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Comment les moteurs dans vos vélos électriques fonctionnent-ils?

Pour continuer notre série éducative sur les principes physiques qui régissent le fonctionnement des vélos électriques, nous aimerions maintenant parler des moteurs à courant continu sans balais qui équipent vos vélos. Sans ceux-ci, des vélos fins et épurés comme le FX et le SIERRA ne pourraient exister.

Le moteur électrique est un convertisseur d’énergie. Il convertit de l’énergie électrique en mouvement mécanique (rotationnel ou translationnel). Il a été inventé par William Sturgeon en 1832, 44 ans avant que Nikolas August Otto crée le premier moteur à essence. Depuis, notre société a pris la direction de l’essence en raison de la plus grande disponibilité et de la plus grande densité énergétique des combustibles fossiles, comme décrit dans notre article précédent.

Premier moteur électrique à courant continu

De nos jours, il existe plusieurs types de moteurs électriques: avec balais, sans balais, à commutation, à bobine et à aimant permanent. La plupart d’entre eux exploitent la forces créée par un champ magnétique et possèdent une sorte de mécanisme interne.

Le plus simple moteur à courant continu possible est fait d’un stator et d’un rotor. Le stator ne bouge pas et est équipé d’aimants. Le rotor est une bobine placée à l’intérieur du stator, à travers laquelle un courant passe. Ce courant génère un champ électromagnétique aligné avec le centre de la bobine. La direction et l’intensité de ce courant détermine la direction et l’intensité du champ magnétique produit par la bobine. L’image suivante représente ce phénomène, avec le courant décrit par la lettre I. Ce système est également appelé un électroaimant car il crée un champ magnétique lorsqu’il est traversé par un courant électrique.

Champ magnétique produit par un courant électrique passant à travers une bobine

Le champ magnétique créé dans le rotor attire et repousse les aimants placés dans le stator (les pôle positifs et les pôle négatifs s’attirent mutuellement). Si rien n’est changé, le rotor pivote d’un maximum de 180 degrés avant de s’arrêter. Pour conserver ce mouvement de rotation, les pôles de l’électroaimant qu’est le rotor doivent être changés. Devinez comment? … En inversant la direction du courant le traversant comme indiqué dans l’animation suivante:

Moteur à courant continu tournant

La question est la suivante, comment changer la direction du courant quand la batterie reste connectée aux mêmes électrodes? Dans les moteurs à balais, des brosses en métaux conducteurs entrent en contact avec le rotor lorsqu’il tourne et inversent la direction du courant le traversant, changeant ainsi sa polarité. Cependant, l’utilisation de brosses ou balais entrant directement en contact avec le rotor crée certains problèmes comme la production de chaleur nécessitant un système de refroidissement plus important, la création d’étincelles, l’usure et par conséquent la limitation de la vitesse maximale possible du moteur.

C’est là qu’interviennent les ordinateurs et l’électronique moderne. Ils nous ont permis de nous débarrasser de ces brosses pour créer des moteurs à courant continu sans balais, ces merveilleux composants qui rendent vos vélos électriques préférés possibles! En pratique, un moteur sans balais est un moteur à balais monté à l’envers. Le rotor est constitué d’aimants permanents placés au centre du moteur tandis que des électroaimants sont placés autour de celui-ci, dans le stator. Un ordinateur, utilisant de puissants transistors, commute alors la polarité de ces électro-aimants qui amènent le rotor à tourner. Ceci a pour conséquence d’améliorer la façon dont l’énergie stockée dans votre batterie est convertie en mouvement, de réduire le besoin de maintenance de votre vélo et de supprimer la limite de vitesse mentionné plus haut.

Brushless DC motor in electric bicycles

L’ordinateur dans votre vélo est appelé un contrôleur et utilise le courant de votre batterie pour commuter les électro-aimants dans le stator de votre moteur.

Nous ésperons que cet article est clair, si vous avez des questions, n’hésitez pas à les poser dans les commentaires!

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