La réponse à la question de savoir pourquoi l'arbre d'un moteur tourne se cache dans l'interaction entre un champ magnétique invisible et le courant électrique qui circule dans ce champ. Ces machines, qui transforment l'énergie électrique en mouvement de rotation mécanique, sont une application pratique des lois de la physique. Dans cet article, nous expliquons pas à pas comment le stator établit le champ magnétique, comment le rotor suit ce champ et quelle est la logique de fonctionnement des différents types de moteurs.

Composants de base : stator et rotor

Chaque moteur électrique est constitué de deux structures principales. Le stator est la partie fixe solidaire du carter et les bobinages en cuivre qui y sont placés sont alimentés par le courant du réseau. Le rotor est quant à lui la pièce qui tourne sur l'arbre. Dans les moteurs asynchrones, les plus répandus dans l'industrie, le rotor est de type à cage d'écureuil : il est formé de barres en aluminium ou en cuivre court-circuitées aux deux extrémités par des anneaux. Cette structure simple et robuste réduit au minimum le besoin d'entretien puisqu'elle ne nécessite pas de balais.

Formation du champ magnétique

Dans un moteur triphasé, trois courants distincts déphasés de 120 degrés les uns par rapport aux autres sont appliqués au stator. Lorsque les champs magnétiques produits par ces courants se combinent, un champ magnétique tournant apparaît à l'intérieur du stator. Ce phénomène est appelé champ magnétique tournant et il est le cœur du moteur asynchrone. La vitesse de rotation du champ est appelée vitesse de synchronisme et dépend de la fréquence du réseau et du nombre de pôles.

Force de Lorentz et couple

Le champ magnétique tournant coupe les barres du rotor et y induit une tension. La cage du rotor étant court-circuitée, cette tension donne immédiatement naissance à un courant. Un conducteur parcouru par un courant placé dans un champ magnétique subit une force ; c'est ce qu'on appelle la force de Lorentz. Cette force produit un couple sur le rotor et le contraint à tourner. Le rotor commence à tourner dans le même sens en cherchant à rattraper le champ tournant du stator.

Relation entre vitesse de synchronisme, pôles et vitesse de rotation

La vitesse de rotation théorique d'un moteur asynchrone est déterminée par le nombre de pôles. Sur un réseau à 50 Hz :

  • moteur à 2 pôles : 3000 tr/min (synchronisme)
  • moteur à 4 pôles : 1500 tr/min
  • moteur à 6 pôles : 1000 tr/min

À mesure que le nombre de pôles augmente, la vitesse diminue et le couple augmente en contrepartie. C'est pourquoi les pompes et ventilateurs à haute vitesse font appel à 2 pôles, tandis que les convoyeurs et systèmes de levage à couple élevé font appel à des moteurs à 4 ou 6 pôles.

Qu'est-ce que le glissement (slip) ?

Dans les moteurs asynchrones, le rotor n'atteint jamais tout à fait la vitesse de synchronisme. S'il l'atteignait, il ne subsisterait aucun mouvement relatif entre le champ magnétique et le rotor, il n'y aurait pas d'induction et aucun couple ne pourrait être produit. Cet écart entre la vitesse de synchronisme et la vitesse réelle du rotor est appelé glissement (slip). Sur un moteur typique, le glissement se situe entre 2 et 5 pour cent ; ainsi, un moteur dont la vitesse de synchronisme est de 1500 tr/min tourne en charge à environ 1440-1470 tr/min. Plus la charge augmente, plus le glissement augmente et plus le moteur produit de couple.

Que se passe-t-il au moment du démarrage ?

À l'instant où le moteur est mis sous tension pour la première fois, le rotor est encore à l'arrêt et la vitesse relative entre le champ magnétique et le rotor est à son niveau le plus élevé. C'est pourquoi le courant induit dans le rotor au moment du démarrage est très important ; le courant de démarrage appelé au stator peut atteindre jusqu'à cinq à sept fois le courant nominal. À mesure que le rotor accélère, la vitesse relative diminue et le courant appelé retombe rapidement à sa valeur normale. Comme ce comportement provoque une charge brutale sur le réseau dans le cas des moteurs à démarrage direct, le courant de démarrage est limité pour les fortes puissances par un démarrage étoile-triangle ou par l'utilisation d'un démarreur progressif.

