Le rendement des moteurs électriques :

Lorsqu'on déplace un aimant à proximité d'une bobine de fil conducteur on constate qu'une tension est générée aux bornes de la bobine.Cette tension est d'autant plus élevée que la vitesse de l'aimant est élevée et que sa distance par rapport à la bobine est faible.

Inversement si l'on place un aimant à proximité d'une bobine parcourue par un courant, l'aimant est soumis à une force qui est d'autant plus élevée que le courant est fort et que l'aimant est proche de la bobine.

Le moteur électrique est constitué d'un aimant solidaire d'une roue et d'une bobine fixe parcourue par un courant généré par une batterie commutée de telle sorte que le courant se coupe ou change de signe au moment où l'aimant passe devant la bobine.

Autrefois l'interrupteur était mécanique, avec des balais en carbone conducteur frottant sur des lamelles de cuivre isolées entre elles.Aujourd'hui le courant alternatif est généré dans la bobine par des oscillateurs électroniques qui peuvent pour le démarrage se synchroniser sur la position de l'aimant par des détecteurs de position sans contact .

Au fur et à mesure que la vitesse de rotation du moteur augmente, la tension contre-électromotrice augmente et s'oppose à la tension de la batterie pour diminuer ainsi la puissance électrique consommée, le couple mécanique diminue comme le courant débité par la batterie, mais comme la vitesse de rotation augmente, la puissance mécanique, qui est le produit du couple par la vitesse de rotation, commence par augmenter, passe par un maximum et finit par s'annuler au moment où la tension contre-électromotrice est égale et opposée à la tension de la batterie, pour au-delà lui devenir supérieure, c'est à dire que le "moteur" devient un "générateur" qui recharge la batterie mais consomme de la puissance mécanique en jouant le rôle de frein.

Le rendement, qui est le rapport entre la puissance mécanique du moteur et la puissance électrique consommée, augmente d'abord proportionnellement à la vitesse de rotation, pour s'effondrer brutalement lorsque le moteur passe en mode frein.

Tant que la vitesse de rotation du moteur est trop faible pour qu'il ait un bon rendement la différence entre la puissance électrique consommée et la puissance mécanique délivrée est gaspillée en chaleur dans les résistances de la bobine et dans le métal de l'aimant.

En fonctionnement en génératrice le moteur délivre un courant et une puissance électrique qui est proportinnelle au supplément de vitesse de rotation par rapport à celle qui délivre la tension nominale de la batterie.Une partie de cette puissance électrique est transformée en énergie chimique et l'autre en chaleur, la puissance mécanique dépasse la puissance électrique en raison des frottements mecaniques qui dissipent également de la chaleur.

Dans la zone optimale, c'est à dire un peu en-dessous de la vitesse de transition pour le fonctionnement en moteur et un peu au-dessus en fonctionnement génératrice les rendements (puissance mécanique fournie / puissance électrique consommée ou puissance chimique reconstituée/puissance mécanique consommée) sont de l'ordre de 0.8 à 0.9 pour les meilleurs moteurs, mais ils se dégradent rapidement pour les vitesses faibles en moteur et les vitesses fortes en génératrices (le dimensionnement de la batterie ne permet pas d'accepter des courants de charge et des tensions de charge trop élevés).

Si le moteur électrique est capable de fonctionner par lui-même à toute vitesse il a cependant des plages de vitesse préférentielles , proches de la vitesse de transition entre consommateur ou producteur de courant, et pour lesquelles le rendement est proche de l'unité et les courants débités ou absorbés par la batterie sont les plus faibles.



En théorie c'est à la vitesse de transition que le rendement serait le meilleur, mais on n'a pas intérêt à fonctionner à cette vitesse, puisque les puissances y sont nulles , et les puissances de frottement dont on n'a pas tenu compte prennent alors une importance qui fait chuter le rendement théorique à zéro. En pratique on doit chercher à fonctionner entre la zone de puissance maximale et la zone de rendement optimal, que ce soit en mode moteur ou en mode génératrice.

Le variateur de vitesse électronique revient à ne laisser passer le courant dans le moteur que pendant une partie du temps ( hacheur ) : pendant la même durée on consommera moins de puissance électrique et on recevra moins de puissance mécanique qu'en fonctionnement continu, mais le rapport de rendement restera le même et tout aussi dépendant de la vitesse de rotation du moteur.

Exemple du moteur crystalyte v48 : (26""x0.254xpi = 2 m)
-------- (!x2!) -------- mécanique ------électrique
Amps -- N.M.--- -Rpm -- Watt--- %--- ampx48----km/h =(2xrpmx60/1000)
6-------7.9---- 439------182.0----63.2----288---- 52
8 ------ 12.3 ---427-----236.0----81.9----384-----51
10 ----- 16.4 -- 411-----358.1----84.6----480-----49
12 ----- 20.6-- 406-----438.9----76.2----576-----49
14----- 25.5 -- 396-----529.5----78.8----672-----48
16 ----- 30.3 -- 392----629.8----82-------768----47
18----- 33.9--- 386----635.2-----79.3----816-----46
20----- 33.6--- 375----739.2-----77------864-----45
22 ----- 41.8--- 366----802.6-----76------912-----44
24 ----- 45.8--- 356----812.5-----74------960-----42