Moteur Électrique à Induction (Cage d'Écureuil)

Introduction

Les moteurs à induction – également connus sous le nom de moteurs asynchrones – sont le type de moteur électrique le plus courant aujourd'hui. Grâce à leur conception simple, coût réduit, et fiabilité élevée, les moteurs à induction sont utilisés dans une large gamme d'applications à travers toutes les industries de l'ingénierie.

Moteur à Induction

 

Types/Conceptions

Il existe deux principaux types de moteurs à induction : monophasé (1~) et triphasé (3~).

Les conceptions de moteurs à induction monophasés incluent :

• Moteurs à induction à phase scindée - utilisés dans les machines où la fréquence de démarrage est limitée et où l'entraînement ne dépasse pas 1 kW.
• Moteurs à induction à démarrage par condensateur - utilisés dans les machines avec des charges d'inertie plus élevées et celles nécessitant des démarrages fréquents, par exemple les convoyeurs.
• Moteurs à induction à démarrage et fonctionnement par condensateur - applications similaires aux moteurs à démarrage par condensateur ; un condensateur supplémentaire est installé lorsque le moteur est en service (lorsque le moteur fonctionne).
• Moteurs à induction à pôle ombré – le moteur à induction AC original. Il est encore utilisé dans les petits appareils et ceux nécessitant un faible couple de démarrage, par exemple les tourne-disques, les ventilateurs de projecteurs, les ventilateurs de photocopieuses, les sèche-cheveux, etc.

Les conceptions de moteurs à induction triphasés incluent :

• Moteurs à induction à cage d'écureuil - choisis pour leur longévité et leur faible entretien. Cette conception de moteur à induction est la plus courante.  
• Moteurs à induction à bague de glissement - fournissent un couple élevé et un faible courant de démarrage ; utilisés pour, par exemple, les ascenseurs, les grues et les palans.

Bien que les moteurs à induction existent sous de nombreuses formes, cet article se concentre sur la conception du moteur à induction triphasé à cage d'écureuil car il s'agit de loin du type de moteur à induction le plus courant.

Astuce - le terme ‘induction’ fait référence au fait que le courant électrique est induit dans la cage du rotor lorsque le moteur est en fonctionnement ; cela diffère des autres moteurs où le courant du rotor est fourni par une source externe.

 

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Composants du Moteur à Induction

 

Les deux principaux ensembles d'un moteur à induction sont le stator et le rotor ; le stator et le rotor sont cependant construits à partir de composants individuels plus petits.

Stator

Le stator est la partie stationnaire du moteur et se compose d'un boîtier avec des fentes et une série de bobinages.

Bobinages du Stator

Les bobinages reçoivent une alimentation AC triphasée, ce qui provoque un champ magnétique autour de chaque bobinage qui s'étend et se contracte lorsque le courant circule. Chaque bobinage est alimenté par paires et en série pour produire un champ magnétique tournant. Les bobinages du stator sont généralement fabriqués en cuivre, bien que d'autres matériaux soient disponibles, par exemple aluminium.

Boîtier du Stator

Le stator est construit en empilant des feuilles d'acier très fines et hautement perméables à l'intérieur d'un cadre en acier ou en fonte. Le cadre est fixé au sol et c'est l'extérieur du cadre qui est peint et visible pour les observateurs extérieurs. Les matériaux de construction des cadres de moteur courants incluent divers grades de acier et de fonte.  

Rotor

À l'intérieur du stator se trouve un arbre métallique solide, des laminations, et une cage d'écureuil ; cet ensemble est connu sous le nom de rotor et est la partie tournante du moteur.

L'arbre du rotor a généralement une forme cylindrique longue et fine, mais cela dépend de la conception. Les laminations en acier, la cage d'écureuil et les roulements sont tous montés sur l'arbre du rotor. Les arbres de rotor sont généralement fabriqués en acier inoxydable, car il est durable, mécaniquement résistant et possède de bonnes propriétés de résistance à la corrosion et à l'érosion.

Rotor du Moteur à Induction

La cage d'écureuil est une cage de forme cylindrique qui s'adapte autour de l'arbre avec des barres s'étendant entre ses deux extrémités. À chaque extrémité de la cage d'écureuil, des anneaux de court-circuit sont attachés pour créer un court-circuit à travers lequel le courant induit circulera. Les cages d'écureuil sont généralement fabriquées en cuivre ou en aluminium.

