Comment les tôles d'acier au silicium à faibles pertes influencent-elles le rendement du moteur ?

Le rôle des tôles d'acier au silicium dans le rendement

Lorsque l'on énumère les éléments qui déterminent le rendement d'un moteur électrique, ce qui vient d'abord à l'esprit est le plus souvent la qualité du bobinage ou la taille du moteur. Pourtant le paquet de tôles qui constitue le cœur magnétique du moteur, c'est-à-dire les fines tôles d'acier dont sont faits le stator et le rotor, a peut-être l'effet le plus déterminant sur le rendement. Le matériau, l'épaisseur et le revêtement de ces tôles fixent directement la quantité d'énergie que le moteur gaspille. DRG Motor explique en détail dans cet article comment les tôles d'acier au silicium à faibles pertes élèvent le rendement de nos moteurs asynchrones de classe de rendement IE3/IE4/IE5, comment naissent les pertes du noyau et pourquoi le choix de tôles de qualité est si important.

Qu'est-ce que le paquet de tôles et à quoi sert-il ?

Le stator et le rotor d'un moteur asynchrone ne sont pas en métal moulé d'une seule pièce. Ils sont faits d'un paquet obtenu en pressant les unes sur les autres de fines tôles d'acier. On appelle ces tôles le paquet de tôles ou le noyau. Le champ magnétique créé par les bobinages se concentre dans ce noyau d'acier et est transmis au rotor.

Le rôle du noyau est de transporter le champ magnétique avec le moins de pertes possible et à la plus haute densité. L'acier convient très bien à cette tâche, car il conduit le champ magnétique bien mieux que l'air ou le plastique. Mais en transportant le champ magnétique, l'acier produit en même temps deux types de pertes, et le principal combat de l'ingénierie des moteurs consiste justement à réduire ces pertes. Vous trouverez la logique de fonctionnement de base des moteurs dans notre contenu qu'est-ce qu'un moteur électrique.

Pertes du noyau : deux ennemis issus du fer

Les pertes qui apparaissent dans le paquet de tôles s'appellent pertes du noyau ou pertes fer. Ces pertes apparaissent dès que le moteur est mis sous tension, même s'il ne tire aucune charge, et se transforment en permanence en chaleur. Les pertes du noyau naissent de deux mécanismes principaux : la perte par hystérésis et la perte par courants de Foucault. Comprendre ces deux mécanismes est la clé pour saisir pourquoi certaines tôles sont bien plus performantes que d'autres.

Si vous souhaitez examiner l'ensemble des pertes d'un moteur, notre contenu pertes de rendement du moteur électrique traite le sujet dans un cadre plus large.

Qu'est-ce que la perte par hystérésis ?

Lorsque l'acier est soumis à un champ magnétique, les domaines magnétiques qu'il contient s'orientent selon ce champ. Quand le champ change de sens, ces domaines doivent se réorienter. Dans un moteur alimenté en courant alternatif, le champ magnétique change de sens des dizaines de fois par seconde, si bien que cette réorientation se répète en permanence.

À chaque changement de sens, une certaine quantité d'énergie est dépensée pour réaligner les domaines magnétiques, et cette énergie est perdue sous forme de chaleur. C'est cette perte que l'on appelle perte par hystérésis. Le moyen de réduire la perte par hystérésis est d'utiliser un acier spécial dans lequel les domaines magnétiques s'orientent plus facilement ; c'est exactement là qu'intervient l'ajout de silicium.

Qu'est-ce que la perte par courants de Foucault ?

Le champ magnétique variable induit une tension non seulement dans le bobinage, mais aussi dans le noyau d'acier lui-même. L'acier étant un matériau conducteur, cette tension induite fait circuler de petits courants circulaires à l'intérieur du noyau. On appelle ces courants indésirables courants de Foucault.

En circulant à l'intérieur du noyau, les courants de Foucault se heurtent à la résistance de l'acier et créent une perte d'énergie en se transformant en chaleur. Plus ces courants sont importants, plus la perte est élevée. Il existe deux moyens fondamentaux de réduire la perte par courants de Foucault : augmenter la résistance électrique de l'acier et rétrécir le chemin parcouru par les courants. Tous deux constituent la base de la conception des tôles.

