Les moteurs électriques sont des dispositifs essentiels qui convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique et sont omniprésents dans notre vie quotidienne. En effet, ces moteurs électriques sont utilisés dans de nombreux types d’applications et de machines dont les puissances peuvent varier.
Mais alors comment fonctionnent-ils réellement ? Ont-ils tous un principe différent puisque leurs caractéristiques varient ? Et bien non, et dans ce guide, nous allons vous montrez que malgré leurs différences, les moteurs électriques fonctionnent tous sur le même principe.
Principes de base du fonctionnement d'un moteur électrique
En effet, le fonctionnement d'un moteur électrique est basé sur le principe bien établi de l'action-réaction.
Un moteur électrique est composé de deux parties principales : le stator et le rotor.
- Le stator est la partie fixe du moteur et contient les bobines conductrices.
- Le rotor, quant à lui, est monté sur un axe qui permet sa rotation à l'intérieur du stator.
Composants principaux d'un moteur électrique
Le stator est la partie fixe du moteur électrique. Il est composé de bobines en cuivre, appelées enroulements, qui sont réparties de manière régulière autour d'un noyau en fer laminé.
Le rotor est la partie mobile du moteur électrique. Il est également composé d'un noyau en fer laminé, généralement constitué de lamelles empilées pour réduire les pertes par courants induits.
Les roulements permettent de soutenir et guider le rotor afin de minimiser les frottements. Ils se fixent sur l’arbre moteur.
Le boîtier est l'enveloppe externe du moteur électrique. Il protège les composants internes et fournit une structure solide pour fixer le moteur sur différents types d'applications.
Les enroulements sont constitués de bobines en cuivre qui se trouvent sur le stator du moteur. Lorsqu'un courant électrique est appliqué sur les enroulements, ils créent un champ magnétique statique.
Le ventilateur est généralement monté sur l'arbre du moteur et il est souvent situé à l'arrière de la carcasse du moteur. Son rôle est d'assurer un refroidissement adéquat du moteur afin d’éviter les surchauffes et la dégradation du bobinage. Lorsque le moteur fonctionne, il produit de la chaleur due aux pertes d'énergie.
La boîte de raccordement est un compartiment externe situé sur le moteur électrique. Elle contient les connexions électriques nécessaires pour alimenter le moteur et relier les câbles d'alimentation au stator du moteur.
La carcasse est l'enveloppe externe rigide qui entoure tous les autres composants internes du moteur électrique. Sa principale fonction est de fournir une protection mécanique et une isolation électrique.
Les flasques sont des plaques métalliques fixées à chaque extrémité de la carcasse du moteur.
Ces différents éléments interagissent harmonieusement pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique, permettant ainsi au moteur électrique de faire fonctionner toutes sortes d'appareils et machines.
Types d'alimentation des moteurs électriques
Selon l’application, un moteur électrique fonctionne soit en courant continu (CC) ou en courant alternatif (CA).
Moteurs à courant continu (CC)
Les moteurs à courant continu ont un collecteur, qui est une pièce métallique connectée aux bobines du rotor. Un moteur électrique à courant continu (CC) crée un champ magnétique stable dans le stator à l’aide d’enroulements inducteurs ou d’aimants permanents. Pour maintenir cette rotation continue, le sens du courant électrique doit être inversé périodiquement.
Moteurs à courant alternatif (CA)
Pour les moteurs à courant alternatif, il n'y a pas de collecteur car l'alimentation se fait directement depuis une source de courant alternatif (comme le réseau électrique). Les moteurs électriques à courant alternatif (CA) utilisent un courant qui change continuellement de direction pour générer un champ magnétique rotatif dans le stator. Contrairement aux moteurs CC, ils n'ont pas besoin de collecteurs ou de brosses pour inverser la polarité.
Pour créer ce champ magnétique rotatif, les moteurs CA utilisent une “excitation 3 phases”, c'est-à-dire trois bobines conductrices décalées l'une par rapport à l'autre.
Il existe principalement deux types de moteurs à courant alternatif : les moteurs synchrones et les moteurs asynchrones.
Moteurs synchrones
Comme son nom l'indique, le moteur synchrone tourne exactement à la même vitesse que la fréquence du réseau électrique. Il se compose généralement d'un rotor (ou partie mobile) et d'un stator (partie fixe). Le champ magnétique produit par le stator fait tourner le rotor à la même vitesse ou "synchronisme". En effet, ces types de moteurs peuvent utiliser soit un aimant permanent soit un champ magnétique généré électriquement pour tourner à la même fréquence que le courant alternatif. Les avantages des moteurs synchrones incluent leur efficacité énergétique, surtout lorsqu'ils sont utilisés à pleine capacité.
Les moteurs synchrones présentent, eux, un glissement nul. Ils sont donc ceux vers qui se tournent aujourd’hui les constructeurs de véhicules électriques : avec de meilleurs rapports couple/poids et puissance volumique et avec des rendements supérieurs, ils sont divisés en deux catégories : les bobinés et les aimants permanents.