Cage d'Écureuil du Moteur à Induction

Des laminations en acier fines sont glissées sur les barres de la cage d'écureuil et comprimées entre les anneaux de court-circuit ; les matériaux de lamination du rotor impliqués sont similaires à ceux utilisés pour les laminations du stator. Les laminations ne suivent pas une orientation parfaitement droite, mais sont légèrement inclinées afin d'augmenter le couple produit. Il existe un degré maximum d'inclinaison que ces laminations peuvent adopter, et cela dépend de la conception du moteur. L'inclinaison des laminations réduit également le risque que le rotor du moteur se "verrouille" dans une position entre les champs magnétiques ; ce scénario provoque l'arrêt du rotor et empêche sa rotation même lorsque le courant est fourni aux bobinages du stator.

 

Boucliers d'Extrémité et Roulements

Les boucliers d'extrémité (cloches d'extrémité) sont montés aux extrémités opposées du cadre du moteur ; l'arbre du rotor passe à travers les deux boucliers d'extrémité. Une extrémité de l'arbre est l'extrémité d'entraînement (connectée à la charge) tandis que l'autre est l'extrémité non entraînée (généralement connectée à un ventilateur de refroidissement) ; les deux extrémités de l'arbre ont des clés d'arbre pour transférer le mouvement mécanique de l'arbre à ses connexions.

Roulement Anti-Friction

Des boucliers anti-poussière peuvent être installés entre l'arbre et les boucliers d'extrémité pour empêcher les particules étrangères de pénétrer à l'intérieur du moteur. Les particules étrangères peuvent entraîner la détérioration des bobinages du moteur ou d'autres pièces ; l'infiltration d'humidité est l'une des formes les plus courantes de défaillance du moteur.

À chaque extrémité de l'arbre du rotor, des roulements anti-friction sont installés. Chaque roulement est installé sur l'arbre du rotor et logé dans un renfoncement à l'intérieur de chaque cloche d'extrémité. Un roulement est généralement retenu à l'aide d'un clip en C (clip de retenue) tandis qu'une rondelle à ressort est utilisée pour le roulement opposé (dépend de la conception du moteur). L'utilisation de roulements garantit que l'arbre tourne en douceur et génère un minimum de friction, ce qui est particulièrement important car l'arbre peut tourner à grande vitesse.

Info – les moteurs plus grands n'utilisent pas de roulements anti-friction, ils utilisent des roulements lisses. Changer le type de roulement utilisé modifie également considérablement la conception. Par exemple, les roulements lisses nécessitent plus d'espace, une forme de lubrification (généralement de l'huile), et n'utilisent pas de rondelles à ressort ou de bagues de retenue en C. Les roulements lisses supportent également des charges plus élevées.

 

Ventilateur et Grille de Ventilateur

Attaché à l'extrémité non entraînée de l'arbre du rotor se trouve un ventilateur axial ; lorsque le rotor tourne, le ventilateur tourne également. Le ventilateur force l'air à travers l'extérieur du cadre du moteur pour le refroidir pendant le fonctionnement. Les ailettes du cadre du moteur servent d'échangeurs de chaleur et ont une grande surface de contact, ce qui augmente le taux de transfert de chaleur du moteur vers l'air et augmente ainsi la capacité d'auto-refroidissement du moteur.

Une grille de ventilateur protège le ventilateur des gros corps étrangers et protège les personnes ou les objets à proximité des pales du ventilateur en mouvement.

Grille de Ventilateur de Moteur

Info - un moteur surchauffé peut faire fondre l'isolation autour des bobinages et provoquer un court-circuit du moteur ; ce mode de défaillance n'est malheureusement pas rare mais peut facilement être évité en fournissant un refroidissement adéquat en tout temps.