Différence entre les moteurs AC et DC

Dans les moteurs à courant alternatif (AC), le changement de sens du champ se produit naturellement à la fréquence du réseau ; c'est pourquoi les moteurs AC à cage d'écureuil sont extrêmement robustes et sans entretien. Dans les moteurs à courant continu (DC), le sens du courant est en revanche inversé mécaniquement par un système de collecteur et de balais. Bien que les moteurs DC soient utilisés là où un contrôle précis de la vitesse est nécessaire, l'usure des balais impose un entretien régulier. Dans la grande majorité des applications industrielles, ce sont les moteurs asynchrones AC qui sont retenus.

Facteurs déterminant le rendement

La part de l'énergie d'un moteur qui se transforme en mouvement de rotation et celle qui part en chaleur se mesurent par le rendement. La résistance des bobinages, la qualité magnétique du paquet de tôles, la précision de l'entrefer et les pertes mécaniques par frottement influencent le rendement. La norme IEC 60034-30-1 classe les moteurs de IE1 à IE5 ; plus la classe est élevée, plus les pertes diminuent. Un variateur de fréquence permet de régler la vitesse du moteur en continu, ce qui apporte une économie d'énergie supplémentaire dans les applications à charge variable.

Échauffement, refroidissement et régime de fonctionnement

Comme les pertes du moteur se transforment en chaleur, il faut éviter que les bobinages ne s'échauffent excessivement. La plupart des moteurs standard sont refroidis par un ventilateur en bout d'arbre qui souffle de l'air sur les ailettes du carter ; cette méthode est connue sous le nom de structure auto-ventilée. La température que peut supporter l'isolation du bobinage est définie par la classe d'isolation ; l'isolation de classe F est une classe couramment utilisée qui offre une large marge de sécurité. La durée pendant laquelle le moteur peut rester en charge est quant à elle définie par le régime de fonctionnement. Le régime S1 désigne le régime continu dans lequel le moteur peut fonctionner à pleine charge sans interruption ; dans les applications à charge intermittente ou de courte durée, d'autres définitions de régime sont utilisées. Lorsque le régime de fonctionnement n'est pas correctement choisi, le moteur s'échauffe plus que nécessaire et sa durée de vie peut s'en trouver réduite.

Que nous disent les valeurs de la plaque du moteur ?

La façon pratique de comprendre le fonctionnement d'un moteur est de lire la plaque signalétique apposée sur son carter. Les valeurs qui y figurent expliquent directement le comportement du moteur. La puissance (kW) indique la puissance mécanique que l'arbre peut fournir, la vitesse (tr/min) la vitesse de rotation réelle en charge, la tension et le courant l'alimentation électrique. Le cos φ (facteur de puissance) est la mesure de la puissance réactive que le moteur appelle sur le réseau ; le rendement (%) et la classe IE indiquent quant à eux la performance énergétique. L'isolation de classe F exprime la température que peut supporter le bobinage et l'IP55 la protection contre la poussière et l'eau. Savoir lire la plaque est la première étape pour choisir le bon moteur.

Distinction entre moteurs synchrones et asynchrones

Le fonctionnement fondé sur le glissement décrit jusqu'ici est propre aux moteurs asynchrones (à induction). Dans les moteurs synchrones, le rotor suit en revanche exactement le champ magnétique tournant sans glissement ; la vitesse du rotor est donc égale à la vitesse de synchronisme. Cette structure est généralement obtenue en plaçant sur le rotor un aimant permanent ou un bobinage d'excitation séparé. Comme les moteurs synchrones offrent un rendement élevé et une stabilité de vitesse précise, ils se distinguent dans les applications où la vitesse doit rester constante même en charge. En revanche, les moteurs asynchrones à cage d'écureuil restent la solution la plus répandue dans l'industrie grâce à leur structure simple, leur faible coût et leur conception pratiquement sans entretien. Le choix du type dépend de la sensibilité en vitesse et des attentes de rendement de l'application.

De la physique au terrain

Comme on le voit, le fonctionnement du moteur électrique repose sur un principe physique aussi simple que l'interaction entre un champ magnétique et un courant ; mais ce principe constitue la base d'innombrables machines, du convoyeur à la pompe, de l'ascenseur au compresseur. Choisir le bon nombre de pôles, la bonne puissance et la bonne classe de rendement détermine directement à la fois la performance et le coût d'exploitation. Chez DRG Motor, nous approvisionnons sur stock des moteurs asynchrones de différentes vitesses et puissances et nous apportons un support technique pour un choix adapté à votre application.