Moteur à induction à Cage d’écureuil: Principe de fonctionnement et applications

Qu’est-ce qu’un moteur à induction à cage d’écureuil

Un moteur à induction à cage d’écureuil à 3 phases est un type de moteur à induction triphasé qui fonctionne selon le principe de l’électromagnétisme. On l’appelle un moteur de « cage d’écureuil » car le rotor à l’intérieur de celui–ci – connu sous le nom de « rotor de cage d’écureuil » – ressemble à une cage d’écureuil.

Ce rotor est un cylindre de tôles d’acier, avec un métal hautement conducteur (généralement de l’aluminium ou du cuivre) intégré à sa surface. Lorsqu’un courant alternatif traverse les enroulements du stator, un champ magnétique rotatif est produit.

Cela induit un courant dans l’enroulement du rotor, qui produit son propre champ magnétique. L’interaction des champs magnétiques produits par les enroulements du stator et du rotor produit un couple sur le rotor de la cage d’écureuil.

Un grand avantage d’un moteur à cage d’écureuil est la facilité avec laquelle vous pouvez modifier ses caractéristiques vitesse-couple. Cela peut être fait en ajustant simplement la forme des barres dans le rotor. Les moteurs à induction à cage d’écureuil sont beaucoup utilisés dans l’industrie – car ils sont fiables, à démarrage automatique et faciles à régler.

Principe de fonctionnement du moteur à induction à cage d’écureuil

Lorsqu’une alimentation triphasée est donnée à l’enroulement du stator, il crée un champ magnétique rotatif dans l’espace. Ce champ magnétique tournant a une vitesse connue sous le nom de vitesse synchrone.

Ce champ magnétique rotatif induit la tension dans les barres de rotor et donc des courants de court-circuit commencent à circuler dans les barres de rotor. Ces courants rotoriques génèrent leur champ auto-magnétique qui va interagir avec le champ du stator. Maintenant, le champ du rotor va essayer de s’opposer à sa cause, et donc le rotor commence à suivre le champ magnétique rotatif.

Le moment où le rotor attrape le champ magnétique rotatif, le courant du rotor tombe à zéro car il n’y a plus de mouvement relatif entre le champ magnétique rotatif et le rotor. Par conséquent, à ce moment-là, le rotor subit une force tangentielle nulle et le rotor décélère pour le moment.

Après décélération du rotor, le mouvement relatif entre le rotor et le champ magnétique tournant rétablit donc le courant rotor à nouveau induit. Ainsi encore, la force tangentielle de rotation du rotor est rétablie, et donc à nouveau le rotor démarre à la suite d’un champ magnétique tournant, et de cette manière, le rotor maintient une vitesse constante qui est juste inférieure à la vitesse de champ magnétique tournant ou vitesse synchrone.

Le glissement est une mesure de la différence entre la vitesse du champ magnétique rotatif et la vitesse du rotor. La fréquence du courant du rotor = glissement × fréquence d’alimentation

Construction du moteur à induction à cage d’écureuil

Un moteur à induction à cage d’écureuil se compose des pièces suivantes:

• Stator
• Rotor
• Ventilateur
• Roulements

Stator

Il se compose d’un enroulement triphasé avec un noyau et un boîtier métallique. Les enroulements sont placés de telle sorte qu’ils sont électriquement et mécaniquement distants de 120o dans l’espace. L’enroulement est monté sur le noyau de fer stratifié pour fournir un chemin de faible réluctance pour le flux généré par les courants alternatifs.

Rotor

C’est la partie du moteur qui sera en rotation pour donner un rendement mécanique pour une quantité donnée d’énergie électrique. La puissance nominale du moteur est mentionnée sur la plaque signalétique en puissance. Il se compose d’un arbre, de barres en cuivre / aluminium court-circuitées et d’un noyau.

Le noyau du rotor est laminé pour éviter les pertes de puissance dues aux courants de Foucault et à l’hystérésis. Les conducteurs sont inclinés pour éviter le rouage pendant le démarrage et donnent un meilleur rapport de transformation entre le stator et le rotor.

Ventilateur

Un ventilateur est fixé à l’arrière du rotor pour assurer l’échange de chaleur et, par conséquent, il maintient la température du moteur sous une limite.

Roulements

Les roulements sont fournis comme base pour le mouvement du rotor et les roulements maintiennent la rotation en douceur du moteur.

Application du moteur à induction à cage d’écureuil

Les moteurs à induction à cage d’écureuil sont couramment utilisés dans de nombreuses applications industrielles. Ils sont particulièrement adaptés aux applications où le moteur doit maintenir une vitesse constante, être à démarrage automatique ou où il y a une volonté de faible entretien.

