Types de roulements et choix dans les moteurs électriques

Si un rotor tourne au cœur d'un moteur électrique, le héros qui permet à ce rotor de tourner silencieusement et sans problème est le roulement. Cette petite pièce, souvent négligée, détermine directement la durée de vie, le silence et la fiabilité du moteur. Un roulement mal choisi ou mal entretenu peut conduire rapidement à la panne même le moteur de la meilleure qualité. Dans cet article, nous abordons le rôle du roulement dans les moteurs électriques, les principaux types de roulements, leur rapport avec la direction de la charge, la lubrification et les limites de vitesse, ainsi que les critères d'un bon choix de roulement. Pour une vue d'ensemble des bases du sujet, notre article qu'est-ce qu'un moteur électrique est un bon point de départ.

Le rôle du roulement dans le moteur

Le rôle fondamental du roulement est de supporter l'arbre tournant par rapport au carter fixe avec un faible frottement et de transmettre au carter les charges appliquées à l'arbre. Sur les moteurs asynchrones, l'arbre est porté par deux roulements : l'un côté entraînement (accouplement), l'autre côté arrière. Sans roulement, le frottement entre l'arbre et le carter entraînerait à la fois une grande perte d'énergie et une usure rapide. En transformant ce frottement en contact de roulement, le roulement augmente le rendement et permet au moteur de fonctionner pendant des décennies. C'est pourquoi le roulement est en quelque sorte la colonne vertébrale silencieuse du moteur.

Le principe de fonctionnement de base des roulements

Un roulement se compose d'une bague intérieure, d'une bague extérieure, d'éléments roulants (billes ou rouleaux) et d'une cage qui les maintient en ordre. Pendant que l'arbre entraîne la bague intérieure, les éléments roulants roulent entre les deux bagues et le frottement de glissement cède ainsi la place au frottement de roulement, bien plus faible. Ce principe simple mais ingénieux est à la base des moteurs modernes. Le fait que l'élément roulant soit une bille ou un rouleau détermine la charge que le roulement peut supporter et l'application à laquelle il convient.

Direction de la charge : radiale et axiale

L'un des points les plus critiques du choix d'un roulement est la direction de la charge. La charge agissant perpendiculairement à l'arbre est appelée charge radiale, et celle agissant le long de l'axe de l'arbre est appelée charge axiale. Un système poulie-courroie impose à l'arbre une forte charge radiale, tandis qu'une pompe montée verticalement peut créer une charge axiale. Chaque type de roulement supporte ces deux types de charge dans une mesure différente. Le bon choix de roulement passe par une compréhension correcte de la direction et de l'intensité de la charge produite par l'application.

Roulements à billes

Le type le plus couramment utilisé dans les moteurs électriques est le roulement rigide à billes. Il peut supporter une charge radiale ainsi qu'une charge axiale modérée, convient aux vitesses élevées, présente un faible frottement et est économique. La grande majorité des moteurs asynchrones standard fonctionne avec un roulement rigide à billes de chaque côté. Le fonctionnement silencieux, la longévité et le large éventail d'applications font de ces roulements le choix par défaut. C'est une solution idéale pour la plupart des applications de pompe, de ventilateur et d'entraînement général à charge modérée.

Roulements à rouleaux

Dans les applications où de fortes charges radiales sont en jeu, les roulements à rouleaux cylindriques entrent en scène. Comme les rouleaux offrent une surface de contact bien plus grande que les billes, ils supportent bien mieux les charges radiales lourdes. Sur les moteurs où de fortes tensions de courroie sont appliquées ou qui entraînent des charges lourdes, le roulement à rouleaux est privilégié côté entraînement. Toutefois, les roulements à rouleaux ne conviennent pas autant que les roulements à billes pour supporter une charge axiale ; c'est pourquoi on utilise généralement ensemble un roulement à rouleaux d'un côté et un roulement à billes de l'autre.

