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Le groupe des machines à champ tournant comprend des machines électriques dont le fonctionnement repose sur unchamp magnétique tournantdans l'entrefer entre le stator et le rotor. La machine entraînée la plus importante et la plus couramment utilisée de ce groupe est le moteur asynchrone à induction à courant triphasé de l'exécution en rotor en court-circuit. Celui-ci se caractérise par les particularités suivantes :
Dans le domaine de la systèmes d'entraînement , on utilise généralement les moteurs électriques suivants :
Étant donné que la vitesse de rotation des moteurs triphasés peut être régulée plus efficacement, plus simplement et avec un entretien réduit à l’aide d’un variateur de fréquence, les moteurs à courant continu et moteurs triphasés à bagues perdent de plus en plus de leur importance. Les autres types de moteurs asynchrones triphasés ne jouent qu’un rôle mineur dans les systèmes d’entraînement. C’est pourquoi nous renonçons ici à une description plus détaillée.
Si l’on combine un moteur électrique, tel qu’un moteur triphasé, avec un réducteur, on obtient ce qu’on appelle un motoréducteur. Quel que soit le principe de fonctionnement électrique du moteur concerné, la manière dont celui-ci est monté sur un réducteur revêt une importance particulière pour la conception mécanique du moteur. SEW-EURODRIVE utilise à cet effetdes moteurs spécialement adaptés.
rotor
Dans les rainures du paquet de tôles du rotor se trouve un bobinage moulé par injection ou inséré (généralement en aluminium et/ou en cuivre) ; classiquement, une spire correspond à une barre. Ces barres sont court-circuitées aux deux extrémités par des anneaux du même matériau. Si l’on imagine retirer le paquet de tôles, les barres avec leurs bagues de court-circuit rappellent une cage. C’est de là que provient le deuxième nom couramment utilisé pourles moteurs triphasés: « moteur à cage ».
Stator
Le bobinage, enrobé de résine synthétique, est inséré dans les rainures semi-fermées du paquet de tôles du stator. Le nombre de spires et la largeur des spires sont modifiés afin d’obtenir différents nombres de pôles (= vitesses). Avec le carter du moteur, le paquet de tôles forme ce qu’on appelle le stator.
Flasques
Les flasques en acier, en fonte grise ou en aluminium moulé sous pression ferment l'espace intérieur du moteur des côtés A et B. L'exécution au niveau de la jonction avec le stator détermine, entre autres, l'indice de protection du moteur.
Arbre du rotor
Le paquet de tôles côté rotor est monté sur un arbre en acier. Les deux bouts d’arbre traversent respectivement les flasques côté A et côté B. Du côté A, l’extrémité de l’arbre de sortie est exécutée comme un pignon (sur le motoréducteur) ; du côté B, le ventilateur avec ses pales pour la ventilation interne et/ou des systèmes complémentaires tels que des freins mécaniques et des codeurs sont montés.
Carter du moteur
Pour les puissances faibles à moyennes, les carters de moteur peuvent être fabriqués en aluminium moulé sous pression. Cependant, les carters de toutes les classes de puissance sont également fabriqués en fonte grise et en acier soudé. Une boîte à bornes est fixée au carter ; c’est là que les extrémités des enroulements du stator sont raccordées à un bloc de bornes en vue du raccordement électrique par le client. Des ailettes de refroidissement agrandissent la surface du carter et augmentent ainsi le transfert de chaleur vers l’environnement.
Ventilateur, capot de ventilateur
Un ventilateur situé à la bout d'arbre côté B est recouvert d’un capot. Ce capot dirige le flux d’air généré par le mouvement de rotation du ventilateur vers les ailettes du carter. En règle générale, les ventilateurs ne dépendent pas du sens de rotation du rotor. Un chapeau de protection en option empêche les (petites) pièces de tomber à travers la grille du capot de ventilateur dans les positions de montage verticales.
Roulements
Les roulements situés dans les flasques des côtés A et B relient mécaniquement les pièces rotatives aux pièces deboutes. On utilise le plus souvent des roulements à billes, plus rarement des roulements à rouleaux cylindriques. La taille des roulements dépend des forces et des vitesses de rotation que chaque roulement doit supporter. Différents systèmes d'étanchéité garantissent le maintien des propriétés de lubrification requises à l'intérieur du roulement et empêchent les fuites d'huile et/ou de graisse.