Ces moteurs sont couramment utilisés dans:

• Pompes centrifuges
• Entraînements industriels (p.ex. pour faire fonctionner des bandes transporteuses)
• Grands ventilateurs et ventilateurs
• Machines-outils
• Tours et autres équipements de tournage

Avantages du moteur à induction à cage d’écureuil

Certains avantages des moteurs à induction à cage d’écureuil sont:

• Ils sont peu coûteux
• Nécessitent moins d’entretien (car il n’y a pas de bagues collectrices ou de brosses)
• Bonne régulation de la vitesse (ils sont capables de maintenir une vitesse constante)
• Haute efficacité dans la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique (pendant le fonctionnement, pas pendant le démarrage)
• Ont une meilleure régulation de la chaleur (c’est-à-dire ne pas avoir aussi chaud)
• Petit et léger
• Anti-déflagrant (car il n’y a pas de brosses qui éliminent les risques d’étincelles)

Inconvénients du moteur à induction à cage d’écureuil

Bien que les moteurs à cage d’écureuil soient très populaires et présentent de nombreux avantages, ils présentent également certains inconvénients. Certains inconvénients des moteurs à induction à cage d’écureuil sont:

• Très mauvais contrôle de vitesse
• Bien qu’ils soient économes en énergie en courant à pleine charge, ils consomment beaucoup d’énergie au démarrage
• Ils sont plus sensibles aux fluctuations de la tension d’alimentation. Lorsque la tension d’alimentation est réduite, le moteur à induction consomme plus de courant. Pendant les surtensions, l’augmentation de la tension sature les composants magnétiques du moteur à induction à cage d’écureuil
• Ils ont un courant de démarrage élevé et un couple de démarrage médiocre (le courant de démarrage peut être de 5 à 9 fois le courant à pleine charge; le couple de démarrage peut être de 1.5-2 fois le couple à pleine charge)

Différence Entre la cage d’écureuil et le moteur à induction à bague collectrice

Bien que les moteurs à induction à bague collectrice (également appelés moteurs à rotor enroulé) ne soient pas aussi populaires que les moteurs à induction à cage d’écureuil, ils présentent quelques avantages.

Voici un tableau de comparaison des moteurs à cage d’écureuil par rapport aux moteurs à rotor enroulé:

	Moteur à Cage d’écureuil	Moteur à bague collectrice
Coût	Faible	Élevé
Entretien	Faible	Élevé
Contrôle de vitesse	Médiocre	Bon
Efficacité au démarrage	Médiocre	Bonne
Efficacité en fonctionnement	Bonne	Mauvaise
Régulation thermique	Bonne	Mauvaise
En courant de pointe & couple	Élevé	Faible

Classification du Moteur à induction à cage d’écureuil

La NEMA (National Electrical Manufacturer’s Association) aux États-Unis et la CEI en Europe ont classé la conception des moteurs à induction à cage d’écureuil en fonction de leurs caractéristiques vitesse-couple dans certaines classes. Ces classes sont les classes A, B, C, D, E et F.

Conception de classe A

1. Un couple de démarrage normal.
2. Un courant de démarrage normal.
3. Glissement bas.
4. Dans cette classe, le couple d’arrachement est toujours de 200 à 300% du couple à pleine charge et il se produit à un faible glissement (il est inférieur à 20%).
5. Pour cette classe, le couple de démarrage est égal au couple nominal pour les gros moteurs et représente environ 200 % ou plus du couple nominal pour les petits moteurs.

Conception de classe B

1. Couple de démarrage normal,
2. Courant de démarrage inférieur,
3. Faible glissement.
4. Le moteur à induction de cette classe produit à peu près le même couple de démarrage que le moteur à induction de classe A.Le couple de traction
5. est toujours supérieur ou égal à 200% du couple de charge nominal. Mais il est inférieur à celui de la conception de classe A car il a augmenté la réactance du rotor.
6. Encore une fois, le glissement du rotor est encore relativement faible (moins de 5%) à pleine charge.
7. Les applications de la conception de classe B sont similaires à celles de la conception A. Mais la conception B est plus préférée en raison de ses exigences de courant de démarrage plus faibles.

Conception de classe C

1. Couple de démarrage élevé.
2. Courants de démarrage faibles.
3. Faible glissement à pleine charge (moins de 5%).
4. Jusqu’à 250% du couple à pleine charge, le couple de démarrage est dans cette classe de conception.
5. Le couple d’arrachement est inférieur à celui des moteurs à induction de classe A.
6. Dans cette conception, les moteurs sont construits à partir de rotors à double cage. Ils sont plus chers que les moteurs des classes A et B.
7. Les modèles de classe C sont utilisés pour les charges à couple de démarrage élevé (pompes chargées, compresseurs et convoyeurs).

Conception de classe D

1. Dans cette conception, les moteurs de classe ont un couple de démarrage très élevé (275% ou plus du couple nominal).
2. Un courant de démarrage faible.
3. Un glissement élevé à pleine charge.
4. Encore dans cette classe de conception, la résistance élevée du rotor déplace le couple de crête à une très faible vitesse.
5. Il est même possible à vitesse nulle (glissement de 100%) que le couple le plus élevé se produise dans cette classe de conception.
6. Le glissement à pleine charge (il est généralement de 7 à 11%, mais peut aller jusqu’à 17% ou plus) dans cette classe de conception est assez élevé en raison de la résistance élevée du rotor toujours.

Conception de classe E

1. Couple de démarrage Très faible.
2. Courant de démarrage normal.
3. Glissement bas.
4. Le compensateur ou le démarreur à résistance sont utilisés pour contrôler le courant de démarrage.

Conception de classe F

1. Couple de démarrage faible, 1,25 fois le couple à pleine charge lorsque la pleine tension est appliquée.
2. Faible Courant de démarrage.
3. Glissement normal.