension induite . ses bornes est alorsma5imale6

Figure 12: nrateur de courant alternati ip/asdcri! dans le %reve!, for"ar deu %o%ines "er"endiculaires e! ', !ournan! dans le c$a" a#n!ique d'un

aian! "eranen!& F #auc$e, la "osi!ion des %o%ines l'ins!an! !GH& ar souci de clar!,on a a;ou! les enrouleen!s des %o%ines& F droi!e, la cour%e des si#nau des !ensions :

e! :' 9 elles son! d"$ases de IHJ&

Pour collecter le courant produit par les bobines tournantes0 Tesla utilise un

syst3me classique de quatre collecteurs rotatifs de type balai(anneau6 -hacune

des quatre bornes des deu5 bobines est connecte . un anneau0 solidaire . l'a5e

du moteur6 Lorsque le rotor tourne0 les quatre anneau5 glissent sur le balai

collecteur immobile6

-e syst3me reste soumis . l'usure mcanique0 mais moins que le

commutateur rotatif6 -e dernier0 tant form de segments d'anneau5 isols0

interrompait priodiquement le contact lectrique0 ce qui engendrait tincelles0

chauffement et usure rapide6 Le collecteur rotatif balai(anneau ne prsente pas

cet inconvnient0 le circuit lectrique n'tant /amais interrompu0 puisque c'est lecourant alternatif qui effectue la commutation6


21/53

@1

Le moteur est constitu de deu5 paires de bobines -- et -'-'0 enroules sur

un tore $ou coque cylindrique, et disposes . )B^6 Le champ magntique produit

par une des paires est montr sur la figure qui suit A

Figure 13 : 4/a!p !agnti$ue produit par une oine enroule sur un tore(#auc$e)& Les li#nes de c$a", #uides l'in!rieur des a!riau avec une for!e"era%ili! a#n!ique, suiven! le con!our du !ore& F droi!e, les deu %o%ines,

dia!raleen! o""oses, son! connec!es en srie de !elle ani/re que dans le !ore,leurs c$a"s a#n!iques on! des sens con!raires& .ela d!erine le c$a" a#n!iquersul!an! sor!ir du !ore dans la r#ion si!ue i0dis!ance des deu %o%ines& .e

"$no/ne es! d'au!an! "lus i"or!an! si au ilieu du !ore, la "lace de l'air, de fai%le"era%ili! a#n!ique, se !rouve un a!riau ferroa#n!ique, ca"a%le de canaliser

les li#nes de c$a" ( larion avel)&

2liments par deu5 courants alternatifs dphass de )B^0 les deu5 paires de

bobines produisent un champ magntique tournant6 La bobine 9' du gnrateur

alimente avec la tension 8' la paire de bobines -- du moteur0 la bobine 9 avec la

tension 8 la paire -'-'6

Figure 1# : Le c/a!p !agnti$ue tournant du !oteurdcri! dans le %reve! K "ourdes raisons de clar!, on a a;ou! en rou#e les li#nes du c$a" a#n!ique& La "aire de%o%ines .. es! alien!e avec la !ension :', la "aire .'.' avec la !ension :, "rovenan! du

#nra!eur dcri! au"aravan!& F #auc$e, le c$a" a#n!ique l'ins!an! ini!ial !GH,quand seule la "aire .. es! alien!e, la "aire .'.' recevan! une !ension nulle& F droi!e,a"r/s un re!ard de ?+, les deu "aires son! alien!es avec des !ensions #ales 9 les

deu con!ri%u!ions au c$a" a#n!ique s'addi!ionnen! "our donner un c$a" rsul!a!!ourn de ?+ "ar ra""or! l'ins!an! ini!ial&

Le champ magntique tournant oriente alors l'a5e d'aimantation du disque =

$son moment magntique,0 qui constitue en fait le rotor du moteur0 et le fait


22/53

@@

tourner6 Les positions successives du rotor espaces de ]*0 pendant une

rotation compl3te0 sont indiques dans les figures 1a(%a6

Ligne 1B10 page @0 Tesla observe que le rotor = tourne m4me si sa forme

gomtrique est parfaitement circulaire et attribue correctement ce

comportement au ferromagntisme du matriau A

T$e disk 2 in i#& I is s$own as cu! awa* on o""osi!e sides@ %u! !$is, $ave found, is no! essen!ial !o effec!in# i!s ro!a!ion, as circular disk, asindica!ed %* do!!ed lines, is also se! in ro!a!ion& T$is "$enoenon a!!ri%u!e !o a cer!ain iner!ia or resis!ance in$eren! in !$e e!al !o !$era"id s$if!in# of !$e lines of force !$rou#$ !$e sae, w$ic$ resul!s in acon!inuous !an#en!ial "ull u"on !$e disk, causin# i!s ro!a!ion& T$is sees!o %e confired %* !$e fac! !$a! a circular disk of s!eel is ore effec! ivel*ro!a!ed !$a! one of sof! iron, for !$e reason !$a! !$e forer is assued !o

"osses a #rea!er resis!ance !o !$e s$if!in# of !$e a#ne!ic lines&

Il faudra attendre 1)B pour que le physicien fran>ais Pierre ?eiss $1%&(

1)*B, e5plique cette rsis!ance au c$an#een! des li#nes de c$a"0 qui

caractrise les matriau5 ferromagntiques0 par la modification des fronti3res

des micro(domaines magntiques du matriau0 domaines dits de 1eiss6 t ce

n'est qu'en 1)@% que ?erner Ceisenberg $1)B1(1);, e5plique le

ferromagntisme . partir des bases de la mcanique quantique0 qui venaient

d'4tre poses@+6 L'acier se comporte mieu5 que le fer car il poss3de uneaimantation rmanente $. champ magntique nul son moment magntique n'est

pas nul, ce qui n'est pas le cas du fer6

Pendant sa rotation0 le moment magntique du disque = n'est pas orient

e5actement dans la direction du champ tournant0 mais fait un angle avec cette

derni3re0 en fonction de la charge mcanique couple . l'a5e du moteur6

@+6 Le fait qu'un disque en acier poss3de une aimantation rmanente0 oriente suivant une direction donne0malgr la forme symtrique parfaitement circulaire0 n'a t comprise que dans les annes 1)&B0 par ladcouverte du mcanisme dit de %risure s"on!ane de s*!rie6