Pourquoi ajoute-t-on du silicium ?

Utiliser un acier allié au silicium plutôt qu'un acier pur présente deux grands avantages. Premièrement, le silicium augmente sensiblement la résistance électrique de l'acier. Plus la résistance augmente, plus les courants de Foucault circulent difficilement et plus la perte par courants de Foucault diminue. Deuxièmement, le silicium améliore les propriétés magnétiques de l'acier et abaisse aussi la perte par hystérésis.

C'est pourquoi on utilise dans les noyaux de moteur non pas de l'acier pur, mais un acier électrique au silicium spécialement préparé. La teneur en silicium est réglée avec soin, car un excès de silicium rend l'acier fragile et difficile à travailler. La bonne composition atteint le meilleur équilibre entre faibles pertes et facilité de fabrication. Cet équilibre est une décision d'ingénierie qui exige de l'expérience et un choix de matériau correct ; tout choix excessif augmente soit la perte, soit la difficulté de fabrication.

Tôle mince feuilletée : l'importance de l'épaisseur

L'un des moyens les plus efficaces de réduire la perte par courants de Foucault est de constituer le noyau de tôles minces au lieu d'une seule pièce. Plus les tôles sont minces, plus le chemin des courants de Foucault qui peuvent y circuler est étroit et plus ces courants s'affaiblissent. C'est pourquoi, dans les moteurs de qualité, le noyau est formé d'un grand nombre de tôles minces isolées les unes des autres.

Les tôles épaisses sont moins chères et plus faciles à produire, mais la perte par courants de Foucault y est élevée. Les tôles minces, même si leur fabrication est plus laborieuse, abaissent nettement la perte. C'est pourquoi l'épaisseur des tôles est l'une des décisions de conception les plus importantes qui déterminent la classe de rendement d'un moteur. Dans les moteurs visant un rendement élevé, on préfère des tôles plus minces. L'utilisation de tôles minces exige davantage de couches de tôle, un pressage plus précis et une main-d'œuvre plus attentive en production ; cela explique pourquoi la fabrication des moteurs à haut rendement est un processus plus rigoureux.

Revêtement isolant : séparer les tôles

Pour que les tôles minces puissent réduire les courants de Foucault, une condition est nécessaire : les tôles doivent être isolées électriquement les unes des autres. Si les tôles se touchent et établissent un contact électrique, les courants de Foucault circulent dans tout le paquet comme s'il s'agissait d'un bloc épais et l'avantage des tôles minces disparaît.

C'est pourquoi chaque tôle est recouverte d'une fine couche isolante. Ce revêtement empêche le passage du courant entre les tôles et fait de chaque tôle un chemin magnétique distinct. Un revêtement de qualité et correctement appliqué révèle pleinement l'avantage de rendement de la conception en tôles minces. La dégradation ou l'endommagement du revêtement augmente la perte et rend le moteur moins performant que prévu.

Effet de la qualité des tôles sur la classe de rendement IE

La classe de rendement d'un moteur est directement liée aux pertes du noyau. Entre deux moteurs de conception identique, celui qui utilise des tôles à plus faibles pertes est toujours plus performant. Passer d'un moteur de classe IE3 à la classe IE4 ou IE5 passe largement par la réduction des pertes du noyau.

Pour atteindre les classes de rendement supérieures, le fabricant utilise des tôles plus minces, plus riches en silicium et mieux revêtues. Cela abaisse l'énergie que le moteur consomme même à vide et élève le rendement total. Lire la classe IE sur la plaque du moteur, c'est en réalité voir un résumé de ce niveau de pertes. Pour la contribution des moteurs performants à l'exploitation, vous pouvez aussi consulter notre contenu moteurs électriques à haut rendement.

La perte du noyau existe même à vide

La caractéristique la plus importante des pertes du noyau est qu'elles existent même si le moteur ne tire aucune charge. Lorsque le moteur est simplement raccordé au réseau, même s'il ne fait aucun travail, les pertes du noyau se transforment en permanence en chaleur. Cette charge se répercute sans interruption sur la facture des moteurs qui tournent de longues heures avec une charge variable.