Le système d’enroulement symétrique à trois branches du stator est raccordé à un réseau triphasé de tension et de fréquence appropriées. Dans chacune des trois branches d’enroulement circulent des courants sinusoïdaux de même amplitude, décalés dans le temps de 120° les uns par rapport aux autres. Grâce aux branches d’enroulement également décalées de 120° dans l’espace, le stator génère un champ magnétique qui tourne à la fréquence de la tension appliquée.
Ce champ magnétique tournant – appelé en abrégé champ tournant – induit une tension électrique dans le bobinage rotor ou dans les barres du rotor. Comme le bobinage est court-circuité par l’anneau, des des courants de court-circuit circulent.Conjointement avec le champ tournant, des forces s’établissent et génèrent, sur le rayon du rotor, un couple qui accélère le rotor dans le sens du champ tournant jusqu’à sa vitesse de rotation. À mesure que la vitesse de rotation du rotor augmente, la fréquence de la tension générée dans le rotor diminue, car la différence entre la vitesse de rotation du champ tournant et celle du rotor s'amenuise.
Les tensions induites, désormais plus faibles, entraînent des courants plus faibles dans la cage du rotor et, par conséquent, des forces et des couples plus faibles. Si le rotor atteignait la même vitesse de rotation que le champ tournant, il tournerait de manière synchrone et aucune tension ne serait induite – le moteur ne pourrait donc pas développer de couple. Cependant, le couple de charge et les couples de frottement dans les paliers entraînent une différence entre la vitesse du rotor et celle du champ tournant, ce qui conduit à un équilibre entre le couple d’accélération et le couple de charge. Le moteur fonctionne de manière asynchrone.
Selon la charge du moteur, cette différence est plus ou moins importante, mais jamais nulle, car même en marche à vide, il y a toujours un frottement dans les roulements. Si le couple de charge dépasse le couple d’accélération maximal que le moteur peut produire, celui-ci « bascule » dans un état de fonctionnement non admissible, pouvant éventuellement entraîner des dommages thermiques.
Ce mouvement relatif entre la vitesse du champ tournant et la vitesse mécanique, nécessaire au fonctionnement, est défini comme le glissement s et est exprimé en pourcentage de la vitesse du champ tournant. Sur les moteurs de faible puissance, le glissement peut atteindre 10 à 15 %, tandis que les moteurs triphasés de plus grande puissance présentent un glissement d’environ 2 à 5 %.
Le moteur de courant triphasé à rotor en cage absorbe de la puissance électrique du réseau et la convertit en puissance mécanique – c'est-à-dire en vitesse et en couple. Si le moteur fonctionnait sans pertes, la puissance mécanique délivrée Pseraitégaleàlapuissance électrique absorbée P.
Comme c’est inévitable lors de toute conversion d’énergie, des pertes apparaissent également dans le moteur à courant triphasé à rotor en cage :les pertes dans le cuivre PCuetles pertes dans les barres PZsurviennent lorsqu’un courant traverse un conducteur,les pertes de fer PFerésultent de la remagnétisation du paquet de tôles à la fréquence réseau. Les pertes de frottement PRbsont dues au frottement dans les roulements ; et les pertes par ventilation sont dues à l'utilisation de l'air pour le refroidissement. Ces pertes dans le cuivre, dans les barres, dans le fer et par frottement provoquent l'échauffement du moteur. Le rapport entre la puissance délivrée et la puissance absorbée est défini comme le rendement de la machine.
En raison des exigences légales, on accorde depuis quelques années une attention accrue à l’utilisation de moteurs présentant des rendements plus élevés. Des accords normatifs définissent à cet effet des classes d’économie d’énergie, qui ont été intégrées par les fabricants dans les caractéristiques techniques. Afin de réduire les principales pertes liées à la machine, cela implique, pour la conception du moteur électrique :
Si l'on trace les courbes du couple et du courant en fonction de la vitesse de rotation, on obtient la courbecaractéristiquecouple-vitesse de rotation du moteur triphasé à rotor en cage. Jusqu'à ce qu'il atteigne son point de fonctionnement stable, le moteur parcourt cette courbe caractéristique après chaque mise en marche. Le nombre de pôles, la conception et le matériau du bobinage rotor influencent la courbe caractéristique. La connaissance de ces courbes caractéristiques est particulièrement importante pour les entraînements fonctionnant avec des couples résistants (par exemple, les dispositifs de levage).