23/53

@+

Pour connecter le moteur avec le gnrateur0 Tesla utilise * conducteurs0 LL

et L'L'0 qui forment ainsi un syst3me de distribution de courant biphas0 comme

on peut le remarquer sur sa figure ) ci(dessus@*

6

2222222

=ans la suite de l'article0 Tesla prsente d'autres versions et amliorations

de gnrateurs et moteurs synchrones6

n gnral0 les bobines d'un moteur ou gnrateur lectrique sont disposes

en deu5 type d'architectures A enroules sur un tore $ou anneau, ou sur un

tambour@&

6 2insi0 dans le syst3me initial0 dcrit dans la figure )0 les bobines du

gnrateur sont de type tambour et celles du stator du moteur0 de type anneau6

Les machines synchrones tant rversibles0 les rMles du moteur et du

gnrateur sont facilement interchangeables6 n peut aussi /ouer sur

l'architecture anneau ou tambour0 ou sur le choi5 aimant permanent ou

lectroaimant pour raliser diverses versions de syst3me gnrateur(moteur6

=ans le syst3me e5pos dans les figures 1B0 11 et [email protected] le gnrateur 7 a un

stator aimant permanent $dont les pMles N et ! sont indiqus dans la figure 11,

et un rotor de type anneau0 form par deu5 paires de bobines JJ et J'J'6 Le

stator du moteur " est construit . partir d'un matriau ferromagntique0 de

prfrence l'acier0 pour ses proprits d'aimantation [email protected] !on rotor n'estplus un aimant permanent0 il est form par deu5 bobines et ' disposes . )B^

$rotor bobin en tambour, et ncessite un collecteur rotatif pour l'alimentation

lectrique6

@*6 Pour la clart de la lecture0 les figures ) . 1; du brevet de Tesla sont reproduites dans cet article6@&6 L'architecture anneau du rotor0 introduite par Pacinotti et 7ramme0 a cd progressivement la place .l'architecture tambour0 bien plus performante6 =ans le premier cas0 le champ magntique pn3tre parl'e5trieur puis suit le contour de l'anneau6 Lors de la rotation0 le cMt intrieur des spires ne traverse doncpresque pas de lignes de champ magntique6 La tension induite est donc presque nulle0 le cMt intrieur desspires n'ayant alors qu'un rMle de conducteur lectrique et non [email protected] n aurait pu utiliser un aimant permanent comme dans le gnrateur6 8ne fois aimant0 grQce . saproprit dEaimantation rmanente0 l'acier se comporte comme un aimant permanent6


24/53

@*

=ans les figures 1+ et 1*0 Tesla e5pose un syst3me gnrateur(moteur(

distribution de courant triphas6 Le rotor du gnrateur0 constitu de trois

bobines identiques dcales de [email protected]^0 tourne dans le champ magntique d'un

aimant permanent et produit trois tensions alternatives sinusodales0 dcales

galement par des phases de [email protected]^6 Le syst3me de distribution triphas utilise

fils conducteurs@;

pour alimenter le stator du moteur0 form par trois paires de

bobines0 dont les a5es sont dcals de B^ et qui engendrent le champ

magntique tournant A

T$e varia!ions in !$e s!ren#!$ and direc!ion of !$e curren!s !ransi!!ed!$rou#$ !$ese circui!s and !raversin# !$e coils of !$e o!or "roduce as!eadil* "ro#ressive s$if!in# of !$e resul!an! a!!rac!ive force eer!ed %* !$e"oles A' u"on !$e ara!ure 2, and consequen!l* kee" !$e ara!ure

ra"idl* ro!a!in#& T$e "eculiar advan!a#e of !$is dis"osi!ion is in o%!ainin# aore concen!ra!ed and "owerful field&

Le rotor est form par un disque = ferromagntique0 comme dans le cas du

syst3me prsent initialement dans la figure )0 il n'y a donc pas besoin de

syst3me d'alimentation du rotor de type collecteur rotatif6 La disposition des

bobines0 leur nombre $+ paires, et le faible entrefer $espace entre le noyau des

bobines et le rotor, font obtenir un champ magntique tournant bien plus fort0

donc un moteur de meilleure puissance par rapport . celui de la figure )6

Les figures 1& et 1 dcrivent un moteur " dont le stator est ralis par

deu5 bobines N' et N'' enroules en tambour0 disposes . )B^6 -omme dans le

cas prcdent0 le rotor = est constitu d'un disque ferromagntique6 Le champ

magntique produit par les bobines tambour est bien plus puissant que celui

@;6 n pratique0 au/ourd'hui0 on prf3re connecter les bobines du stator et les grouper en toile ou entriangle0 ce qui rduit le nombre de conducteurs . *0 voire +0 afin d'conomiser du matriel dans le rseau dedistribution du courant triphas $voir anne5e technique0 fig6 21@,6


25/53

@&

produit par des bobines enroules sur l'anneau0 on s'attend alors . un moteur

plus puissant que celui dcrit dans la figure )6

Le stator du gnrateur 70 form par les paires de bobines PP et P'P'0 a la

particularit d'4tre l'induit A la tension lectromotrice est induite dans le stator et

non dans le rotor0 comme c'tait le cas des autres gnrateurs prsents

auparavant6 n utilisant un aimant permanent 2 comme rotor du gnrateur0 on

arrive . un syst3me0 moteur aussi bien que gnrateur0 qui ne fait plus du tout

appel . des syst3mes de contact mcanique du type collecteur rotatif A

T$is ode of carr*in# ou! !$e in!erven!ion $as !$e advan!a#e ofdis"ensin# wi!$ !$e slidin# con!ac!s in !$e s*s!e&

Le stator du gnrateur est bipolaire $form par deu5 paires de bobines,

alors que celui du moteur est unipolaire6 Lorsque le rotor du gnrateur effectue

une demi(rotation0 le courant induit effectue un cycle complet0 le moteur aussi6

Le moteur tourne alors deu5 fois plus vite que le gnrateur0 fait remarqu par

Tesla ligne *0 page * A

B!$e nu%er of al!erna!in# i"ulses resul!in# fro one revolu!ion of !$e#enera!or ara!ure is dou%le co"ared wi!$ !$e "recedin# cases and !$e"olari!ies in !$e o!or are s$if!ed around !wice %* one revolu!ion of !$e#enera!or0ara!ure& T$e s"eed of !$e o!or will, !$erefore, %e !wice !$a!of !$e #enera!or&

La figure 1; dcrit un moteur " dont le stator et le rotor sont uniquement

raliss . l'aide d'lectroaimants0 aliments par un courant alternatif biphas6 n

fait0 le stator comme le rotor produisent chacun leur propre champ magntique

tournant6 Les conne5ions lectriques sont ralises de mani3re . ce que les deu5champs tournent dans des sens contraires0 leur vitesse relative est alors double


26/53

@

par rapport . un moteur . un seul champ tournant0 ce qui lui conf3re une vitesse

de rotation double0 fait rappel par Tesla . la fin du brevet0 . la ligne &&0 page *6

