Les moteurs électriques se répartissent en différents types selon le type de courant qui les alimente, leur principe de fonctionnement et la structure de leur rotor. Pour pouvoir choisir le bon moteur pour une application, il faut connaître les différences entre ces types ainsi que les points forts et faibles de chacun. Fondamentalement, les moteurs se divisent en deux grandes familles : courant continu (CC) et courant alternatif (CA) ; dans cet article, nous examinons les sous-types de chaque famille, leur logique de fonctionnement et leurs domaines d'utilisation appropriés.

La différence fondamentale entre les moteurs CA et CC

Les moteurs CC sont alimentés en courant continu et la régulation de vitesse s'y fait facilement par la tension ; c'est pourquoi ils ont longtemps été privilégiés là où un réglage précis de la vitesse est nécessaire. Cependant, les moteurs CC classiques à balais exigent une maintenance et un remplacement réguliers de l'ensemble balais-collecteur. Les moteurs CA, eux, fonctionnent en courant alternatif, sont mécaniquement plus robustes et leur besoin de maintenance est bien plus faible. Le type le plus utilisé dans l'industrie est le moteur asynchrone (à induction) de la famille CA.

Moteurs asynchrones (à induction)

Dans les moteurs asynchrones, le rotor tourne avec un léger glissement en retard du champ magnétique tournant produit par le stator. Les bobinages triphasés disposés dans le stator à 120 degrés d'intervalle créent d'eux-mêmes un champ tournant, sans dispositif supplémentaire extérieur. Le type le plus robuste et le plus répandu est celui à rotor à cage d'écureuil ; comme les barres du rotor sont réunies par des anneaux de court-circuit, le besoin de raccordement et de maintenance est quasiment nul. Les types à bagues (à rotor bobiné) sont utilisés dans des applications particulières nécessitant un couple de démarrage élevé au moyen d'une résistance extérieure.

Moteurs synchrones

Les moteurs synchrones font tourner leur rotor à une vitesse exactement verrouillée sur la fréquence du réseau ; il n'y a donc pas de glissement. Cette propriété procure un avantage dans les applications exigeant une vitesse constante et précise. Les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM), en utilisant des aimants permanents dans leur rotor, offrent un rendement et une densité de puissance élevés ; associés à un variateur, ils se répandent de plus en plus dans les entraînements à vitesse variable. Aux fortes puissances, les moteurs synchrones peuvent également servir à corriger le facteur de puissance du réseau.

Types de moteurs CC

La famille CC se divise aussi en sous-types :

  • Moteur CC à excitation série : couple de démarrage élevé ; utilisé dans les applications de grues et de traction.
  • Moteur CC à excitation shunt : caractéristique de vitesse constante ; privilégié dans les entraînements de machines-outils.
  • CC sans balais (BLDC) : utilise une commutation électronique au lieu de balais ; offre une longue durée de vie et un rendement élevé.
  • Moteur pas à pas : contrôle la position angulaire avec précision ; répandu en automatisation et en robotique.

Relation entre nombre de pôles et vitesse

Dans les moteurs asynchrones CA, la vitesse de synchronisme dépend du nombre de pôles et de la fréquence du réseau. Sur un réseau à 50 Hz, un moteur à 2 pôles tourne à la vitesse de synchronisme de 3000 tr/min, un moteur à 4 pôles à 1500 tr/min et un moteur à 6 pôles à 1000 tr/min. La vitesse réelle reste un peu en dessous de ces valeurs en raison du glissement. Choisir le bon nombre de pôles selon le besoin de vitesse de l'application permet d'éviter le coût inutile d'un réducteur ou d'un variateur.

Classes de rendement et normes

Le rendement des moteurs asynchrones industriels est classé de IE1 à IE5 selon la norme IEC 60034-30-1. Les classes IE3 « Premium » et IE4 « Super premium » réduisent nettement la dépense d'énergie dans les installations fonctionnant de longues heures. Des paramètres comme l'indice de protection (IP55), la classe d'isolation (F) et le régime de service (S1 continu) font aussi partie intégrante du choix du type. Ces valeurs définissent la tenue du moteur face à la poussière, à l'humidité et à la température.

Quel type convient à quelle application ?

Pour la plupart des applications industrielles de pompes, ventilateurs, convoyeurs et concasseurs, le moteur asynchrone triphasé à cage d'écureuil est le choix le plus juste, car il est robuste, économique et facile à entretenir. Sur les lignes d'automatisation nécessitant un positionnement précis, les moteurs BLDC et pas à pas se distinguent ; pour les grands entraînements à vitesse constante, ce sont les moteurs synchrones. Pour un choix correct, le type de charge, la plage de vitesse, le couple de démarrage et les conditions ambiantes sont évalués ensemble.