Le moteur synchrone bobiné n’a pas d’aimants au rotor mais un bobinage pour créer le champ. Sa densité de couple est comparable aux machines asynchrones. Il a un pilotage plus simple que pour les machines à aimants. Le pilotage est réalisé par le contrôle du champ du rotor à travers son bobinage via un régulateur électronique faible puissance et des balais pour amener le courant au rotor.
Tandis que les bobinés ont un rotor aimanté à l’aide de courants, les moteurs synchrones à aimants permanents n’ont pas besoin d’enroulements au rotor. Ils sont donc plus légers et n’ont plus de pertes joules au rotor ; les pertes au stator étant faciles à évacuer. Ce moteur présente un couple massique maximal pour les machines à flux radial, une dynamique en couple très élevée et un temps de réponse très rapide (quelques dizaines de ms). Son pilotage est complexe avec courant sinusoïdaux et capteur de position. Il a un bon rendement à forte charge mais des pertes significatives à charge partielle et haut régime.
Moteurs asynchrones
Le moteur asynchrone, aussi connu sous le nom de « moteur induction », doit son appellation au décalage présent entre la vitesse de rotation du champ magnétique et celle du rotor.
Dans un moteur asynchrone, un champ magnétique tournant est créé dans le stator (la partie fixe du moteur) par le passage d'un courant alternatif. Ce champ magnétique induit un courant dans le rotor qui à son tour crée son propre champ magnétique.
L'une des principales forces du moteur asynchrone est son coût relativement faible par rapport aux autres types de moteurs. Ils sont généralement employés dans la plupart des applications industrielles et résidentielles pour le pompage, la ventilation ou encore les systèmes de climatisation. Cependant il n'est pas adapté aux charges nécessitant un couple élevé à basse vitesse. Leur performance est généralement inférieure aux moteurs synchrones en termes d'efficacité énergétique, mais leur simplicité mécanique et leur résilience les rendent idéales pour une multitude d'applications industrielles.
Dans ce moteur, le stator est alimenté en courants triphasés sinusoïdaux. Un champ statorique tournant est donc généré. Ce dernier induit des courants dans le rotor et entraine ainsi le rotor en rotation à une vitesse plus faible que celle du champ statorique tournant. L’écart de vitesse est caractérisé par le glissement. C’est ce glissement qui est la grande faiblesse des moteurs asynchrones : plus il est important, plus le rendement du moteur est faible.
C’est une machine sans balais, sans aimants et équipée d’un capteur de régime. Si sa dynamique en couple est moins bonne que pour celle d’une machine à aimants, son pilotage est plus simple que pour les machines synchrones.
Le moteur asynchrone présente un bon rendement à faible charge mais nécessite un entrefer faible ce qui ne permet pas de réaliser des moteurs roue. Il présente des pertes significatives à fort couple et bas régime (magnétisation du rotor).
Moteur à réluctance variable
Ce moteur est basé sur le principe de la réluctance, il a un rotor uniquement composé de tôles et des bobinages au stator. L ’avantage de ce type de moteur est que ses pertes rotoriques sont très faibles, il y a très peu de courant induit et la température des roulements est moins élevée. Un prix attractif et une simplicité de réalisation de la machine sont contrebalancés par un pilotage complexe, des courants non sinusoïdaux, un entrefer réduit et une structure d’onduleur (4 ou 6 phases) spécifique à cette technologie.
Comment choisir un moteur électrique adapté ?
Lorsque vous choisissez un moteur électrique pour votre application, il est important de tenir compte de plusieurs critères pour vous assurer que vous optez pour la solution la plus adaptée à vos besoins.
- Type de moteur : il existe plusieurs types de moteurs électriques, notamment les moteurs à courant continu, les moteurs à courant alternatif (moteur asynchrone).
- Consommation énergétique : Le rendement énergétique de votre produit est important pour réaliser des économies d'énergie sur l'utilisation du moteur.
- Fréquence (ou vitesse) : Pourrez-vous modifier la fréquence ou la vitesse avec un variateur pour rendre votre machine adaptable à tous les besoins ? Vérifiez avant d'acheter.
- Tension : De la même manière que le type de courant électrique impacte l'utilisation de votre moteur, c'est également le cas de sa tension.
Choisir un moteur électrique adapté à son installation n’est jamais une simple formalité, que ce soit pour équiper une machine industrielle, une pompe d’atelier, une bétonnière ou un treuil de chantier. Il faut considérer plusieurs critères : le type d’alimentation (monophasé ou triphasé), la puissance requise, la vitesse de rotation, mais aussi des aspects mécaniques comme le type de fixation, la taille de l’arbre ou encore les conditions d’utilisation.
Les différents critères à considérer
- Type d'alimentation : Le premier critère à considérer est la tension d’alimentation disponible sur le lieu d’installation.
- Les moteurs monophasés : conçus pour une alimentation en 230V, ils sont couramment utilisés dans les environnements domestiques ou semi-professionnels. Leur condensateur permet le démarrage et le maintien en rotation.
- Les moteurs triphasés : destinés aux installations en 230V Triphasé, 400V ou 690V, ils offrent un meilleur rendement, une efficacité plus élevée et une durée de vie supérieure.