Le stator est bipolaire6 -hacun des deu5 pMles $sur la figure 1;0

respectivement en rouge et en bleu, est form de quatre bobines lies en srie

et diamtralement opposes deu5 par deu56Le rotor est constitu de deu5 bobines et '0 galement disposes . )B^ et

alimentes pas un collecteur rotatif0 comme c'est le cas du rotor de la figure 1B6

Les circuits lectriques du rotor et du stator sont lis en parall3le $shunt, et

connects0 via un syst3me de distribution de courant biphas . quatre

conducteurs $figure 1),0 au gnrateur 7 $figure 1%,6 Le gnrateur 7 est

identique . celui dcrit dans la figure )6

K la fin du brevet0 Tesla apporte des arguments pour e5pliquer le

synchronisme entre le rotor et le champ magntique tournant0 ligne +*0 page * A

B i! will %e o%served !$a! since !$e disk 2 $as a !endenc* !o followcon!inuousl* !$e "oin!s of #rea!es! a!!rac!ion, and since !$ese "oin!s ares$if!ed around !$e rin# once for eac$ revolu!ion of !$e ara!ure of !$e#enera!or, i! follows !$a! !$e oveen! of !$e disk 2 will %e s*nc$ronouswi!$ !$a! of ara!ure 4&

n effet0 le champ magntique tournant aimante le disque =0 qui produit .

son tour son propre champ magntique6 -'est en additionnant ces deu5

contributions $champ tournant et champ propre, qu'on obtient le champ


27/53

@;

rsultant6 !a tendance . s'orienter dans la direction des lignes de champ

tournant entraUne la rotation du disque0 qui tourne . la m4me vitesse angulaire

que le champ tournant il est donc synchrone6

uelques lignes plus loin0 il rp3te ses arguments et a/oute l'indpendance

du mouvement synchrone par rapport . la chargemcanique du moteur A

Bsince !$e a!!rac!ive effec! u"on !$e disk 2 is #rea!es! w$en !$e disk is ini!s "ro"er rela!ive "osi!ion !o !$e "oles develo"ed in !$e rin# M K !$a! is !osa*, w$en i!s ends or "oles iedia!el* follow !$ose of !$e rin# K !$es"eed of !$e o!or for all !$e loads wi!$ !$e noral workin# lii!s of !$eo!or will %e "rac!icall* cons!an!B !$e s"eed can never eceed !$ear%i!rar* lii! as de!erined %* !$e #enera!or, and also !$a! wi!$in cer!ainlii! a! leas! !$e s"eed of !$e o!or will %e inde"enden! of !$e s!ren#!$ of!$e curren!&

n effet0 lors du fonctionnement du moteur0 le champ rsultant n'est pas

parfaitement align avec les lignes de champ tournant les deu5 directions font

un angle6 Le champ magntique e5erce sur le disque un couple mcanique

proportionnel au sinus de cette angle0 qui s'quilibre avec le couple rsistant de

la charge mcanique A plus la charge est importante0 plus l'angle augmente6

Nanmoins0 le disque continue . tourner de fa>on synchrone avec le champ

tournant0 tant que la charge mcanique est raisonnable0 l'angle restant infrieur

. )B^ $voir anne5e technique0 partie G moteur synchrone H,6=ans la fin du brevet sont dtailles les principales caractristiques du

moteur . induction invent par Tesla A

B a unifor s"eed under all loads wi!$in !$e noral workin# lii! of !$eo!or wi!$ou! !$e use of an* auiliar* re#ula!or@ s*nc$ronis %e!ween!$e o!or and #enera!or@ #rea!er efficienc* %* !$e ore direc! a""lica!ionof !$e curren!, no cou!a!in# devices %ein# required on ei!$er !$e o!oror #enera!or@ c$ea"ness and si"lici!* of ec$anical cons!ruc!ion andecono* in ain!enance@ !$e ca"a%ili!* of %ein# ver* easil* ana#ed or

con!rolled@ diinu!ion of dan#er fro in;ur* !o "ersons and a""ara!us&

Tesla dclare connaUtre l'e5istence du moteur de courant continu0 qui doit

utiliser le commutateur0 dispositif mcanique indispensable pour inverser les sens

du courant dans les bobines du rotor afin de lui garantir le mouvement de

rotation6 "ais il trouve cette solution peu pratique0 sans l'e5pliquer dans le

dtail A

a aware !$a! !$e ro!a!ion of !$e ara!ure of a o!or wound wi!$ !woener#iEin#0 coils a! ri#$! an#les !o eac$ o!$er $as %een effec!ed %* anin!eri!!en! s$if!in# of !$e ener#iEin# effec! of %o!$ coils !$rou#$ w$ic$ a


28/53

@%

direc! curren! %* eans of ec$anical devices $as %een !ransi!!ed inal!erna!el*0o""osi!e direc!ions@ %u! !$is e!$od or "lan re#ard asa%solu!el* i"rac!ica%le for !$e "ur"oses for w$ic$ * inven!ion isdesi#neda! leas! on an* e!ended scalefor !$e reasons, ainl*, !$a! a#rea! was!e of ener#* is necessaril* involved unless !$e nu%er of

ener#iEin#0circui!s is ver* #rea!, and !$a! !$e in!erru"!ion and reversal ofa curren! of an* considera%le s!ren#!$ %* eans of an* known ec$anicaldevices is a a!!er of !$e #rea!es! difficul!* and e"ense&

-omme on l'a vu auparavant0 le commutateur0 pi3ce mcanique en

mouvement0 a l'inconvnient de s'user rapidement et de devoir 4tre remplac

priodiquement6 Il ne peut supporter ni des courants trop importants0 car les

contacts ohmiques peuvent chauffer fortement0 ni des tensions trop grandes0 car

l'ouverture et la fermeture priodiques du circuit engendrent des tincelles6 -'est

probablement . cet inconvnient que Tesla fait rfrence dans la citation

prcdente0 quand il affirme que le moteur . induction est moins dangereu5 pour

les personnes6

Tesla termine la rdaction du brevet0 comme c'est l'usage0 en rcapitulant la

liste des inventions6

LA 5E66E -E" 47568"6EDIS&N C&NTRE TESLA ET 7ESTING,&USE"algr les avantages du courant alternatif0 dison ne s'avoue pas vaincu6

ntre 1%%; et 1%)+0 il m3ne une campagne de dsinformation pour convaincre

les investisseurs0 les lgislateurs et les clients potentiels de la supriorit du

courant continu6 ?estinghouse et Tesla ripostent et la bataille fait rage6 n

l'appellera plus tard0 . /uste titre0 laAuerre des couran!s6

dison prtend que le courant alternatif serait trop dangereu5 pour

l'utilisateur et fait lectrocuter0 dans des dmonstrations publiques0 des chiens0

des chats0 des veau5 et des chevau56 Il va /usqu'. proposer d'utiliser le courant

alternatif pour l'e5cution des condamns . mort et d'appeler wes!in#$ouser

l'acte d'e5cuter@%

6

L'opposition d'dison au courant alternatif sEe5plique par sa volont de

protger son investissement0 ses brevets0 ses ventuelles royalties0 tous fonds

sur la technologie du courant continu6 t son mod3le conomique reposait sur la

@%6 n 1%)B0 dans l'tat de NeR Sork0 eut lieu la premi3re e5cution par lectrocution6 La tension lectriquetant trop basse0 ce fut un supplice pour le condamn6