Dans un moteur qui passe beaucoup de temps à faible charge, les pertes du noyau constituent une part importante de la consommation totale. C'est pourquoi une tôle à faibles pertes fait économiser non seulement à pleine charge, mais sur toute la plage de fonctionnement du moteur. Cette continuité rend l'investissement dans des tôles de qualité largement rentable à long terme. Comme les moteurs tournent la plus grande partie de la journée dans la plupart des entreprises, même une petite amélioration de la perte du noyau se traduit par une économie d'énergie notable sur le total annuel.

Relation entre la qualité des tôles et l'échauffement

Comme les pertes du noyau se transforment en chaleur, un moteur qui utilise des tôles de qualité chauffe moins. Une température de fonctionnement plus basse allonge la durée de vie de l'isolation du bobinage et augmente la robustesse générale du moteur. Autrement dit, une tôle à faibles pertes influe directement non seulement sur la facture d'électricité, mais aussi sur la durée de vie du moteur.

Un moteur qui fonctionne plus frais est en même temps plus silencieux et son besoin de maintenance diminue. Car la chaleur est le pire ennemi de l'isolation comme des graisses ; plus la température baisse, plus ces matériaux remplissent longtemps leur rôle. C'est pourquoi la qualité des tôles est un élément de conception global qui influe en même temps sur plusieurs bénéfices : rendement, durée de vie et confort. La classe d'isolation considérée en même temps permet de mieux comprendre à quel point le comportement thermique du moteur est intégré.

Le rôle du processus de fabrication

Choisir le bon matériau ne suffit pas à lui seul ; la manière dont les tôles sont travaillées influe aussi sur la perte. Les contraintes mécaniques créées lors de la découpe et du pressage des tôles peuvent dégrader les propriétés magnétiques sur les bords et augmenter la perte. Un processus de fabrication soigné réduit au minimum ces effets négatifs.

Un alignement correct des tôles, un pressage serré du paquet et un revêtement intact permettent au potentiel de faibles pertes offert par le matériau de se réaliser pleinement. C'est pourquoi le véritable avantage de rendement apparaît lorsque des tôles de qualité et une fabrication de qualité vont de pair.

Équilibre entre coût et valeur

La tôle au silicium à faibles pertes est plus chère que la tôle standard, et cela se répercute sur le prix initial des moteurs de classe de rendement supérieure. Mais cet écart est récupéré rapidement grâce à l'économie d'énergie réalisée pendant toute la durée de vie du moteur. Sur les moteurs de forte puissance fonctionnant en continu en particulier, l'économie apportée par une tôle de qualité dépasse largement l'écart de coût initial.

C'est pourquoi, dans le choix d'un moteur, il faut regarder non seulement le prix affiché, mais le coût total de possession. La tôle à faibles pertes est le choix le plus rentable à long terme. Le prix d'achat d'un moteur ne représente généralement qu'une petite part du coût total du cycle de vie ; le poste le plus important est l'électricité que le moteur consomme au fil des années. C'est pourquoi un écart de rendement de quelques points peut, sur un moteur fonctionnant en continu, se transformer avec le temps en une économie bien supérieure au prix d'achat. Pour prendre la bonne décision, il faut évaluer ensemble la durée de fonctionnement quotidienne du moteur et le prix unitaire de l'électricité.

Le rendement est le résultat d'un ensemble

La tôle à faibles pertes n'est pas le seul déterminant du rendement d'un moteur, mais elle en est l'une des pierres les plus fondamentales. Le rendement total d'un moteur résulte de la somme de nombreuses composantes : pertes du noyau, pertes cuivre dans le bobinage, pertes par frottement et par ventilation. Réduire chacune de ces pertes demande un effort de conception distinct. Mais comme la perte du noyau existe en permanence dès l'instant où le moteur est mis sous tension, c'est l'un des premiers postes sur lesquels il faut se pencher. Lorsque la qualité du bobinage en cuivre du côté du bobinage et la qualité des tôles du côté du noyau sont améliorées ensemble, le moteur peut atteindre la classe de rendement la plus élevée. Autrement dit, le véritable rendement est le résultat de l'assemblage harmonieux de chaque détail, du matériau à la main-d'œuvre.

