La différence entre le moteur asynchrone à cage d'écureuil et à bagues

Les moteurs asynchrones se divisent fondamentalement en deux grands groupes selon la structure de leur rotor : rotor à cage d'écureuil (à barres court-circuitées) et rotor à bagues (rotor bobiné). Vus de l'extérieur, ces deux types de moteurs se ressemblent, mais ils sont très différents par la structure interne du rotor et donc par le comportement au démarrage, la possibilité de commande, le coût et la maintenance. Pour pouvoir faire le bon choix de moteur, il faut savoir clairement comment fonctionnent ces deux types de rotor, quels sont leurs avantages et inconvénients et lequel convient à quelle application. Dans cet article, nous traitons les deux types de rotor de manière comparative. Pour les notions de base, notre article qu'est-ce qu'un moteur électrique est un bon point de départ.

Le rôle du rotor dans le moteur asynchrone

Dans un moteur asynchrone, le stator produit le champ magnétique tournant ; le rotor, quant à lui, produit du couple grâce au courant induit par ce champ. La structure du stator est pratiquement la même dans les deux types de moteurs. La différence réelle se situe au niveau du rotor. La façon dont le rotor est réalisé détermine le couple de démarrage du moteur, son courant de démarrage, sa capacité de réglage de vitesse et son besoin de maintenance. C'est pourquoi la question « à cage d'écureuil ou à bagues ? » est en réalité une réponse apportée aux exigences de démarrage et de commande d'une application.

Qu'est-ce qu'un rotor à cage d'écureuil ?

Le rotor à cage d'écureuil tire son nom de sa structure : des barres en aluminium ou en cuivre placées dans les encoches du noyau du rotor sont reliées par des anneaux de court-circuit aux deux extrémités et forment une cage rappelant une cage d'écureuil. Ces barres ne possèdent aucune liaison vers l'extérieur ; le courant rotorique se forme entièrement par induction. Sa structure est simple, robuste et sans balais. Cette simplicité fait du moteur à cage d'écureuil le type de moteur électrique le plus répandu, le moins cher et celui qui exige le moins de maintenance. Dans l'industrie, la grande majorité des applications de moteur électrique triphasé utilisent des moteurs à cage d'écureuil.

Qu'est-ce qu'un moteur à bagues (rotor bobiné) ?

Dans le moteur à bagues, le rotor possède un bobinage triphasé, de manière similaire au stator. Les extrémités de ce bobinage sont raccordées à des bagues (slip rings) placées sur l'arbre du rotor. Par l'intermédiaire de balais, on accède à ces bagues depuis l'extérieur et des résistances externes peuvent être raccordées au circuit rotorique. C'est de là que vient tout l'avantage du moteur à bagues : en ajoutant une résistance au circuit rotorique, il est possible d'augmenter le couple de démarrage, de limiter le courant de démarrage et de réaliser un réglage de vitesse limité. Cette souplesse se paie par une structure plus complexe et une maintenance plus importante.

Le principe de fonctionnement des deux types de rotor

Dans les deux moteurs, le principe de base est le même : le stator produit le champ tournant, un courant est induit dans le rotor et un couple apparaît. La différence réside dans le fait que le circuit rotorique soit accessible ou non. Dans le rotor à cage d'écureuil, le circuit est court-circuité de façon permanente et aucune intervention extérieure n'est possible. Dans le rotor à bagues en revanche, le circuit est ouvert vers l'extérieur ; on obtient ainsi, en raccordant une résistance élevée pendant le démarrage, un couple de démarrage élevé et un courant de démarrage faible, puis la résistance est réduite progressivement à mesure que le moteur accélère. Pour mieux comprendre la relation entre le glissement et le couple, vous pouvez lire notre article le glissement dans le moteur asynchrone.

Tableau comparatif des moteurs à cage d'écureuil et à bagues

Le tableau ci-dessous compare côte à côte les deux types de rotor selon les critères les plus déterminants. Ce tableau peut servir de référence rapide dans votre décision de choix de moteur.