29/53

@)

construction d'un grand nombre de petites centrales lectriques0 dont la vente

aurait pu gnrer des revenus importants6

-ependant0 malgr le prestige et les ressources financi3res d'dison0

?estinghouse gagne de plus en plus de parts de march6 5asprs par

l'ent4tement d'dison pour le courant continu0 les actionnaires font fusionner en

1%)@ la socit dison lectric avec Thomson(Couston0 cette derni3re ayant un

savoir(faire dans le domaine du courant alternatif6 La nouvelle socit0 7eneral

lectric0 investit massivement dans la technologie du courant alternatif A elle

aura cependant besoin de plusieurs annes pour rattraper son retard par rapport

. ?estinghouse6

La Auerre des couran!sprend fin en 1%)+0 quand le contrat de construction

de la centrale hydrolectrique sur les chutes du Niagara est finalement attribu .?estinghouse6 7eneral lectric devra se contenter de la construction de la ligne

de haute tension reliant la centrale hydrolectrique du Niagara . la ville de

9uffalo6 9ien plus tard0 dison reconnaUtra que son opposition au courant

alternatif a t Gla plus grande gaffe de sa vie@)

H6

"ais cette concurrence acerbe fut nfaste pour Tesla6 La socit

?estinghouse se trouva presque en faillite6 !ous la pression d'investisseurs0

notamment de F6 P6 "organ

+B

$1%+;(1)1+,0 ?estinghouse demanda . Tesla derenoncer . ses royalties afin d'emp4cher sa perte de contrMle sur la socit6 Tesla

accepta et dchira le contrat qui lui accordait un dollar de royalties pour chaque

cheval(puissance d'lectricit vendue0 ce qui lui aurait assur une gigantesque

fortune6

AUTRES IN%ENTI&NS DE NI8&LA TESLA

n 1%)B0 . l'aide d'une nouvelle invention0 la bobine d'induction qui porte

au/ourd'hui son nom0 Tesla produit des courants de haute tension et haute

frquence6 Il observe qu'ils s'tablissent sur une couche priphrique du

@)6 Ironie du sort0 les rcents progr3s de l'lectronique de puissance permettent au/ourd'hui de construire desconvertisseurs capables d'lever ou abaisser facilement la tension d'un courant continu0 si bien qu'au/ourd'hui0une ligne de haute tension de courant continu cause moins de pertes qu'une ligne de courant alternatif0 danslaquelle les pertes sont dues . l'effet pelliculaire0 au5 capacits et au5 inductances du cQble6 La construction desfermes solaires et oliennes ainsi que le stockage d'nergie dans les batteries lectriques relancent au/ourd'huiles rseau5 de distribution de courant continu6+B6 Le m4me F6 P6 "organ avait contraint dison . cder le contrMle de sa socit6 n fait0 "organ avait financ. la fois le pro/et d'dison et celui de ?estinghouse6 Peu lui importait lequel des deu5 s'imposerait0 son seulsouci tant de s'assurer le monopole de l'lectrification au5 tats(8nis et d'liminer ainsi toute concurrence6"organ avait d/. appliqu cette stratgie avec succ3s dans les chemins de fer0 l'acier0 le fer et le ptrole6


30/53

+B

conducteur0 phnom3ne au/ourd'hui appel effet pelliculaire6 Le corps humain

peut alors 4tre travers par un courant de haute frquence sans danger A ce

dernier passe par la peau0 prservant ainsi les tissus0 tandis que le su/et prouve

une sensation de chaleur6 Tesla tudie les effets physiologiques de ces courants

et propose de les utiliser en mdecine6

K la m4me poque0 il effectue des dmonstrations . sensation6 K l'aide d'un

gnrateur de haute frquence0 il engendre dans une pi3ce des forts champs

lectromagntiques0 qu'il utilise pour clairer des tubes . ga#0 sans fil6 Parfois0 il

tient les tubes dans sa main0 en faisant passer le courant lectrique de haute

frquence . travers son corps A il produit alors des dcharges lectriques

analogues . la foudre entre son corps et les installations du laboratoire+1

6

Figure 1& :esla tenant une des ses la!pes dites sans il("$o!o#ra"$ie "u%liesur la couver!ure du a#aEine lectrical 5perimenter, OIOI)& our alien!er la la"e, le

couran! lec!rique, de $au!e frquence, !raverse son cor"s (illus!ra!ion 1iki"edia)&

n 1%)+0 il utilise un circuit rsonant accord constitu d'une bobine et d'un

condensateur pour transmettre des signau5 lectriques . distance6 Il pose ainsi

les fondements de la tlgraphie sans fil6 Perfectionniste0 Tesla travaille sans

cesse . l'amlioration de ses appareils6 "alheureusement0 en 1%)&0 un incendie

dtruit compl3tement son laboratoire0 des annes de travail sont

irrmdiablement perdues6 -omme d'habitude0 l'inventeur travaillait en m4me

+16 -es dmonstrations sont en partie censes montrer que le courant alternatif de haute frquence est sansdanger6 lles font partie de l'arsenal dploy par Tesla dans la Auerre des .ouran!s6


31/53

+1

temps sur plusieurs su/ets0 dont la liqufaction de l'air6 Il est possible que

l'incendie ait t dclench par l'o5yg3ne liqufi entr en contact avec l'huile de

transformateur6

2u cours de cette malheureuse anne 1%)&0 Tesla ralise par ailleurs de

nombreuses e5priences utilisant des tubes Lenard et met en vidence les

rayons _6 Il ralise ainsi plusieurs photographies des parties du squelette

humain+@

6 8n des su/ets est son bon ami le romancier "ark TRain $1%+&(1)1B,6

Tesla note quEune e5position prolonge de ses mains au5 rayons _ conduit . des

irritations de la peau0 mais il attribue . tort cet effet . l'o#one form pendant les

dcharges6 Parmi ses appareils de laboratoire figurent les anc4tres du microscope

lectronique et de l'acclrateur de particules6 Il mit plusieurs hypoth3ses en

faisant preuve d'une intuition inoue quant . l'e5istence du vent solaire ou de ladsintgration radioactive6

