Structure et fonction du moteur asynchrone

Rotors en court-circuit et rotors à bagues

Moteur asynchrone

Le moteur asyn­chrone est égale­ment appelé moteur à induc­tion, car les moteurs asyn­chrones fonc­tion­nent selon le principe de l’in­duc­tion. Le moteur asyn­chrone est désigné par les abrévi­a­tions ASM ou IM. En fonc­tion­nement moteur, le rotor d’un moteur asyn­chrone tourne plus lente­ment que le champ mag­né­tique rotatif du sta­tor, donc de manière asyn­chrone par rap­port au sta­tor. La dif­férence entre la vitesse de rota­tion du sta­tor et la vitesse de rota­tion du rotor est égale­ment appelée “glisse­ment”. Si la vitesse du rotor est égale à la vitesse du sta­tor, le glisse­ment est nul et le moteur asyn­chrone ne four­nit pas de cou­ple posi­tif. En mode généra­teur, le rotor tourne plus vite que le champ de rota­tion du sta­tor. La dif­férence de vitesse génère un cou­ple négatif qui tente de frein­er le rotor. Les moteurs asyn­chrones qui fonc­tion­nent directe­ment sur du courant alter­natif biphasé ou triphasé sans inverseur ont un ren­de­ment inférieur à celui des moteurs syn­chrones à aimants per­ma­nents. Toute­fois, les moteurs asyn­chrones qui fonc­tion­nent avec un inverseur peu­vent attein­dre des ren­de­ments élevés similaires.

Structure du moteur asynchrone

Il existe deux types de moteurs asyn­chrones dif­férents : les moteurs à cage d’écureuil et les moteurs à bagues. La struc­ture du sta­tor est la même pour les deux et ressem­ble à celle d’un moteur syn­chrone. Pour con­duire le flux mag­né­tique dans le moteur élec­trique, le sta­tor et le rotor sont con­sti­tués de plusieurs couch­es de tôle élec­trique, dont l’é­pais­seur est générale­ment de 0,5 mm. Plus la tôle élec­trique est fine, plus les pertes par courants de Fou­cault dans le moteur élec­trique sont faibles et plus son ren­de­ment est élevé. Le sta­tor porte les enroule­ments dans lesquels cir­cule le courant triphasé. En règle générale, le sta­tor com­porte trois phas­es de moteur qui peu­vent être con­nec­tées en étoile ou en tri­an­gle. Mais il existe égale­ment des moteurs avec plusieurs phas­es, voire moins, ce qui dépend prin­ci­pale­ment de l’u­til­i­sa­tion prévue et de la ten­sion d’al­i­men­ta­tion. Le rotor con­tient des bar­res con­duc­tri­ces court-cir­cuitées ou des enroule­ments, selon le type de moteur asynchrone.

Vidéo sur les moteurs asynchrones

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Moteur asynchrone à rotor à cage d’écureuil

Moteur asynchrone rotor à cage d'écureuil

Le rotor d’un rotor à cage d’écureuil est con­sti­tué d’une cage de bar­res en alu­mini­um ou en cuiv­re. Les bar­res sont court-cir­cuitées aux extrémités supérieures et inférieures par des anneaux du même matéri­au. Le rotor à cage d’écureuil est le plus sou­vent util­isé car il ne pos­sède pas de bagues col­lec­tri­ces et a donc une durée de vie plus longue. De plus, la fab­ri­ca­tion du rotor est beau­coup moins coûteuse.

Moteur asynchrone avec rotor à bagues

Dans le cas d’un rotor à bagues, le rotor est con­sti­tué d’en­roule­ments et non de bar­res. Les enroule­ments ne sont pas court-cir­cuités dans le rotor, mais con­duits vers l’ex­térieur par des bagues col­lec­tri­ces et court-cir­cuités par des résis­tances sup­plé­men­taires. Les résis­tances extérieures au moteur élec­trique per­me­t­tent d’in­flu­encer le flux de courant dans le rotor.

Moteur asynchrone-Laveur de bagues abrasives

Moteur asynchrone fonctionnement

Un champ mag­né­tique tour­nant est généré par un courant triphasé dans les enroule­ments du sta­tor. Le champ mag­né­tique rotatif du sta­tor tra­verse égale­ment le rotor via l’en­tre­fer. Lorsqu’il y a une dif­férence de vitesse entre la vitesse du rotor et la vitesse du sta­tor, le champ mag­né­tique rotatif induit une ten­sion dans les bar­res con­duc­tri­ces du rotor. Comme les bar­res con­duc­tri­ces sont court-cir­cuitées entre elles aux extrémités inférieure et supérieure, la ten­sion induite génère un flux de courant dans les bar­res. Le courant de court-cir­cuit dans les bar­reaux génère à son tour un champ mag­né­tique dans le rotor, qui suit le champ mag­né­tique du sta­tor. Con­traire­ment aux moteurs syn­chrones à aimants per­ma­nents, le champ mag­né­tique du rotor n’est pas lié à l’emplacement, mais tourne sur le rotor. Lorsque le rotor tourne à la même vitesse que le sta­tor, il n’y a plus de courant induit dans les bar­res con­duc­tri­ces et donc plus de cou­ple généré. En cas de court-cir­cuit du sta­tor, plus aucune ten­sion n’est induite par le rotor. Cela fait du moteur asyn­chrone un moteur élec­trique très sûr, rai­son pour laque­lle de grands con­struc­teurs auto­mo­biles comme Tes­la et Audi, entre autres, utilisent le moteur asyn­chrone dans leurs véhicules électriques.

Avantages et inconvénients

Jetez un coup d’œil sur les avan­tages et les incon­vénients des moteurs asyn­chrones à bagues et à cage d’écureuil avec et sans inverseur. 
Moteur asynchrone avantages inconvénients

ASM Rotor à bagues

Le prin­ci­pal avan­tage d’un moteur asyn­chrone avec bagues col­lec­tri­ces est le cou­ple plus élevé dans la plage de vitesses inférieure et le courant de démar­rage plus faible. Cepen­dant, le coût sup­plé­men­taire des bagues col­lec­tri­ces et égale­ment de la fab­ri­ca­tion du rotor avec les enroule­ments est con­sid­érable. C’est pourquoi le rotor à bagues n’est util­isé aujour­d’hui que pour les très gros moteurs élec­triques, pour lesquels un con­ver­tis­seur serait trop coûteux.

Cage de court-circuit ASM sans inverseur

Le prin­ci­pal avan­tage d’un moteur à cage d’écureuil est le faible coût de fab­ri­ca­tion du rotor par rap­port à un moteur syn­chrone à aimants per­ma­nents, ou PMSM. Le moteur asyn­chrone est très résis­tant aux tem­péra­tures élevées. Il n’est pas néces­saire de se préoc­cu­per de la démag­néti­sa­tion des aimants, comme c’est le cas pour un PMSM. Son prin­ci­pal incon­vénient est son faible cou­ple de démar­rage et son faible ren­de­ment si vous n’u­tilisez pas de convertisseur.

Cage de court-circuit ASM avec inverseur

Avec un con­ver­tis­seur, le moteur asyn­chrone peut attein­dre un ren­de­ment aus­si élevé qu’un PMSM à grande vitesse. La puis­sance et le cou­ple de pointe sont égale­ment très bons, car il n’est pas néces­saire de se préoc­cu­per de la démag­néti­sa­tion des aimants. La puis­sance con­tin­ue peut pos­er prob­lème si la chaleur générée dans le rotor ne peut pas être évac­uée correctement.