Présentation des machines asynchrone

La machine asynchrone connue également sous le nom anglo-saxon de induction machine est une machine à courant alternatif sans connexions mécaniques entre le rotor et le stator. Elle a été longtemps concurrencée par la machine synchrone dans le domaine de forte puissance, jusqu’à l’avènement de l’électronique de puissance. On la retrouve aujourd’hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport ferroviaire (exemple : tramway, TGV), l’industrie, l’électroménager…etc. Elle était à l’origine utilisée en moteur, mais toujours grâce à l’électronique de puissance elle est de plus en plus utilisée en génératrice comme c’est le cas dans les éoliennes. Sa simplicité de construction, sa robustesse et son faible prix de revient en font un matériel très fiable et qui demande peu d’entretien.

Principe de fonctionnement 

Les courants statoriques créent un champ magnétique tournant à la vitesse de synchronisme. L’enroulement rotorique est donc soumis à des variations de flux qui créent une force électromotrice induite ainsi des courants électriques apparaissent au rotor. Ces derniers donnent naissance à un couple moteur qui tend à mettre en mouvement le rotor afin de s’opposer à la variation de flux , La machine est dite asynchrone car elle est dans l’impossibilité d’atteindre la vitesse de rotation du champ tournant statorique. En effet dans ce cas, vu dans le référentiel du rotor, il n’y aurait pas de variation de flux, les courants s’annuleraient donc pas de couple moteur. La différence de vitesse entre le champ tournant et le rotor est dite vitesse de glissement.

Constitution 

La machine asynchrone se compose essentiellement de deux parties principales ; elles sont faites de tôles d’acier au silicium et comportent des encoches dans lesquelles on place les enroulements. L’une des composantes est le stator étant fixe, on y trouve les enroulements reliés à la source. L’autre est le rotor, il est monté sur un axe et libre de tourner. En plus des différents organes mécaniques permettant la rotation du rotor et le maintien des différents sous-ensembles. Selon que les enroulements du rotor sont fermés sur eux même ou accessibles a l’extérieur on distingue deux types de rotor ; rotor bobiné et rotor a cage d’écureuil.

Stator
Le stator est un anneau constitué d’un empilement de tôles d’acier au silicium encoché à l’intérieur et portant un enroulement triphasé réparti dans les encoches du circuit magnétique. Il est ussi appelé inducteur ou primaire car c’est au champ tournant qu’il développe que sont dus les courants induits au rotor. Les tôles étant de faible épaisseur, elle varie entre 0,35 et 0,5 mm afin de minimiser les pertes dans le circuit magnétique . Dans le cas ou le diamètre de la machine ne dépasse pas quelque dizaines de millimètres les tôles sont découpées en une seule pièce. Pour celles ayant un grand diamètre les tôles sont découpées par sections.

Pour les longueurs du stator et du rotor inferieur à 200mm on ne subdivise pas le paquet de tôles. Au-delà de 200mm on subdivise les tôles en paquets élémentaires séparé par un espace d’air dit canal de ventilation. Pour éviter que les tôles vibrent on les serres par des boulons ou des cordons de soudure.

Rotor

C’est un anneau de tôles empilées et rainuré à l’extérieur. Habituellement de même matériau que le stator et séparé de lui par un entrefer. Le rotor n’est donc relié à aucune source d’énergie ce qui simplifie sa construction. Le courant dans ses enroulements est induit par le champ tournant statorique d’où son appellation induit ou secondaire. Les divers types de moteurs asynchrones ne se distinguent que par le rotor qui est de deux types :
• rotor bobiné ou rotor à bague.
• rotor à cage d’écureuil qui peut être aussi à double cage ou à encoches profondes.