2222222

2id par le financier F6 P6 "organ0 Tesla reconstruit son laboratoire et en

1%);0 ralise une premi3re transmission sans fil++

A des signau5 sont capts . *B

km de distance par un rcepteur situ . bord d'un bateau naviguant sur la rivi3re

Cudson6 Tesla donne ainsi naissance . la radio+*

6

n 1%)%0 Tesla applique les concepts dvelopps pour la tlgraphie sans fil

pour mettre au point un bateau tlcommand+&

6 Il essaie de vendre le concept .

la marine amricaine0 sans succ3s0 il faudra attendre la premi3re guerre

mondiale pour comprendre l'importance des engins tlguids6 Pendant ses

nombreuses confrences publiques0 il promeut l'ide de raliser des robots

tlcommands6 Pour les commander sparment0 sans risque de brouillage0 il

invente les portes logiques T et 80 redcouvertes cinquante annes plus tard

[email protected] 9ien avant X`ntgen0 les rayons _ ont t mis en vidence par plusieurs e5primentateurs comme ?6-rookes0 6 7oldstein0 C6 Cert#0 C6 von Celmhot#0 P6 Lenard0 F6 F6 Thomson6 "ais c'est X


32/53

+@

dans la construction des ordinateurs et qui restent encore au/ourd'hui la base de

leur architecture+

6

Figure 1) : Le ateau tlco!!and de esla, di! D!eleau!oa!onD, e! une de sesdons!ra!ions "u%liques, en OQIQ,


33/53

++

envoyant des dcharges lectriques de millions de volts0 analogues . la foudre6

8ne autre lampe0 situe dans un autre endroit de la Terre0 devait engendrer un

canal de conduction similaire0 par lequel l'nergie in/ecte serait rcupre0 en

particulier pour clairer des villes ou propulser navires et avions6 -e pro/et ne

sera /amais concrtis6

Figure 1* :F #auc$e, une des e"riences de Tesla de trans!ission de l'nergie ;distance effec!ue .olorado 6"rin#s& La source d'ner#ie se !rouve RH des

a"oules qu'elle alien!e& F droi!e, la tour de


34/53

+*

2fin dEviter les guerres0 Tesla ddia ses derni3res annes de sa vie . la

conception d'une nouvelle arme0 le ra*on de la or!0 capable de produire et

diriger des faisceau5 d'ions0 mais qu'il ne mettra /amais au point6

Nikola Tesla reste un inventeur d'e5ception0 dou d'une imagination et d'une

intelligence hors du commun6 Il travaillait avec une telle fbrilit qu'au gr de ses

ides0 il quittait un su/et de recherche pour un autre6 Par manque de temps0 il

n'est pas parvenu . concrtiser un grand nombre de ses ides6 Plusieurs de ses

techniques et mises au point de laboratoire n'ont /amais t brevetes6

sprit idaliste0 totalement dsintress par l'argent0 Tesla a tou/ours

souhait que ses inventions soient utilises pour rendre plus confortable la vie

des hommes6 Il n'a /amais protg ses brevets et a tou/ours rinvesti ses profits

pour quiper son laboratoire et financer ses recherches6 Il a fait la fortune desautres mais il est mort en 1)*+ . NeR Sork dans la mis3re matrielle et dans

l'oubli6

n 1)B0 lors de la -onfrence 7nrale des Poids et "esures0 le tesla $T,

fut adopt comme unit du !yst3me International pour l'induction magntique6

(7 ;anvier SHOR)( loccasion du 7Heanniversaire de la or! de Tesla)


35/53

+&

2nne5e technique

C,AMP MAGNTIQUE8n conducteur long0 rectiligne0 parcouru par un courant lectrique

engendre un champ magntique = dont les lignes de champ0 circulaires0

entourent le conducteur6 lles peuvent 4tre mises en vidence avec une petite

boussole ou avec de la limaille de fer6 Leur sens est donn par la r3gle de la main

droite A on oriente le pouce dans le sens du courant0 les doigts indiquent alors le

sens des lignes de champ6 Le champ magntique est tangent au5 lignes de

champ0 sa valeur est proportionnelle au courant I et inversement proportionnelle

. la distance r du conducteur A

r

IB

2=

o: 7104 = est une constante de proportionnalit appel permabilit

magntique0 le facteur @tant choisi par convenance dans le syst3me d'units

de mesure !I6

Figure 81 : Lignes de c/a!p !agnti$ue du fil rec!ili#ne (#auc$e) e! d'une s"irecirculaire de couran! (droi!e)& ( larion avel)

n principe0 on peut dterminer le champ magntique de toute distribution

de courants en utilisant le principe de superposition A on la divise en petits

domaines0 on calcule le champ magntique de chacun d'entre eu50 puis on fait la

somme de toutes les contributions6 !i la distribution a une gomtrie simple $fil

infini0 spire circulaire0 nappe de courant,0 le rsultat s'e5prime par des formules

mathmatiques analytiques si la gomtrie est quelconque0 il faut faire appel

au calcul numrique6


36/53

+

2insi0 le champ magntique d'une spire parcourue par un courant lectrique

au centre de la spire est(il donn par l'e5pression A

r

IB

2=

2222222

Le champ magntique d'un solnode peut se calculer en additionnant le

champ magntique de chaque spire6 K l'intrieur0 le champ magntique est

donn par l'e5pression A

INB =

o: Nest le nombre de spires0 l'intensit du courant qui les parcourt et la

longueur du solnode6

Le champ magntique d'un solnode est pratiquement quivalent . celui

d'un barreau magntique0 ce qui le rend tr3s adapt . la construction des

lectroaimants6 2fin d'augmenter le champ lectrique0 on place . l'intrieur du

solnode un noyau en fer ou acier0 qui a des proprits ferromagntiques A le

champ magntique produit par le solnode oriente les aimants lmentaires qui

se trouvent . l'chelle atomique dans ces matriau56 -es aimants lmentaires

engendrent0 . leur tour0 un champ magntique0 quelques milliers de foissuprieur . celui du solnode initial6 n pratique0 on utilise des alliages spciau5

qui permettent d'augmenter ce facteur . 1BB BBB6

Figure 82 : 5n solno>de( #auc$e) se co"or!e "ra!iqueen! coe unarreauai!ant( droi!e)& Le "3le nord es! donn "ar la r/#le de la ain droi!e 9 les doi#!s son!

orien!s dans le sens du couran! lec!rique qui !raverse la %o%ine, le "ouce indique lesens du c$a" a#n!ique ("3le nord)& ( larion avel)


37/53

+;