La différence du point de vue du couple de démarrage

Le moteur à cage d'écureuil produit un couple de démarrage moyen lorsqu'il est démarré en direct. Dans le moteur à bagues en revanche, grâce à la résistance ajoutée au circuit rotorique, le couple de démarrage peut être augmenté de façon notable ; le couple maximal peut même être décalé jusqu'à l'instant même du démarrage. Cela rend le moteur à bagues avantageux dans les systèmes à fort moment d'inertie ou devant démarrer en charge (par exemple des convoyeurs chargés, des broyeurs). Pour les applications de levage exigeant un couple de démarrage élevé, notre article moteur électrique de grue et de levage approfondit le sujet.

Courant de démarrage et effet sur le réseau

Le plus grand inconvénient du moteur à cage d'écureuil est qu'il appelle un courant de démarrage très élevé en démarrage direct ; ce courant peut atteindre 5 à 7 fois le courant nominal et provoque une chute de tension sur le réseau. C'est pourquoi, sur les gros moteurs à cage d'écureuil, on utilise le démarrage étoile-triangle, un démarreur progressif ou un variateur de fréquence. Le moteur à bagues, lui, limite naturellement le courant de démarrage grâce à la résistance rotorique ; c'est un atout important sur les réseaux faibles ou pour les très fortes puissances. Concernant les méthodes de démarrage progressif, vous pouvez consulter notre article les avantages du démarrage progressif.

Comparaison du réglage de vitesse

Dans le moteur à cage d'écureuil, la vitesse est fixée par le nombre de pôles et la fréquence du réseau ; un variateur de fréquence est nécessaire pour une vitesse variable. Dans les applications modernes, l'économie d'énergie avec un variateur de fréquence est la méthode de réglage de vitesse la plus répandue. Dans le moteur à bagues, on peut régler la vitesse dans une certaine plage en modifiant la résistance rotorique ; cependant, comme cette méthode entraîne des pertes d'énergie dans les résistances, elle n'est pas aussi bonne que le variateur de fréquence en termes de rendement. Avec la baisse du prix des variateurs électroniques, la combinaison moteur à cage d'écureuil + variateur de fréquence est désormais préférée dans de nombreuses applications nécessitant un réglage de vitesse.

Maintenance et fiabilité

Le plus grand atout du moteur à cage d'écureuil est qu'il ne comporte ni balais ni bagues. Comme il n'y a pas de pièce de contact susceptible de s'user, le besoin de maintenance est minimal et la fiabilité est très élevée. Dans le moteur à bagues en revanche, les balais et les bagues sont contrôlés régulièrement, les balais usés sont remplacés et les surfaces des bagues sont maintenues propres. Dans les environnements poussiéreux ou humides, le système bagues-balais entraîne une charge de maintenance supplémentaire. C'est pourquoi le moteur à cage d'écureuil se distingue là où un fonctionnement de longue durée et peu exigeant en maintenance est requis.

Comparaison des coûts

Du point de vue du coût d'investissement initial, le moteur à cage d'écureuil est nettement moins cher. Sa structure simple, son aptitude à la production en série et son caractère standard font baisser le coût. Le moteur à bagues, parce qu'il exige un bobinage supplémentaire, des bagues, un mécanisme de balais et un banc de résistances externes, présente un coût d'achat comme un coût d'exploitation plus élevés. Lorsque l'on calcule le coût total de possession, la solution moteur à cage d'écureuil + variateur de fréquence se révèle plus économique que le moteur à bagues dans la plupart des applications standard.

La différence du point de vue de la courbe couple-glissement

La différence de comportement la plus fondamentale entre les deux types de rotor se voit sur la courbe couple-glissement. Dans le moteur à cage d'écureuil, le couple maximal (couple de décrochage) se produit pour une faible valeur de glissement et le couple de démarrage reste inférieur à ce maximum. Dans le moteur à bagues en revanche, en ajoutant une résistance externe au rotor, la courbe couple-glissement peut être décalée vers la droite ; le couple maximal peut ainsi être amené directement à l'instant du démarrage (s=1). Cela permet au moteur de démarrer de façon souple et puissante, même à pleine charge et avec un fort moment d'inertie. Après le démarrage, la résistance est réduite progressivement et le moteur est ramené à son point de fonctionnement normal à haut rendement. Cette souplesse de la courbe est l'atout fondamental du moteur à bagues dans les applications à démarrage difficile. Notre article le glissement dans le moteur asynchrone, qui traite en profondeur la notion de glissement, complète ce sujet.