Roulements à contact oblique

Dans les applications où une charge radiale et une forte charge axiale unidirectionnelle coexistent, on utilise des roulements à contact oblique. Dans ces roulements, les éléments roulants sont en contact avec les bagues selon un certain angle, ce qui leur permet de supporter efficacement la charge axiale. Ils sont généralement utilisés par paires. Les moteurs montés verticalement et les applications particulières générant une forte poussée axiale tirent parti de ce type de roulement. Utilisés avec une précharge correcte, ils offrent une solution précise et robuste.

Roulements oscillants

Lorsque de faibles désalignements angulaires entre l'arbre et le palier sont inévitables, les roulements auto-aligneurs (oscillants) présentent un avantage. Ces roulements tolèrent une légère flexion de l'arbre ou un alignement imparfait des paliers. Dans les applications où de longs arbres ou des erreurs d'alignement sont possibles, les roulements oscillants compensent le désalignement et préservent la durée de vie du roulement et de l'arbre. Cependant, plutôt que de compenser entièrement le désalignement, il vaut toujours mieux viser un alignement correct ; sur ce point, notre article alignement arbre-accouplement est un bon guide.

Tableau de choix des types de roulements

Le tableau ci-dessous résume les principaux types de roulements du point de vue de la charge supportée, de l'aptitude à la vitesse et de l'usage typique. Ce tableau est un guide de départ ; le choix final se fait toujours en fonction des conditions particulières de l'application.

Limite de vitesse et rapport avec la vitesse de rotation

Chaque type de roulement a une limite de vitesse à laquelle il peut fonctionner en toute sécurité. Les roulements à billes conviennent généralement à des vitesses plus élevées ; les roulements à rouleaux supportent quant à eux de fortes charges mais leur limite de vitesse est relativement plus basse. Le nombre de pôles du moteur, et donc sa vitesse, influe directement sur le choix du roulement. Sur un moteur à deux pôles à vitesse élevée, le choix du roulement peut être différent de celui d'un moteur multipolaire à faible vitesse. Nous avons abordé la relation entre le nombre de pôles et la vitesse dans notre article nombre de pôles et vitesse .

L'importance de la lubrification

La lubrification vient en tête des facteurs qui déterminent la durée de vie d'un roulement. Elle forme un film mince entre les éléments roulants et les bagues et empêche ainsi le contact métal contre métal. Une lubrification insuffisante entraîne une usure rapide, une lubrification excessive un échauffement. Un type de graisse inadapté ou le mélange de graisses différentes altère également la performance de lubrification. La bonne graisse, la bonne quantité et le bon intervalle sont les trois piliers de la durée de vie d'un roulement. Nous avons traité en profondeur les détails de la lubrification et les moyens de prolonger la durée de vie des roulements dans notre article prolonger la durée de vie des roulements .

Étanchéité et protection

L'un des pires ennemis du roulement est la contamination. Lorsque la poussière, l'humidité et les particules étrangères pénètrent dans le roulement, elles rayent les surfaces de roulement et accélèrent l'usure. C'est pourquoi les roulements sont généralement protégés par des types à joint ou à flasque. Sur les moteurs fonctionnant dans des environnements poussiéreux ou humides, l'étanchéité prend encore plus d'importance. Un indice de protection correct et une solution d'étanchéité adaptée gardent le roulement propre et prolongent sa durée de vie.

Facteurs influant sur la durée de vie du roulement

La durée de vie d'un roulement ne dépend pas d'un seul facteur. L'intensité de la charge, la vitesse, la qualité de la lubrification, la température de service, l'alignement et la propreté de l'environnement déterminent ensemble la durée de vie. Dès que l'un de ces facteurs est négligé, le roulement tombe en panne bien plus tôt que prévu. Par exemple, même un roulement correctement choisi peut n'être utilisé qu'une petite partie de sa durée de vie en raison d'un mauvais alignement ou d'une lubrification insuffisante. C'est pourquoi le choix d'un roulement se traite comme la partie d'un tout.

L'effet des vibrations sur le roulement

La vibration est une menace sournoise pour les roulements. Un rotor déséquilibré, un accouplement désaligné ou un montage desserré imposent au roulement des charges sans cesse variables et le fatiguent. De plus, la vibration provoque la dégradation du film de lubrification et accélère ainsi l'usure. C'est pourquoi maîtriser les vibrations prolonge directement la durée de vie du roulement. Nous avons abordé les moyens pratiques de réduire les vibrations dans notre article réduction du bruit et des vibrations .