L&I DE LAPLACE

8n conducteur travers par un courant lectrique subit dans un champ

magntique 4 une force0 dite de Laplace0 perpendiculaire au plan form par le

conducteur et le champ magntique6 lle est proportionnelle au champ

magntique0 au courant0 . la longueur du conducteur et au sinus de l'angle form

par le conducteur et le champ magntique A

sinBIF =

ou sous forme vectorielle A

BIF

=

Figure 83 : La orce de Laplace& Lorsqu'on fai! "asser un couran! lec!rique !ravers

un conduc!eur sus"endu "ar deu fils ver!icau e! si!u dans un c$a" a#n!ique, leconduc!eur su%i! une force , "ro"or!ionnelle au couran! , au c$a" a#n!ique e! la lon#ueur du conduc!eur, e! "er"endiculaire au "lan for "ar le conduc!eur e! le

c$a"& 2ans ce cas "rcis, l'an#le en!re le conduc!eur e! le c$a" es! de IHJ ( larionavel)&

!i on fait passer un courant lectrique . travers un cadre rectangulaire0

situ dans le champ magntique d'un aimant0 la force de Laplace0 agissant sur

chaque ar4te0 entraUne l'apparition d'un couple de force


38/53

+%

n peut e5primer ce rsultat d'une autre mani3re A le courant qui parcourt

le cadre donne naissance . un moment magntique0 qui a tendance . s'aligner

avec le champ magntique de l'aimant6

Figure 8# :Eet du c/a!p !agnti$ue = sur un cadre rectangulaire parcourupar un courant lectri$ue ?6ur les c3!s #auc$e e! droi!, les forces de La"lace

donnen! naissance un cou"le < qui fai! !ourner le cadre ;usqu' ce que celui0ci s'orien!ever!icaleen!, quand le %ras de levier s'annule (fi#ure de #auc$e)& :ne e"lica!ionquivalen!e (fi#ure de droi!e) 9 le oen! a#n!ique , en#endr "ar le couran! qui

!raverse le cadre, a !endance s'orien!er sur la direc!ion du c$a" a#n!ique del'aian! ( larion avel)&

L"action mcanique #u c1am* magntique (u$ !e( con#ucteu$(

t$a'e$(( *a$ un cou$ant !ect$ique0 en particulier sur un conducteur en

forme de cadre ou de spire0 e(t !a +a(e #u 3onctionnement #e( moteu$(

!ect$ique(/

LE M&TEUR LECTRIQUE

Le cadre rectangulaire considr dans la section prcdente tourne /usqu'au

moment o: son moment magntique se trouve align avec le champ magntique

de l'aimant6 "ais si chaque fois que cette configuration est atteinte0 on inverse le

sens du courant0 le moment magntique s'inverse aussi et se trouve alors dans le

sens oppos au champ magntique de l'aimant6 Pour se raligner dans le m4me

sens sur le champ magntique0 le cadre continue alors de tourner6

Pour inverser le sens du courant0 il suffit d'utiliser un dispositif mcanique

appel commutateur rotatif*B

0 form par deu5 demi(anneau5 souds au5

e5trmits du cadre et connect par des balais . une source de courant continu6

*B6 -'est pratiquement le m4me type de commutateur introduit par 2mp3re et utilis par Pi5ii pour transformerle courant alternatif du magnto en courant puls6


39/53

+)

Figure 8& : Le principe du !oteur lectri$ue& 4u oen! o le oen! a#n!iquedu cadre s'ali#ne avec le c$a" a#n!ique de l'aian! "eranen! , la ro!a!ion ducadre es! cense s'arr>!er& .e"endan!, au >e oen!, la ro!a!ion du cou!a!eur

c$an#e le sens du couran! dans la s"ire, donc celui du oen! & our l'ali#ner nouveau dans la direc!ion du c$a" a#n!ique, le cadre doi! !ourner e! le "rocessus se

r"/!e ( larion avel)&

L&I D"INDUCTI&N DE .ARADA5

Lorsqu'on approche ou loigne un aimant permanent d'une bobine

connecte . un galvanom3tre0 l'aiguille du galvanom3tre dvie6 n obtient le

m4me rsultat en dpla>ant la bobine tout en gardant l'aimant fi5e6 "ais si on

maintient la bobine et l'aimant fi5es0 le galvanom3tre indique #ro A l'induction

lectromagntique n'apparaUt que si le champ magntique est variable6

Figure 8) : L'induction lectro!agnti$ue& =n a""roc$an! un aian! "eranen!d'une %o%ine connec!e un #alvano/!re, l'ai#uille de l'ins!ruen! dvie ( larion

avel)&

Le flu5 d'un champ magntique 9 qui traverse une surface ! est donn par

l'e5pression A

SB

=

Le produit scalaire montre que c'est la pro/ection du champ perpendiculaire

. la surface qui est prise en compte*1

6

*16 n peut faire l'analogie avec l'coulement d'un liquide6 Le flu5 de la vitesse . travers une surfacereprsente le dbit0 c'est(.(dire le volume de liquide qui traverse la surface par unit de temps6 !eule lacomposante perpendiculaire sur la surface contribue au flu56


40/53


41/53


42/53


43/53

*+

!ension lec!roo!rice al!erna!ive dans les %o%ines (fi#ure de #auc$e)& =n "ra!ique, onre"lace l'aian! "eranen! "ar un lec!roaian!, qui en#endre un c$a" a#n!ique%ien "lus for! (fi#ure de droi!e)& l es! alien! "ar une source de couran! con!inu, #rXce un collec!eur ro!a!if for de deu %alais #lissan! sur des anneau ( larion avel)&

Pour produire une tension lectrique alternative de &B C#0 spcifique au5

rseau5 lectriques $en urope,0 il faudrait faire tourner l'lectroaimant avec la

m4me frquence0 atteignable si on entraUne le rotor avec une turbine . vapeur

mais pas avec une turbine hydraulique $la vapeur atteignant des vitesses

d'coulement bien suprieures . celles de l'eau,6 8ne solution consiste .

construire des gnrateurs multipolaires A en pla>ant N paires de bobines sur le

stator au lieu dEune seule0 . gale distance et connectes en srie0 on peut

diminuer la vitesse du rotor par le nombre N0 tout en gardant la m4me frquence

du courant induit6 -e type de gnrateur est alors utilis dans les centrales

hydrolectriques6 La figure 21B montre un gnrateur lectrique bipolaire $N@,6

Figure 810 : nrateur lectri$ue ipolaire Le ro!or (au cen!re), cons!i!u d'unlec!roaian! avec deu "aires de %o%ines, indui! des !ensions lec!roo!rices dans lesdeu "aires de %o%ines du s!a!or, connec!es en srie& l suffi! d'une dei0ro!a!ion du

ro!or "our que le couran! al!erna!if effec!ue une "riode co"l/!e, la frquence ducouran! al!erna!if es! donc le dou%le de celle du ro!or ( larion avel)&