Le rotor bobiné comporte un enroulement triphasé bobiné à l’intérieur d’un circuit magnétique constitué de disques en tôle empilés sur l’arbre de la machine. Les encoches, découpées dans les tôles sont légèrement inclinées par rapport à l’axe de la machine de façon à réduire les variations de réluctance liées à la position angulaire rotor/stator et certaines pertes dues aux harmoniques. L’enroulement triphasé est relié soit en étoile soit en triangle, il est connecté à trois bagues qui le rendent accessible à l’extérieur par l’intermédiaire de balais. On peut ainsi le court circuiter comme cela se produit en marche normale, on peut insérer des résistances dans le circuit lors du démarrage et dans certains cas spéciaux de fonctionnement on peut y raccorder un convertisseur de courant à thyristor afin de régler le courant de démarrage et la vitesse en marche normal. Ce type de moteur est utilisé essentiellement dans des applications où les démarrages sont difficiles et/ou nombreux ; en effet les pertes rotoriques pendant la phase de démarrage ne sont pas toujours supportées par les cages.

Pour le rotor à cage , l’enroulement triphasé est remplacé par des barres conductrices réunies entre elles de part et d’autre du rotor par des anneaux de court-circuit, le tout rappelant la forme d’une cage d’écureuil. Bien entendu, cette cage est à l’intérieur d’un circuit magnétique analogue à celui du moteur à rotor bobiné. Les barres sont faites en cuivre ou en aluminium, suivant les caractéristiques mécaniques et électriques recherchées par le constructeur. Dans le cas de moteur de faible ou moyenne puissance les cages sont en aluminium coulé sous vide partiel et pression. Ce procédé permet d’éviter la présence néfaste de bulles d’air dans les barres. Toute fois dans les petits moteurs on utilise plutôt des barres en plastique, cette manière est moins couteuse que l’aluminium. Pour les gros moteurs les barres sont en cuivre ou en laiton. Pour les encoches, les semi-fermées ou fermées sont les plus utilisées.

Les organes mécaniques
La carcasse sert de support, elle joue le rôle d’enveloppe et assure la protection contre l’environnement extérieur. L’arbre est un organe de transmission. Il comprend une partie centrale qui sert de support au corps du rotor et un bout d’arbre sur lequel est fixé un demi-accouplement. Il est généralement constitué en acier moulé ou forgé. Son dimensionnement est fonction des efforts de flexion (force centrifuge qui s’exerce sur lui, attraction magnétique radiale, etc.…), des efforts radiaux et tangentiels dus aux forces centrifuges, des efforts de torsion (couple électromagnétique transmis en régime permanent, transitoire). Il est supporté par un ou plusieurs paliers qui soutiennent le rotor et assurent la libre rotation. Le second palier est libre pour assurer les dilatations thermiques de l’arbre. Une isolation électrique de l’un des paliers assure l’élimination des courants dans l’arbre dû aux dissymétries des réluctances du circuit magnétique. Ils sont généralement à roulements pour les machines de petite et moyenne puissance.

Bobinages 

Le bobinage d’une machine tournante peut être effectué de plusieurs façons. Chaque enroulement présente des avantages dans certaines applications. Cependant on utilise habituellement trois types d’enroulement :
• enroulement imbriqué
• enroulement concentrique
• enroulement ondulé

L’enroulement imbriqué s’emploie généralement pour les bobinages statorique des moteurs de quelques dizaines de kilowatts et plus. Pour les petits moteurs asynchrones particulièrement lorsque le bobinage est mécanisé, on utilise généralement l’enroulement concentrique. L’enroulement ondulé est idéal pour les rotors des moteurs à rotor bobiné.

Leur disposition dans les encoches différencie ces types d’enroulement. L’enroulement concentrique ne peut être qu’à une seule couche, de telle sorte que chaque encoche contient un seul coté de bobine. Les enroulements imbriqués et ondulés peuvent être à une seule couche mais ils sont plus utilisés à deux couches, chaque encoche contient alors deux cotés de bobine et le nombre de conducteurs doit être alors un nombre pair.

Lorsque les bobines sont faites de fils carrés ou rectangulaires d’assez forte section , elles sont formés sur des gabarits et insérées globalement dans des encoches ouvertes. Dans le cas d’encoches semi-ouvertes , on utilise habituellement plusieurs fils ronds, vernis et de faible section pour former les conducteurs des bobines. Comme pour les bobines carrées, elles sont formés sur des gabarits mais introduites fil par fil ou quelques fils à la fois dans les encoches.