Si le couple résistant de la machine entraînée est supérieur au couple de démarrage minimum, la vitesse du rotor « restera bloquée dans la selle ». Le moteur n’atteint plus son point de fonctionnement nominal, c’est-à-dire le point de fonctionnement stable et thermique. Si le couple résistant est même supérieur au couple de démarrage, le moteur s’arrête. Si un entraînement en marche est en surcharge (par exemple, un convoyeur à bande surchargé), la vitesse diminue à mesure que la charge augmente. Si le couple résistant dépasse le couple de décrochage, le moteur « décroche » et la vitesse de rotation chute jusqu’à la vitesse de selle, voire jusqu’à zéro. Tous ces scénarios entraînent des courants très importants dans le rotor et le stator, ce qui provoque un échauffement très rapide de ces deux éléments. En l’absence de dispositifs de protection adaptés, cela peut entraîner la destruction thermique du moteur – il « grille ».
La chaleur générée dans un conducteur traversé par le courant dépend de la résistance du conducteur et de l’intensité du courant qui le traverse. Les mises en marche fréquentes et les démarrages avec couple résistant soumettent le moteur triphasé à rotor en court-circuit à une charge thermique très forte. L’ échauffement admissible du moteur dépend de la température du fluide de refroidissement qui l’entoure (par exemple l’air) et de la résistance thermique du matériau d’isolation du bobinage.
Les surchauffes maximales admissibles des moteurs sont régies par une classification en classes d’isolation (anciennement appelées « classes d’isolation »). Le moteur doit pouvoir fonctionner dans la classe d'isolation pour laquelle il a été conçu, avec la surchauffe continue liée à sa puissance nominale, sans subir de dommages. À une température du liquide de refroidissement maximale de 40 °C, la surchauffe limite admissible est, par exemple, dans la classe d'isolation 130 (B) : dT = 80 K.
La fréquence de commutation admissible indique combien de fois par heure un moteur peut être mis en marche sans subir de surcharge thermique. Elle dépend :
La fréquence de commutation admissible d'un moteur peut être augmentée grâce aux mesures suivantes :
Les moteurs à courant triphasé à cage d'écureuil peuventfonctionner à différentes vitesses de rotationgrâce à la commutation des bobinages ou de parties de bobinages . L'insertion de plusieurs bobinages dans les rainures du stator ou l'inversion du sens du courant dans certaines parties de bobinages permet d'obtenir différents nombres de pôles. Lorsque les bobinages sont séparés, la puissance par nombre de pôles est inférieure à la moitié de celle d’un moteur à vitesse fixe de même taille.
Les motoréducteurs triphasés à pôles commutables sont par exemple utilisés comme entraînements pour translation. La vitesse de déplacement est élevée lors de l’exploitation avec un nombre de pôles faible. Pour positionner, on commute sur le bobinage à polarité élevée avec une vitesse de rotation faible. Lors de la commutation, le moteur conserve dans un premier temps sa vitesse de rotation élevée en raison de l’inertie. Le moteur triphasé fonctionne alors en générateur et freine. L’énergie cinétique est convertie en énergie électrique et réinjectée dans le réseau. L’inconvénient réside dans l’important coup de couple lors de la commutation, qui peut toutefois être réduit par des mesures de commutation appropriées.
Le développement actuel de technologies de convertisseurs peu coûteuses favorise le remplacement technologique des moteurs à pôles commutables par des moteurs à vitesse unique régulés en fréquence dans de nombreuses applications.
Un moteur monophasé constitue un bon choix lorsque, dans les applications
Les ventilateurs, les pompes et les compresseurs comptent parmi les exemples d’utilisation typiques. On distingue icideux différences de conception fondamentales :
d'une part, lemoteurtriphasé classique n'est raccordé qu'à une phase et au neutre. La troisième connexion est simulée par le décalage des phases à l'aide d'un condensateur. Comme le condensateur ne peut pas générer un déphasage de 120°, mais seulement de 90°, ce type de moteur monophasé est généralement dimensionné pour ne fournir que les deux tiers de la puissance d’un moteur triphasé comparable.