LE GNRATEUR TRIP,ASn pratique0 pour transporter l'nergie lectrique . distance0 on utilise le

syst3me triphas0 plus conomique qu'un syst3me monophas6 Le stator du

gnrateur lectrique triphas est form de trois paires de bobines identiques

disposes . [email protected]^0 son rotor0 d'une seule bobine6 Les tensions lectromotrices

induites dans les trois bobines0 appeles tensions de phase0 sont dcales par

des phases de [email protected]^ $@]+ radians, A

)3

4

sin(),3

2

sin(),sin( 000

=== tUUtUUtUU CZBYAX


44/53

**

Figure 811 : nrateur trip/as& Le s!a!or es! cons!i!u de !rois "aires de %o%inesconnec!es en srie deu "ar deu 40, 0Y, .0-& Le ro!or (au cen!re) indui! des !ensionslec!roo!rices dans les %o%ines, a""eles !ensions de "$ase, qui son! dcales de OSHJ(ou S?R radians)& Leur varia!ion dans le !e"s ainsi que leur dia#rae de "$ase son!

re"rsen!s droi!e ( larion avel)&

n pratique0 on n'utilise pas conducteurs pour acheminer l'nergie

lectrique produite par les + paires de bobines6 n les connecte de deu5

mani3res diffrentes0 en toile ou en triangle6

=ans la conne5ion en toile0 on connecte les fins d'enroulement des bobines

$_0 S et Y, . un point qu'on appelle nul6 Les dbuts d'enroulement $20 90 -, ainsi

que le conducteur de nul sont alors branchs . quatre lignes de transmission0 quitransportent l'nergie lectrique . trois consommateurs0 connects . leur tour en

toile $ou triangle,6

Les intensits dans les lignes de transmission sont gales . celles dans les

bobines A elle sont appeles intensits de phase6 n gnral0 les impdances des

consommateurs sont identiques $rseau quilibr,0 les trois intensits de phase

sont alors gales en module et dcales . @]+6 Leur somme0 gale . l'intensit

du conducteur de nul0 est alors #ro6 n peut alors se dispenser du conducteur

de nul0 et en pratique on le relie . la terre6

n revanche0 la tension entre deu5 lignes0 appele tension de ligne0 est

donne par la somme vectorielle . deu5 tensions de phase0 par e5emple

YBAXAB UUU += 6 !on module est alors gal . 3 fois la tension de phase6 n

conclusion0 pour la conne5ion en toile0 IIUU ligneligne == ;3 6


45/53

*&

Figure 812 : 4onnexion en toile (#auc$e) ettriangle (droi!e)& Le consoa!eur es!re"rsen! "ar les i"dances -O, -Se! -R, les li#nes de !ransission son! en "oin!ills&

( larion avel)

=ans la conne5ion en triangle0 on connecte toutes les bobines en srie0 en

/oignant la fin d'enroulement d'une bobine au dbut de la suivante $_ et 90 S et

-0 Y et 2,6 n obtient ainsi trois points que l'on connecte avec trois conducteurspour raliser le syst3me de transmission6 -ette fois(ci0 les tensions de lignes sont

alors gales au5 tensions de phase6 n revanche0 l'intensit de ligne est donne

par la somme vectorielle . deu5 intensits de phase0 par e5emple CZXAA III += 6

!on module est alors gal . 3 fois l'intensit de phase6 n conclusion0 pour la

conne5ion en triangle0 IIUU ligneligne 3; == 6

=ans un rseau quilibr0 les courants de phase qui traversent les bobines

du gnrateur sont donns par les e5pressions suivantes A

)3

4sin(),

3

2sin(),sin( 000

=== tIItIItII CZBYAX

La puissance instantane dveloppe est alors la somme des produits des

tensions et intensits de phase CZCZBYBYAXAX IUIUIUP ++= 0 soit A

)]3

4sin()

3

4sin()

3

2sin()

3

2sin()sin()[sin(00

++= ttttttIUP

et0 en dveloppant chaque produit de fonctions sinus A

])3

82cos()

3

42cos()2[cos(

2

1cos

2

30000

++= tttIUIUP

=ans le deu5i3me terme0 la somme des trois fonctions cosinus est nulle

$chacune tant dcale de @]+ par rapport . l'autre,6 n utilisant les e5pressions

efficaces des tensions et courants de phase0 la puissance instantane s'crit

alors A

cos3 effeffIUP=

-ontrairement au cas des rseau5 monophass0 la puissance instantanedans un rseau triphas quilibr ne dpend plus du temps0 ce qui est tr3s


46/53

*

important dans la pratique6 Produisant ou consommant l'nergie de fa>on

uniforme0 les gnrateurs et les moteurs triphass ne sont plus soumis au5

vibrations qui caractrisent leurs homologues monophass6

8n rseau triphas est galement plus conomique qu'un rseau monophas

en ce qui concerne l'infrastructure de cQbles dploys pour l'acheminement de

l'nergie lectrique6 n rempla>ant les valeurs des tensions et courants de phase

par celle de ligne0 l'e5pression de la puissance lectrique transporte0 aussi bien

pour le rseau toile que triangle0 est A

cos3 ligneligneIUP=

2lors les pertes en ligne dans les trois cQbles0 dues . leur rsistance

lectrique X0 sont donnes par A

22

22

cos

13

ligne

ligneU

PRIR =

!i la m4me puissance est transmise par les deu5 cQbles du rseau

monophas0 *ou$ une m9me ten(ion #e !igne et #*1a(age0 les pertes sont

e5primes par la relation A

22

22

cos

122

ligne

ligneU

PRIR =

Les pertes sont donc deu5 fois plus importantes pour le rseau monophas6

2utrement dit0 en gardant les m4mes pertes en ligne0 on peut choisir dans un

rseau triphas des cQbles deu5 fois plus rsistants lectriquement0 donc deu5

fois plus fins $la rsistance lectrique est inversement proportionnelle . la section

du cQble, que ceu5 d'un rseau monophas6 n consquence0 le poids des trois

cQbles ncessaires pour construire les lignes du rseau triphas est trois quarts

de celui des deu5 cQbles du rseau monophas6

M&TEUR S5NC,R&NE

!i on fait tourner un aimant permanent en forme de fer . cheval autour de

son a5e de symtrie0 plac sur la verticale0 on obtient un champ magntique

tournant dans le plan hori#ontal des pMles6 8ne boussole place dans cet endroit

s'oriente continWment dans le champ magntique0 donc tourne . la m4me vitesse

que l'aimant permanent6


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*;