Rendement et consommation d'énergie

Les moteurs à cage d'écureuil ont généralement un meilleur rendement ; il est très élevé en particulier sur les modèles à barres en cuivre et à conception optimisée. Dans le moteur à bagues, lorsqu'on travaille avec la résistance rotorique, l'énergie se transforme en chaleur dans ces résistances et le rendement baisse. Dans les applications à fonctionnement continu où le coût de l'énergie est important, un moteur à cage d'écureuil choisi parmi les moteurs électriques à haut rendement procure des économies sérieuses à long terme.

Dans quelle application choisit-on la cage d'écureuil ?

Le moteur à cage d'écureuil est le premier choix dans la quasi-totalité des entraînements de pompe, de ventilateur, de compresseur, de convoyeur, de machine-outil et de l'industrie générale. Il est idéal partout où le démarrage se fait non pas en charge mais à vide ou en charge légère, où une vitesse constante est demandée et où une faible maintenance est importante. Si une vitesse variable est nécessaire, ce besoin est également satisfait en ajoutant un variateur de fréquence. Les moteurs à cage d'écureuil sont la colonne vertébrale du monde des moteurs électriques industriels.

Dans quelle application choisit-on le moteur à bagues ?

Le moteur à bagues est préféré dans les applications d'industrie lourde à fort moment d'inertie, devant démarrer en charge et exigeant un couple de démarrage élevé. Les grues, les grands concasseurs, les broyeurs, les compresseurs et les longues lignes de convoyage en sont des exemples typiques. Dans ces applications, le besoin de limiter le courant de démarrage et de maîtriser le couple de démarrage justifie le surcoût et la maintenance du moteur à bagues. Pour l'importance de la qualité du bobinage rotorique, vous pouvez jeter un œil à notre article moteurs électriques à rotor bobiné en cuivre.

Comparaison du bruit et des vibrations

Il existe aussi des différences entre les deux types du point de vue du bruit de fonctionnement et des vibrations. Sur les moteurs à cage d'écureuil, lorsque la géométrie de la cage (nombre de barres, inclinaison des encoches) est bien conçue, le bruit magnétique peut être maintenu faible ; l'inclinaison des encoches (skewing) est une méthode répandue qui réduit l'ondulation de couple et le ronflement. Sur les moteurs à bagues en revanche, le contact balais-bagues peut être une source supplémentaire de bruit mécanique et d'étincelles ; le bruit et les vibrations augmentent en particulier lorsque les balais sont usés ou que la surface des bagues se dégrade. Dans les environnements où un fonctionnement silencieux est important, cette différence met le moteur à cage d'écureuil un cran devant. Dans les deux types, l'équilibrage, l'état des roulements et la solidité du montage influencent directement le niveau de vibration.

Reconnaître le type à partir des informations de la plaque

Le fait qu'un moteur soit à cage d'écureuil ou à bagues se reconnaît la plupart du temps à sa plaque et à la structure de son carter. La plaque des moteurs à bagues comporte des informations supplémentaires comme la tension rotorique et le courant rotorique ; en outre, on voit sur le carter le compartiment bagues-balais et les bornes rotoriques externes. Pour lire correctement les informations de la plaque, notre article les informations de la plaque signalétique du moteur électrique est une ressource utile.

Les options de vitesse et de nombre de pôles du moteur asynchrone

Autant que le type de rotor, la puissance du moteur (kW) et sa vitesse de rotation sont choisies selon les exigences de l'application. Un dimensionnement erroné conduit à la fois à une perte de rendement et à une panne précoce. Pour trouver le bon moteur dans une large plage de kW et de vitesse, notre article moteurs de forte et faible puissance en kW peut vous servir de guide. La forme de montage doit également être choisie en fonction de l'application ; à ce sujet, vous pouvez consulter notre article le choix du type de montage.

Tendance moderne : cage d'écureuil + variateur

Autrefois, la seule option pour le réglage de vitesse et le démarrage progressif était la plupart du temps le moteur à bagues. Mais avec la généralisation et la baisse de prix des variateurs de fréquence, cette équation a changé. Aujourd'hui, même de nombreuses applications lourdes sont résolues en entraînant un moteur à cage d'écureuil robuste et sans maintenance à l'aide d'un variateur de fréquence. Cette combinaison offre à la fois les avantages d'un rendement élevé, d'un réglage de vitesse complet, d'un démarrage progressif et d'une faible maintenance. Néanmoins, le moteur à bagues conserve sa place dans certaines applications spéciales à très forte inertie et à très forte puissance.