 

Avantages et Inconvénients

Avantages du Moteur à Induction

• Utilisation étendue - les moteurs à induction sont utilisés pour une large gamme d'applications dans les environnements domestiques et industriels. On estime qu'environ 70% des machines utilisées dans l'industrie aujourd'hui sont entraînées par des moteurs à induction triphasés.
• Bon marché et facile à installer - les moteurs à induction à cage d'écureuil ne contiennent pas de balais, bagues de glissement, commutateurs, aimants permanents, capteurs de position, ou d'autres composants qui augmentent leur coût global. Leur construction simple garantit qu'ils sont généralement faciles à installer et à entretenir. L'absence de balais dans les moteurs à induction à cage d'écureuil signifie qu'aucune décharge électrique (étincelles) n'est créée à l'intérieur du moteur (théoriquement). Les moteurs à induction peuvent donc être utilisés dans des conditions environnementales plus dangereuses à condition qu'ils soient modifiés pour le faire (moteurs classés Ex, etc.).
• Faible entretien - les moteurs à induction nécessitent relativement peu d'entretien, surtout par rapport aux moteurs à courant continu qui contiennent des balais en carbone qui se détériorent facilement.  
• Longue durée de vie - les moteurs à induction sont considérés comme ayant une longue durée de vie comparativement car leurs pièces sont mécaniquement solides, résistantes à la corrosion et à l'érosion, et ont de faibles taux d'usure.
• Haute efficacité - les moteurs à induction ont une haute efficacité.
• Auto-démarrage - les moteurs à induction triphasés sont intrinsèquement auto-démarrants, c'est-à-dire que tant que le courant électrique est fourni aux bobinages du stator, le moteur tournera, aucune autre force externe n'est requise.

Inconvénients du Moteur à Induction

• Mauvais couple de démarrage - en raison de leur conception, les moteurs à induction ont généralement un faible couple de démarrage, un coût secondaire de leur haute efficacité. Pour cette raison, les moteurs à induction ne conviennent pas aux applications nécessitant un couple de démarrage élevé. Cependant, connecter le moteur indirectement à la charge, c'est-à-dire via des engrenages, des poulies, etc., peut contourner ce problème.
• Faible facteur de puissance pendant les conditions de faible charge – lors du démarrage et de la faible charge, le moteur nécessite un grand courant de magnétisation pour surmonter la résistance produite par le jeu d'air entre le stator et le rotor. La somme vectorielle des courants de charge et de magnétisation provoque un décalage de la tension, ce qui entraîne un faible facteur de puissance. En raison du grand courant de magnétisation, le moteur subira également une augmentation des pertes de cuivre, ce qui réduit son efficacité globale. 
• Difficulté à contrôler la vitesse - comme un moteur à induction triphasé est un moteur à vitesse constante, il subit naturellement très peu de variations de vitesse, ce qui rend la manipulation de sa vitesse difficile. Cependant, ce problème a été considérablement atténué ces dernières années grâce à l'avancement et à l'application de la technologie de variateur de vitesse. 

 

Annotations du Modèle

Couverture du Ventilateur

Une couverture empêche les dommages accidentels au ventilateur et au personnel.

Ventilateur Axial

Un ventilateur est utilisé pour forcer le refroidissement du moteur. L'air est aspiré à travers les grilles de la couverture du ventilateur en raison de la pression négative créée par le ventilateur, l'air est ensuite dirigé à travers le boîtier du moteur. L'air en mouvement refroidit le moteur et réduit le risque de surchauffe.

Écrou

Les écrous et boulons sont utilisés pour fixer les pièces du moteur ensemble. Les écrous choisis doivent avoir une résistance à la traction et des caractéristiques de résistance à la corrosion appropriées.

Les écrous sont la partie ‘femelle’ d'un assemblage écrou et boulon.

Rondelle de Blocage

Les rondelles de blocage sont utilisées pour appliquer une force de traction continue (force d'étirement) à l'assemblage boulon et écrou. La force de traction réduit la possibilité de desserrage de l'écrou en raison des vibrations.

Rondelle Plate

La rondelle plate distribue la force de compression exercée par l'assemblage boulon et écrou lors du serrage. La rondelle empêche également l'écrou et le boulon de ‘s'enfoncer’ dans les surfaces métalliques lors du serrage.

Couverture d'Extrémité du Moteur

La couverture d'extrémité abrite le roulement, le clip en C et parfois un joint anti-poussière. Les deux couvertures d'extrémité supportent le poids de l'arbre.

Logement du Roulement

Le roulement est logé dans cet espace.