La deuxième méthode de construction d’un moteur monophasé consiste en une adaptation du bobinage. Au lieu d’un bobinage triphasé, on ne réalise que deux phases, qui sont en outre distinctes : la phase principale et la phase auxiliaire. Les bobines, désormais décalées de 90° dans l'espace, sont alimentées avec un décalage temporel de 90° grâce à un condensateur, ce qui crée le champ tournant. Les rapports de courant inégaux entre l'enroulement principal et l'enroulement auxiliaire ne permettent généralement d'atteindre que les deux tiers de la puissance d'un moteur triphasé de même taille. Les moteurs typiques pour l'exploitation monophasée sont le moteur à condensateur, le moteur à entrefer ainsi que le moteur de démarrage, qui fonctionne sans condensateur.
SEW-EURODRIVE propose dans sa gamme les deux types de moteurs monophasés : les moteurs DRK... Tous deux sont livrés avec un condensateur intégré. Celui-ci étant logé directement dans la boîte à bornes, cela permet d’éviter les contours gênants. Avec un condensateur, environ 45 à 50 % du couple nominal sont disponibles pour le démarrage.
Pour les clients qui ont besoin d’un couple de démarrage plus élevé, pouvant atteindre 150 % du couple nominal, SEW-EURODRIVE peut fournir les valeurs de capacité des condensateurs de démarrage nécessaires, disponibles dans les magasins spécialisés bien achalandés.
Les aimants à champ tournant sont des versions spéciales de moteurs triphasés à induit à cage d'écureuil. Ils sont dimensionnés de manière à ce que, même à une vitesse de rotation nulle, leur consommation de courant reste suffisamment faible pour éviter toute destruction thermique. Cela s’avère utile, par exemple,lors del’ ouverture de portes,dela commande d’aiguillages ou pourles outils de presse, lorsqu’une position doit être atteinte et maintenue de manière sûre par le moteur et le système électrique.
Un autre mode d’exploitation courant est ce qu’on appellele freinage par courant inverse : une charge externe est capable de faire tourner le rotor dans le sens de rotation inverse du champ tournant. Le champ tournant « freine » la vitesse de rotation et extrait du système l’énergie en générateur qui est réinjectée dans le réseau – en quelque sorte un freinage rotatif sans travail du frein.
Avec la série DR2M.., SEW-EURODRIVE propose des aimants de champ tournant à 12 pôles, conçus pour une utilisation en charge thermique continue avec un couple nominal à l’arrêt. Les aimants à champ tournant de SEW-EURODRIVE s’adaptent à différentes exigences et vitesses et sont proposés avec jusqu’à trois couples nominaux, en fonction du mode d'exploitation.
Lorsque des moteurs électriques sont utilisés dans des zones à risque d'explosion (conformément à la directive 2014/34/UE (ATEX)), certaines mesures de sauvegarde doivent être prises au niveau des entraînements. À cet effet, SEW-EURODRIVE propose, en fonction du domaine d'application et de la région, différents moteurs triphasés en exécution pour atmosphères explosibles .
Pour les applications fonctionnant directement sur le réseau et devant en outre présenter une vitesse synchrone, ou disposant de cette caractéristique sans codeur sur un simple variateur de vitesse, SEW-EURODRIVE propose ce que l’on appelleles moteurs LSPM. LSPM est l’abréviation de Line Start Permanent Magnet. Le moteur LSPM est un moteur asynchrone triphasé doté d’ aimants permanents supplémentaires dans le rotor. Il démarre de manière asynchrone, puis se synchronise sur la fréquence d’alimentation et fonctionne dès lors en mode synchronisé, sans glissement, en phase avec la fréquence réseau. Une technologie de moteur qui ouvrede nouvelles possibilités d’application flexibles dans les systèmes d’entraînement, par exemple le transfert de charges sans chute de vitesse.
Ces moteurs hybrides compactsneprésentent aucune perte dans le rotor en exploitation et impressionnent par leur rendement élevé. Ils atteignent des classes d’efficacité énergétique allant jusqu’à IE4.
La taille d’un moteur DR..J doté de la technologie LSPM est inférieure de deux niveaux à celle d’un moteur de série de puissance équivalente et de même classe de rendement. Les moteurs de même taille atteignent en revanche une classe de rendement deux fois supérieure à celle des moteurs asynchrones.
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