Densité magnétique et saturation

Une tôle d'acier transporte le champ magnétique de manière efficace jusqu'à un certain point. Mais lorsque le champ devient très élevé, l'acier approche de son point de saturation ; au-delà de ce point, il faut beaucoup plus d'énergie pour la même augmentation de champ et les pertes croissent rapidement. Une tôle au silicium de qualité reste performante jusqu'à des densités magnétiques plus élevées et retarde les pertes liées à la saturation. Cela signifie que le moteur peut produire plus de couple à taille égale, ou fournir le même couple avec moins de pertes. Le comportement à la saturation est un critère important qui montre la qualité du matériau des tôles et influe directement sur la densité de puissance du moteur.

Effet de la fréquence sur la perte du noyau

Les pertes du noyau dépendent de la fréquence à laquelle le champ magnétique change de sens, c'est-à-dire de la fréquence. Lorsque la fréquence augmente, les pertes par hystérésis comme par courants de Foucault croissent ; la perte par courants de Foucault augmente en particulier beaucoup plus vite avec la fréquence. C'est pourquoi, dans les applications à vitesse variable, c'est-à-dire lorsque le moteur est entraîné à des fréquences élevées par un variateur de fréquence, la tôle à faibles pertes devient encore plus critique. Un noyau finement feuilleté et à résistance élevée permet de garder les pertes sous contrôle à fréquences élevées. C'est pourquoi, dans les systèmes modernes à variateur, la qualité des tôles exige un choix plus strict que dans les applications à vitesse fixe.

Le noyau du stator et celui du rotor sont pensés ensemble

Les pertes du noyau apparaissent non seulement dans le stator, mais aussi dans le rotor. Alors que les pertes du stator sont marquées à la fréquence d'alimentation, celles du rotor apparaissent autrement, en fonction de la fréquence de glissement. Une conception de moteur performante traite ensemble le noyau du stator et celui du rotor et évalue le bénéfice apporté par l'utilisation de tôles à faibles pertes dans les deux. Le fonctionnement harmonieux des deux noyaux permet une transmission propre et efficace du champ magnétique dans l'entrefer. Cette approche globale crée dans le rendement total du moteur une amélioration supérieure à la somme des composantes prises une à une.

Une composante invisible mais déterminante

En examinant un moteur de l'extérieur, vous ne pouvez pas voir le paquet de tôles ; il est caché à l'intérieur du carter, sous les bobinages. C'est pourquoi la qualité des tôles est le plus souvent négligée lors de la décision d'achat. Pourtant, c'est précisément cette composante invisible qui détermine une part importante de l'énergie que le moteur consommera pendant toute sa vie. Deux moteurs peuvent sembler identiques de l'extérieur, avoir la même puissance et la même vitesse ; mais si les tôles qu'ils contiennent sont différentes, leurs consommations d'énergie divergent sérieusement au fil des années. C'est pourquoi un acheteur éclairé ne regarde pas seulement les caractéristiques extérieures, mais aussi la classe de rendement du moteur et la qualité du noyau qui la soutient.

Avec DRG Motor : un noyau performant, une facture réduite

Les tôles d'acier au silicium à faibles pertes sont l'élément qui influe le plus profondément sur le rendement d'un moteur tout en restant invisible de l'extérieur. DRG Motor propose ses moteurs asynchrones de classe de rendement IE3/IE4/IE5 avec une structure de noyau à faibles pertes et une fabrication soignée. Pour déterminer la classe de rendement la plus adaptée à la réduction de la facture énergétique de votre entreprise, vous pouvez consulter nos produits de moteurs électriques et contacter notre équipe technique via drgmotor.com. Pour approfondir le sujet du rendement, vous pouvez aussi lire nos contenus moteurs électriques à haut rendement et moteurs électriques industriels.