Logement du Clip en C

Le clip en C est installé avec des pinces à clip en C. Après ouverture des pinces, le clip en C s'étend en raison des forces de traction résiduelles. La force résiduelle maintient le clip en C fermement dans la rainure et empêche le mouvement axial du roulement.

Roulement à Billes Scellé

Un roulement à billes scellé permet au rotor de tourner sans transférer le mouvement rotatif à d'autres parties stationnaires, c'est-à-dire le boîtier du moteur.

Clip en C / Bague de Retenue

Une bague de retenue est utilisée pour retenir le roulement à l'intérieur du boîtier de la couverture d'extrémité du moteur. La bague empêche le mouvement axial du roulement.

Boulon

Les écrous et boulons sont utilisés pour fixer les pièces du moteur ensemble. Les boulons choisis doivent avoir une résistance à la traction et des caractéristiques de résistance à la corrosion appropriées.

Les boulons sont la partie ‘mâle’ d'un assemblage écrou et boulon.

Boîtier / Logement du Moteur

Le boîtier du moteur abrite l'ensemble stator et rotor. Le boîtier doit être suffisamment solide pour résister aux contraintes électriques et mécaniques générées par le moteur ainsi qu'aux exigences physiques de son environnement de travail, par exemple les intempéries sévères.

Stator

Le stator contient les bobinages isolés pour les trois phases du moteur.

Le courant électrique circulant à travers ces bobinages est ce qui provoque la rotation du rotor.

Le noyau du stator est généralement construit en fer pour réduire les pertes de charge.

Échangeur de Chaleur

Les ailettes du radiateur augmentent la surface du boîtier du moteur. Une plus grande surface permet de retirer la chaleur plus rapidement grâce au flux d'air forcé par le ventilateur.

Borne de Connexion

L'alimentation triphasée et le câble de terre sont connectés à la plaque de bornes. Chacune des trois phases du moteur doit être correctement câblée à l'alimentation entrante. Les moteurs sont connectés soit en configuration étoile, soit en configuration triangle.

Boîtier de Borne

Le boîtier de borne protège la plaque de connexion et les connexions électriques des dommages causés par des objets étrangers tels que l'eau.

Œillet de Levage

L'œillet de levage permet de déplacer le moteur à l'aide d'une sangle, d'une corde, d'une grue, d'un palan ou d'un câble, etc. Il est nécessaire si le moteur est trop grand pour être déplacé uniquement à la main. Plusieurs œillets de levage peuvent être utilisés pour les grands moteurs.

Joint

Généralement construit en caoutchouc ou en carton. Le joint est ‘comprimé’ entre les deux surfaces métalliques afin de créer un espace scellé. Le joint empêche l'eau ou la contamination de passer entre les surfaces métalliques et dans le boîtier de la borne.

Pieds / Base

Le poids total du moteur est transféré à la structure ou au sol par les pieds. La base a des trous ou des canaux percés pour permettre l'alignement et la fixation du moteur.

Arbre du Rotor

L'arbre du rotor connecte le rotor aux roulements, au ventilateur et à la charge. Lors de l'installation, le rotor est parfois refroidi et les roulements chauffés pour permettre un assemblage facile (uniquement pour les petits moteurs).

Rotor

Le noyau du rotor est construit en laminations d'acier. Le champ magnétique créé par les bobinages du stator agit sur le rotor et le fait tourner. Le type de rotor utilisé dans cet exemple est un rotor en cage (moteur à cage d'écureuil).

Clé d'Arbre

La clé d'arbre est la seule connexion entre l'arbre du rotor et la charge entraînée, il est donc impératif que la clé puisse supporter les caractéristiques de charge complètes du moteur sans défaillir.

Anneau d'Extrémité

L'anneau d'extrémité est utilisé pour comprimer les laminations en acier ensemble.

Rainure de Clé d'Arbre

La clé d'arbre repose dans cette rainure.

Joint Anti-Poussière

Selon la conception, un joint anti-poussière en caoutchouc peut être placé dans cet espace. Le joint réduit le risque de contamination entrant dans le boîtier du moteur. Le joint est pressé entre l'arbre du rotor et la couverture d'extrémité du moteur.

 

Ressources Supplémentaires

https://en.wikipedia.org/wiki/Induction_motor

https://www.electrical4u.com/induction-motor-types-of-induction-motor

https://www.elprocus.com/induction-motor-types-advantages