Les symptômes des défaillances de roulement

Avant de tomber en panne, un roulement donne généralement des signes : un bruit aigu ou irrégulier, une vibration croissante et un échauffement local dans la zone du roulement. Lorsque ces signes sont détectés tôt, le roulement peut être remplacé lors d'un entretien planifié et une panne majeure est évitée. En cas de retard, le roulement peut se gripper complètement et l'arbre ainsi que son palier peuvent également être endommagés. Surveiller ces signes de manière systématique est une part importante de la maintenance prédictive ; nous avons détaillé le sujet dans notre article maintenance prédictive .

Effets électriques et roulement

En particulier sur les moteurs pilotés par variateur de fréquence, les tensions électriques pouvant apparaître sur l'arbre peuvent provoquer des courants circulant à travers le roulement. Ces courants causent des dommages microscopiques aux surfaces du roulement et, avec le temps, de l'usure. Pour atténuer cet effet, on peut utiliser des roulements isolés ou des solutions de mise à la terre adaptées. Ce sujet montre pourquoi, dans les systèmes d'entraînement modernes à vitesse variable, le choix du roulement n'est pas seulement une question mécanique mais aussi une question électrique.

Montage et positionnement corrects

Même le roulement de la meilleure qualité tombe rapidement en panne s'il est mal monté. Le fait que le roulement soit mis en place sur l'arbre et dans le palier avec la bonne tolérance d'ajustement, qu'il ne subisse pas de choc pendant le montage et qu'il soit posé avec les bons outils influe directement sur sa durée de vie. Un roulement forcé au marteau peut être endommagé avant même d'être monté. Un montage correct est une part invisible mais déterminante de la durée de vie d'un roulement. Le contrôle du bruit et de la température lors du premier démarrage après montage révèle tôt une éventuelle erreur de montage.

L'effet du type de rotor sur le roulement

Le type de rotor du moteur influe également sur la charge du roulement. La répartition des masses et les caractéristiques d'équilibrage des rotors à cage d'écureuil et à bagues peuvent différer, ce qui modifie la charge appliquée au roulement. Nous avons examiné les différences entre les types de rotor dans notre article moteur asynchrone à cage d'écureuil et à bagues . Par ailleurs, pour comprendre le glissement, phénomène fondamental du fonctionnement du moteur asynchrone, notre article le glissement dans le moteur asynchrone est utile.

Choix du roulement selon l'application

Choisir le bon roulement commence par répondre à quelques questions : dans quelle direction et de quelle intensité l'application produit-elle une charge ? Quelle est la vitesse du moteur ? L'environnement de travail est-il poussiéreux ou humide ? Le montage est-il horizontal ou vertical ? Les réponses à ces questions déterminent en grande partie le bon type de roulement. Vous trouverez les domaines d'utilisation courants des moteurs triphasés dans l'industrie dans notre article moteur électrique triphasé dans l'industrie , et les étapes générales d'entretien dans notre article étapes d'entretien d'un moteur électrique .

Température de service et roulement

La température de service du roulement est un autre facteur qui influe directement sur sa durée de vie. Une température élevée modifie la fluidité de la graisse et provoque l'amincissement du film de lubrification, ce qui augmente le risque de contact métal contre métal. Sur un roulement en surchauffe, la graisse se dégrade avec le temps et n'assure plus son rôle de protection. La cause de la hausse de température n'est parfois pas le roulement lui-même mais l'échauffement général du moteur ; une surcharge, un refroidissement insuffisant ou la température ambiante peuvent solliciter indirectement le roulement. C'est pourquoi surveiller la température du roulement fournit une information précieuse sur la santé du roulement comme sur celle du moteur. Le dépassement des limites de température signifie un raccourcissement des intervalles de renouvellement de la graisse, ce qui doit être répercuté sur le plan d'entretien.

Graisse ou huile ?