- Type de moteur (asynchrone) : La grande majorité des moteurs électriques industriels ou de chantier sont de type asynchrone, qu’ils soient monophasés ou triphasés.
- Puissance : La puissance doit être en adéquation avec les efforts à fournir. Il ne s’agit pas de surdimensionner systématiquement : un moteur trop puissant sera plus cher, consommera plus et risquera de ne pas atteindre sa puissance nominale, ce qui diminue son rendement. Chaque moteur délivre un couple qui doit être supérieur au couple résistant de la charge (par exemple une bétonnière ou une scie).
- Vitesse de rotation : Attention il s’agit de valeur théorique, le nombre de tours est différent à chaque fabrication de moteur. Par exemple pour un 1500 tr/min, la vitesse réelle du moteur sera entre 1350 et 1480 tr/min.
- Type de fixation : Le type dépend de l’application (moteur monté horizontalement, verticalement, en flasque...). La taille du moteur est souvent standardisée (ex. 63, 71, 90, 100L, etc.). Elle correspond à la distance entre le centre de l’arbre et la base moteur.
- Taille de l'arbre : Un arbre trop fin peut fléchir sous le couple. Un arbre trop gros nécessitera de modifier l’accouplement.
- Rendement énergétique : Le rendement énergétique d’un moteur asynchrone a un impact direct sur sa consommation. Un moteur électrique efficace consomme moins, chauffe moins et dure plus longtemps.
- Indice de protection (IP) : IP55 est courant pour les moteurs standards.
Comment identifier les caractéristiques d'un moteur ?
Avant toute chose, observez la plaque signalétique de votre moteur actuel ou du modèle envisagé.
Le plus simple (quand cela est possible) est de lire la plaque signalétique du moteur. Si vous souhaitez en savoir davantage à ce sujet, nous vous invitons à aller à la section Lire et comprendre la plaque signalétique de mon moteur électrique.
Si la plaque signalétique est illisible, il faut se rapprocher du constructeur de la machine sur laquelle est fixé le moteur électrique pour connaître ses préconisations.
La plaque signalétique d'un moteur est en quelque sorte sa carte d'identité, tous les renseignements utiles et exigées par la norme IEC60034-1 y sont répertoriés. Il est intéressant de connaître leur signification.
La plaque signalétique est en aluminium ou en acier selon le fabriquant et est fixée sur la partie latérale ou supérieure de la carcasse du moteur.
Informations présentes sur la plaque signalétique
- Type de moteur : les moteurs sont normalisés par type en fonction de leur puissance, de leur vitesse de rotation et de leur hauteur d'axe.
- Vitesse de rotation exprimée en tr/min ou rpm (Rotation par minute).
- Tous les moteurs en configuration standard sont en IP 55.
Exemple d'interprétation de l'indice de protection IP55
- 5 : Machine protégée contre la poussière et contre les contacts accidentels. Sanction de l'essai: pas d'entrée de poussière en quantité nuisible, aucun contact direct avec des pièces de rotation. L'essai aura une durée de 2 heures.
- 5 : Machine protégée contre les projections d'eau dans toutes les directions provenant d'une lance de débit de 12.5 l/min sous 0.3 bar à une distance de 3 m de la machine. L'essai à une durée de 3 minutes. Sanction de l'essai: pas d'effet nuisible de l'eau projetée sur la machine.
Tableau récapitulatif des caractéristiques à vérifier lors du remplacement d'un moteur électrique
| Caractéristique | Description |
|---|---|
| Type de moteur | Monophasé ou triphasé |
| Tension d'alimentation | 230V, 400V, etc. |
| Puissance (kW) | Adaptée à la charge |
| Vitesse de rotation (tr/min) | Nombre de tours par minute |
| Type de fixation | Pattes, bride, etc. |
| Taille de l'arbre | Diamètre et longueur |
| Indice de protection (IP) | Protection contre les éléments extérieurs |
Inversion du sens de rotation
Oui, les moteurs monophasés peuvent tourner dans les deux sens de rotation (horaire et anti horaire). Il suffit de modifier le câblage du condensateur de votre moteur monophasé en suivant le schéma ci-dessous.
Oui, les moteurs triphasé peuvent tourner dans les deux sens de rotation (horaire et anti horaire). Il suffit d'inverser deux des trois phases pour changer le sens de rotation d'un moteur triphasé.
Protection des moteurs électriques
Les protections des moteurs électriques contre les surintensités (surcharges mécaniques et courts-circuits) ont pour but d’éviter un échauffement excessif du moteur, du à l’absorption d’un courant trop élevé et pouvant entraîner sa destruction.
Il est nécessaire de régler le thermique du disjoncteur moteur à la valeur d'intensité nominal (Ampère) inscrite sur la plaque signalétique du moteur.
Classification énergétique des moteurs électriques
La norme CEI 60034-30 définit les exigences de rendement de moteurs électriques de moins de 375 kW. Ils sont répartis en trois classes : de IE1 à IE3 (par ordre croissant de performance).
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