Figure 813 : rincipe du c/a!p tournant :n aian! "eranen! !ournan! avec unevi!esse an#ulaire Z orien!e en "eranence l'ai#uille de la %oussole, qui !ourne la >evi!esse ( droi!e)& 6i la direc!ion de la %oussole de oen! a#n!ique fai! un an#le

avec le c$a" a#n!ique , il a""ara! un cou"le de forces < qui l'orien!e dans le

direc!ion des li#nes de c$a" ( #auc$e) ( larion avel)&

-e dispositif est . la base des moteurs synchrones0 i! (u33it a!o$( #e

cou*!e$ !"a-e #e !a +ou((o!e *ou$ 3ai$e tou$ne$ un (:(t0me mcanique6

=ans ce cas0 la charge mcanique $le consommateur de lEnergie mcanique

fournie par le moteur,engendre un couple rsistant s'opposant au mouvement

de rotation0 la boussole continue . tourner . la m4me vitesse mais sa direction

n'est plus la m4me que celle du champ magntique tournant6

n effet0 si une boussole de moment magntique fait un angle avec ladirection du champ magntique 90 un couple de force apparaUt A

sinBmM =

qui quilibre le couple rsistant6 Si !e cou*!e augmente; !"ang!e

augmente mai( !a 'ite((e #e $otation $e(te con(tante*&

A c'est pourquoi ce

moteur est dit s*nc$rone6

Pour raliser des champs magntiques tournants0 on utilise plutMt les

syst3mes statiques6 n place deu5 bobines cadres0 leur surface perpendiculaireautour d'un a5e de symtrie commun vertical0 et on les alimente avec deu5

sources de courant alternatif dphases de ]@6 2u milieu du plan hori#ontal0 les

champs magntiques sur les deu5 directions perpendiculaires au5 plans des

cadres sont A

)sin()2

cos(;)cos( 000 tBtBBtBB yx

===

*&6 -ependant0 le couple rsistant doit rester sous une valeur critique $pour laquelle l'angle atteint )B^,0 sinonle champ magntique tournant n'accroche plus la boussole et le fonctionnement du syst3me devient instable6


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*%

n reconnaUt dans ces e5pressions les composantes d'un champ magntique

tournant avec la frquence angulaire Z*

6

Figure 81# : 4/a!p tournant et courant alternati& 2eu %o%ines cadres"er"endiculaires, "arcourues "ar deu couran!s al!erna!ifs d"$ass de ?S, en#endren!

un c$a" a#n!ique rsul!an! !ournan! ( larion avel)&

Pour des applications industrielles0 on remplace les cadres par des bobinesenroules autour des noyau5 de fer0 capables d'engendrer des champs

magntiques plus puissants6 Pour la m4me raison0 l'aimant permanent $la

boussole, est remplac par un lectroaimant0 aliment par une source de tension

continue0 connecte par l'intermdiaire d'un collecteur rotatif6

nfin0 on prf3re au syst3me de champ tournant biphas un syst3me

triphas A trois paires de bobines dcales de [email protected]^0 alimentes par un rseau de

distribution triphas6 n arrive ainsi . un moteur synchrone triphas0pratiquement identique au gnrateur triphas prsent auparavant6 n effet0

c'est une machine lectrique rversible qui peut fonctionner . deu5 rgimes A

moteur ou gnrateur6 8n moteur triphas peut 4tre connect . un gnrateur

triphas par des conne5ions toile ou triangle6 Leur rMle peut 4tre facilement

interverti en fonction de la charge mcanique de rotation6

Figure 81& : oteur lectri$ue s%nc/rone trip/as ipolaire& Le s!a!or dis"ose de!rois "aires de %o%ines dcales OSHJ, carac!ris!iques du s*s!/e !ri"$as, e! qui

*6 Les pro/ections0 sur deu5 a5es perpendiculaires et fi5es0 d'un vecteur tournant avec une vitesse angulaireconstante conduisent naturellement . des fonctions sinus et cosinus6 Xciproquement0 on obtient un vecteurtournant avec une vitesse angulaire constante0 en additionnant les composantes sur les deu5 a5es0 qui varientdans le temps comme des fonctions sinus et cosinus6


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*)

"euven! >!re connec!es en !oile ou en !rian#le au rseau lec!rique& Le ro!or %i"olaire(au cen!re), for de deu "aires de %o%ines "osi!ionnes IHJ, es! alien! en couran!

con!inu "ar un collec!eur ro!a!if& .e o!eur resse%le donc au #nra!eur s*nc$rone!ri"$as (fi#ure 4OO), ces ac$ines lec!riques !an! rversi%les ( larion avel)&

L'avantage du moteur synchrone est sa vitesse de rotation constante0indpendante de la charge mcanique0 dans certaines limites de fonctionnement6

!es inconvnients A son dmarrage compliqu0 qui doit 4tre entraUn par un

moteur au5iliaire afin de le ramener . la vitesse de rotation de synchronisation0

et le risque de comportement instable au cas o: le couple rsistant dpasse la

valeur critique6

Les moteurs synchrones de petite puissance trouvent des applications dans

les domaines o: une vitesse constante de rotation est ncessaire A horloges

lectriques0 bandes de transports des chaUnes de fabrication0 moteurs pour les

robots industriels6 Les moteurs de grande puissance sont utiliss pour la traction

mcanique0 en particulier celui du T7O6 nfin0 la rversibilit le rend

particuli3rement utile pour un usage mi5te dans les barrages hydrauliques A en

mode normal0 il fonctionne comme gnrateur lectrique mais quand l'nergie

lectrique est en e5c3s0 il commute en mode moteur et pompe de l'eau en amont

pour remplir le barrage0 stockant ainsi l'nergie6

M&TEUR AS5NC,R&NE

-ertains inconvnients du moteur synchrone mentionns ci(dessus sont

pallis par le moteur asynchrone0 brevet galement par Tesla*;

6 Les deu5

moteurs lectriques restent nanmoins complmentaires dans leurs utilisations6

!i dans le dispositif e5primental prsent dans la section ddie au moteur

synchrone0 on remplace la boussole par une spire conductrice ferme qui peut

tourner librement autour d'un a5e vertical0 on obtient en effet un moteurasynchrone6

-onformment au principe d'induction0 le champ magntique tournant induit

une tension lectromotrice dans la spire6 =ans cette spire ferme apparaUt alors

un courant lectrique0 qui interagit avec le champ magntique tournant et donne

naissance . un couple de forces qui tend . aligner la spire perpendiculairement

au5 lignes du champ6 n consquence0 la spire tourne autour de son a5e vertical0

mais . une vitesse angulaire plus petite que celle du champ tournant $c'est

*;6 86!6 Patent B0+%@0@;) ( =lec!ro a