Banc d'essai des micro-moteurs : Frottement fil/poulie + balance

Banc d'essai

Frottement fil/poulie + balance

servant à déterminer les caractéristiques
des micro-moteurs électriques

1 - Objectif :

Comme il a été dit dans l'introduction, au paragraphe 3, il arrive souvent que l'on ne dispose pas des courbes caractéristiques nécessaires au dimensionnement du système étudié. Il faut alors les déterminer nous-même. Pour cela, on utilise un banc d'essai. A ce jour, nous avons réalisé trois types de banc dont celui appelé "Frottement fil/poulie + balance" qui vous est présenté ici.

2 - Problème posé :

La principale difficulté, dans la réalisation d'un banc, est de mesurer le couple. Les micro-moteurs que nous étudions ont des couples dont l'ordre de grandeur est le mNm (10^-3N.m). Il faut donc, si l'on veut mesurer directement le couple au niveau du moteur, ce qui est le cas ici, utliser des systèmes qui ne perturbent pas la valeur à mesurer. Nous avons également cherché à trouver un système simple, qui puisse être très facilement abordé par les élèves.

3 - Schéma de principe :

Principe utilisé pour charger le moteur et mesurer le couple :

     On accroche un fil au petit levier fixé sur l'aiguille, on le fait passer sur la partie supérieure de la poulie (dans une gorge en V) et on y suspend une masse : par exemple 1 gramme.
     Si le moteur ne tourne pas, l'aiguille de la balance indique alors 1g elle aussi : les forces P = m₁.g et B = m₂.g s'équilibrent de chaque côté de la poulie.

     Mais si le moteur tourne comme sur le schéma, l'aiguille indique une valeur supérieure : par exemple 2,5g. C'est le frottement qui en est responsable. La résultante F des actions de frottement de la poulie sur le fil vient s'ajouter à la force P : on a P + F = B. On peut donc facilement connaître F en faisant la soustraction :
     F = B - P = (m₂ - m₁ ) . g

     Connaissant le rayon de la poulie R, on en déduit le couple exercé sur l'arbre du moteur :
     Cm = F . R

Encoches et fourche optique

Principe utilisé pour mesurer la fréquence de rotation :

La poulie comporte un épaulement dans lequel deux encoches ont été réalisées. Une fourche optique vient détecter le passage de ces encoches et une partie électronique (avec microcontrôleur) permet d'obtenir directement sur un afficheur à cristaux liquides le nombre de tours par minutes.

4 - Questions posées :

On peut à ce niveau se poser un certain nombre de questions :

Comment la balance a-t-elle été étalonnée ? Comment peut-on obtenir cette valeur en grammes qui correspond à la masse qu'il aurait fallu suspendre à droite pour qu'elle équilibre celle de gauche et les actons de frottement ? La graduation ne sera à l'évidence pas linéaire...
La nature du fil a-t-elle une importance ? Que se passe-t-il si l'on met un fil de coefficient de frottement différent ou si ce coefficient varie dans le temps, quand par exemple le fil s'use ?
Le système va-t-il être stable ? L'aiguille risque d'osciller en permanence rendant la mesure très difficile...
Comment adapter un autre moteur, de dimensions différentes ?

5 - Avantages du procédé :

L'avantage principal est que l'on ne perturbe pas le moteur en faisant la mesure : la poulie est directement montée sur l'arbre moteur (pas de réducteur comme dans le banc d'essai "ascenseur") et la poulie n'est en contact avec rien d'autre que le fil. Il y a un peu de frottements dû à l'air, mais on peut les négliger. Il n'y a donc pas d'hypothèse à faire, en particulier sur des rendements.

Ensuite, les manipulations sont simples et l'élève peut facilement comprendre et voir ce qu'il fait (pas de "boîte" noire). Enfin, le moteur peut aisément être testé sur toute la plage des couples, il suffit pour cela de dimensionner correctement la balance (poids de l'aiguille).

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