Comparaison des rotors à cage d'écureuil et à bagues

Parmi les moteurs asynchrones, la distinction structurelle la plus nette se situe du côté du rotor. Dans le rotor à cage d'écureuil, les barres conductrices sont réunies à leurs extrémités par des anneaux de court-circuit ; il n'y a ni raccordement extérieur, ni balai, ni bague. Cette structure rend le moteur extrêmement robuste, économique et facile à entretenir ; la grande majorité des entraînements industriels est de ce type. Dans les moteurs à bagues (à rotor bobiné), les bobinages du rotor sont raccordés à un circuit de résistance extérieur par l'intermédiaire de bagues et de balais. Cette résistance extérieure sert à élever le couple de démarrage et à limiter le courant de démarrage ; elle est privilégiée en particulier dans les applications de grues et de grands ventilateurs où les charges à forte inertie exigent un démarrage difficile. Bien que le type à bagues procure un démarrage plus souple, il exige la maintenance périodique de l'ensemble balais-bagues.

Composants structurels et protection

Un moteur asynchrone industriel se compose du carter du stator, du rotor, de l'arbre, des roulements, de la boîte à bornes et du ventilateur de refroidissement. Comme matériau de carter, on utilise la fonte en service lourd et l'aluminium dans les applications plus légères ; le carter en fonte amortit mieux les vibrations tandis que le carter en aluminium évacue la chaleur plus vite. L'isolation des bobinages est généralement de classe F et tient une température de 155 degrés. L'indice de protection IP55 indique que le moteur est protégé contre la poussière et les projections d'eau venant de toutes les directions ; c'est le choix standard dans les milieux poussiéreux et humides. Le régime de service continu S1 exprime que le moteur peut fonctionner sans interruption à sa charge nominale. Lorsque ces paramètres sont réunis, l'environnement et les conditions de travail auxquels le moteur convient deviennent clairs.

Moteurs monophasés et triphasés

Du côté de l'alimentation, une autre distinction est de savoir si le moteur est monophasé ou triphasé. Les moteurs asynchrones triphasés démarrent d'eux-mêmes grâce au champ magnétique tournant créé par les trois phases ; la plus grande partie des moteurs utilisés dans l'industrie est de ce type et se raccorde au réseau 400 V / 50 Hz. Les moteurs monophasés, eux, sont utilisés dans les applications domestiques et de faible puissance ; comme une phase unique ne peut à elle seule produire un champ tournant, ils ont besoin d'un dispositif de démarrage supplémentaire tel qu'un bobinage auxiliaire et un condensateur. À puissance égale, un moteur triphasé fonctionne de manière plus efficace, plus compacte et plus équilibrée qu'un monophasé. C'est pourquoi le type triphasé est le choix standard pour les entraînements industriels à fonctionnement continu de 0,55 kW et plus ; les moteurs monophasés trouvent davantage leur place dans les équipements de faible puissance et à usage intermittent.

Variateur et régulation de vitesse

Dans les entraînements modernes, le choix du type de moteur est étroitement lié au besoin de régulation de vitesse. Les moteurs asynchrones peuvent fonctionner à vitesse variable lorsqu'ils sont associés à un variateur de fréquence (VFD) ; dans les applications de pompes et de ventilateurs, régler le débit par le variateur procure une économie d'énergie considérable par rapport à un fonctionnement à vitesse constante avec vanne d'étranglement. Les moteurs synchrones et BLDC sont, par nature, utilisés avec un variateur électronique. C'est pourquoi, en déterminant le type de moteur, on prend en compte non seulement la charge mécanique, mais aussi le fait que la vitesse doive être constante ou variable. Le bon appariement moteur-variateur influence directement le coût d'exploitation comme la fréquence de maintenance.

La voie pour choisir le bon type de moteur

DRG Motor fournit depuis İzmir des moteurs asynchrones triphasés dans la plage de 0,55-355 kW, à 2-4-6 pôles, de classe de rendement IE3 et IE4, adaptés au réseau 400 V / 50 Hz. Pour déterminer ensemble le type de moteur le plus adapté à la puissance, à la vitesse et aux conditions de fonctionnement de votre application, vous pouvez obtenir le soutien de l'équipe technique de DRG Motor.