L'ancien rôle du moteur à bagues dans les démarrages à couple élevé

Le moteur à bagues était, aux premiers temps du moteur asynchrone, une solution presque incontournable dans les applications exigeant une forte puissance et un démarrage à couple élevé ; car il n'existait pas à cette époque de méthode électronique économique permettant de limiter le courant de démarrage élevé du moteur à cage d'écureuil. Les aciéries, les installations minières, les broyeurs à ciment et les grues portuaires ont été équipés de moteurs à bagues pendant de longues années. Le moteur à cage d'écureuil, quant à lui, a toujours été dominant en petite et moyenne puissance grâce à sa structure simple. Avec le développement de l'électronique de puissance, cet équilibre s'est déplacé progressivement en faveur du moteur à cage d'écureuil, mais le moteur à bagues conserve encore sa place dans les démarrages à très fort moment d'inertie et dans certaines installations anciennes.

Refroidissement et comportement thermique

Dans les deux types de moteurs, le refroidissement est généralement assuré par les ailettes du carter et le ventilateur situé au bout de l'arbre. Cependant, dans le moteur à bagues, l'énergie transformée en chaleur dans la résistance rotorique pendant le démarrage crée une charge thermique supplémentaire ; c'est pourquoi, dans les applications lourdes à démarrages fréquents, la capacité thermique des bancs de résistances et du circuit rotorique est calculée avec attention. Dans le moteur à cage d'écureuil en revanche, les pertes rotoriques se transforment directement en chaleur dans la cage ; lors de démarrages fréquents et en charge, le choix du moteur dans la bonne classe est déterminant pour que les barres de la cage et les anneaux de court-circuit ne soient pas mis à rude épreuve. Dans les deux cas, la classe d'isolation et l'indice de protection sont choisis en fonction de la température de fonctionnement attendue du moteur.

Types de pannes et différences de maintenance

Sur les moteurs à cage d'écureuil, la panne de rotor la plus fréquente est une barre rotorique cassée ou une fissure dans l'anneau de court-circuit ; cette panne se manifeste par des vibrations et une baisse de rendement du moteur et se détecte généralement par l'analyse de la signature du courant. Sur les moteurs à bagues, il existe des types de pannes supplémentaires comme l'usure des balais, le noircissement de la surface des bagues, l'affaiblissement du ressort de pression des balais et la dégradation de l'isolation du bobinage rotorique. C'est pourquoi le plan de maintenance des moteurs à bagues est plus fréquent et plus étendu que celui des moteurs à cage d'écureuil. Le contrôle régulier est, dans les deux types, la clé pour éviter les arrêts imprévus.

Points à surveiller au moment de décider

Lors du choix entre les deux types de rotor, répondre aux questions suivantes vous guidera : le moteur va-t-il démarrer en charge ? Le réseau peut-il supporter le courant de démarrage ? Une vitesse variable est-elle nécessaire ? L'environnement est-il poussiéreux ou humide, la possibilité de maintenance est-elle limitée ? Quelle importance a le coût total de possession ? Les réponses à ces questions désignent le moteur à cage d'écureuil dans la plupart des applications standard et le moteur à bagues dans les applications lourdes très particulières.

Le choix du bon type de rotor avec DRG Motor

La différence entre le moteur asynchrone à cage d'écureuil et le moteur asynchrone à bagues n'est pas seulement une différence de structure ; c'est la réponse d'ingénierie apportée aux exigences de démarrage, de commande, de maintenance et de coût de votre application. Pour la plupart des entraînements industriels, le moteur à cage d'écureuil, robuste, performant et sans maintenance, est le choix le plus juste ; dans les applications lourdes très particulières, ce sont les avantages du moteur à bagues qui ressortent. Au sein de DRG Motor, nous proposons une large gamme de produits et un support technique expert répondant aux besoins de ces deux mondes. Pour déterminer ensemble le moteur le plus adapté à votre application, vous pouvez consulter les produits DRG Motor et prendre contact avec notre équipe.