Il existe deux options de base pour la lubrification des roulements : la graisse et l'huile. Sur la grande majorité des moteurs électriques, la graisse est privilégiée, car elle reste en place, contribue à l'étanchéité et son entretien est simple. Dans les applications particulières fonctionnant à très haute vitesse ou à très haute température, la lubrification à l'huile peut en revanche être envisagée. L'huile dissipe mieux la chaleur et procure un frottement plus faible à haute vitesse ; mais elle est plus complexe car elle exige une étanchéité et un système d'alimentation. Pour la plupart des moteurs industriels standard, une graisse correctement choisie est la solution la plus pratique et la plus fiable. Dans le choix de la graisse, la plage de température, la vitesse et les conditions de charge sont évaluées ensemble.

Roulements de rechange et gestion des stocks

Sur les moteurs critiques, disposer en stock du bon roulement de rechange raccourcit les arrêts imprévus. Lorsqu'un roulement tombe en panne, avoir le bon type sous la main peut ramener la durée d'intervention de plusieurs heures à quelques minutes. C'est pourquoi enregistrer les informations de roulement des moteurs et conserver des pièces de rechange pour les applications critiques fait partie d'une stratégie d'entretien intelligente. Un remplacement provisoire avec un roulement inadapté ramène quant à lui rapidement le problème.

Jeu et précharge

Le jeu du roulement est un point souvent négligé dans le choix d'un roulement mais qui détermine la performance. Il existe un certain jeu radial et axial entre la bague intérieure, la bague extérieure et les éléments roulants de chaque roulement. Si ce jeu est trop grand, le moteur fonctionne bruyamment et avec des vibrations ; s'il est trop faible, le roulement s'échauffe et sa durée de vie se raccourcit. La dilatation de l'arbre sous l'effet de l'échauffement en service modifie également le jeu ; c'est pourquoi le jeu de montage est choisi en tenant compte des conditions de service. Dans certaines applications, une précharge est appliquée intentionnellement au roulement ; cela réduit les vibrations et augmente la rigidité, en particulier dans les dispositifs exigeant un positionnement précis et une forte charge axiale. Le bon équilibre entre jeu et précharge est la clé secrète d'un fonctionnement silencieux et durable.

Résumé pratique du bon choix

Le choix d'un roulement est une décision silencieuse qui détermine la durée de vie du moteur. Analyser correctement la direction de la charge, choisir le type adapté à la vitesse, planifier la bonne lubrification et réaliser un montage correct : lorsque ces quatre étapes sont appliquées ensemble, le roulement devient l'une des pièces les plus fiables du moteur. Négligé, il se transforme en revanche en la source de panne la plus fréquente. Un bon choix préserve le rendement énergétique et réduit le coût d'entretien.

Points à respecter lors du remplacement d'un roulement

Remplacer un roulement ne consiste pas seulement à retirer l'ancien et à poser le nouveau. Avant la pose du nouveau roulement, la surface du palier, l'arbre et les zones de joint sont soigneusement nettoyés et contrôlés du point de vue de l'usure. Le mode de défaillance de l'ancien roulement est aussi un indice précieux ; une usure régulière indique une fin de vie normale, un dommage localisé un problème de désalignement ou de lubrification. Le nouveau roulement se pose avec les bons outils, par chauffage ou par une méthode de pressage adaptée, et sans choc. Après le remplacement, la bonne quantité de graisse est appliquée et le moteur est observé au premier démarrage du point de vue du bruit, de la température et des vibrations. Ce soin permet au nouveau roulement d'atteindre sa pleine durée de vie et évite les pannes se répétant à brève échéance.

La bonne solution de roulement avec DRG Motor

Chez DRG Motor, sur les moteurs asynchrones AC que nous fournissons dans les classes de rendement IE3, IE4 et IE5, nous choisissons avec soin le type de roulement adapté aux conditions de charge et de vitesse de chaque application. Le bon roulement, la bonne lubrification et le bon montage sont la base du fonctionnement long et silencieux des moteurs que nous fournissons. Si vous souhaitez planifier ensemble le moteur et la solution de roulement les plus adaptés à votre application, prolonger la durée de vie des roulements de votre moteur actuel ou faire le bon choix pour une application difficile, vous pouvez contacter l'équipe DRG Motor.