Généralités sur les moteurs asynchrones à cage

Les moteurs asynchrones triphasés représentent plus de 80% des moteurs électriques. Ils sont utilisés pour transformer l’énergie électrique en énergie mécanique grâce à des phénomènes électromagnétiques. Connu également sous le nom du moteur à induction, le moteur asynchrone est une machine à courant alternatif, ne disposant d’aucune connexion entre son rotor et son stator. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de ces machines n’est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui la traversent.

La gamme des puissances des moteurs asynchrones triphasés s’étend de 1 kW à une dizaine de MW. Au-dessous de 1 kW, et notamment pour les usages domestiques (compresseurs de réfrigérateurs, de congélateurs, moteurs de machines à laver, pompes de chauffage central,…), on utilise des moteurs asynchrones monophasés. Le rendement est plus faible que pour une machine triphasée de même puissance, mais cela est d’autant moins important que la puissance mise en jeu est faible.

Généralement les machines tournantes sont toutes constituées d’une partie fixe et d’une partie tournante, la machine asynchrone ne déroge pas cette règle cependant ses constituants présentent quelques singularités et dans ce qui suit nous présentons les différents éléments qui la constitue et pouvant être classés comme suit [1] :
• Le stator (la partie fixe) ;
• Le rotor (la partie mobile) ;
• Les organes mécaniques (paliers).

Le stator
Le stator de la machine asynchrone est constitué de tôles d’acier dans lesquelles sont placés les bobinages statoriques. Ces tôles sont habituellement recouvertes de vernis pour limiter l’effet des courants de Foucault. Au final, elles sont assemblées les unes aux autres à l’aide de boulons ou de soudures pour former le circuit magnétique statorique.

Une fois l’assemblage terminé, les enroulements statoriques sont placés dans les encoches prévues à cet effet. Ces enroulements insérés peuvent être imbriqués, ondulés ou encore concentriques. L’enroulement concentrique est très souvent utilisé lorsque le bobinage de la machine asynchrone est effectué mécaniquement. Pour les grosses machines, les enroulements sont faits de méplats de cuivre de différentes sections insérés directement dans les encoches. L’isolation entre les enroulements électriques et les tôles d’acier s’effectue à l’aide de matériaux isolants qui peuvent être de différents types suivant l’utilisation de la machine asynchrone.

Le stator d’une machine asynchrone est aussi pourvu d’une boîte à bornes à laquelle est reliée l’alimentation électrique [https://www.clicours.com/].

Le rotor
Les différents types de machines asynchrones ne se distinguent que par leur rotor qui peut être bobiné ou bien à cage. Ce dernier est constitué de barres conductrices régulièrement réparties entre deux couronnes métalliques formant les extrémités, le tout rappelant la forme d’une cage d’écureuil. Bien entendu, cette cage est insérée à l’intérieur d’un circuit magnétique analogue à celui du moteur à rotor bobiné. Les barres sont faites en cuivre, en bronze ou en aluminium, suivant les caractéristiques mécaniques et électriques recherchées par le constructeur. Dans certaines constructions, notamment pour des moteurs à basse tension, la cage est réalisée par coulée et centrifugation d’aluminium. On démontre que, si le nombre de barres est suffisamment grand, la cage se transforme automatiquement en un circuit polyphasé de polarité adéquate.

Ce type de moteur, beaucoup plus aisé à construire que le moteur à rotor bobiné, est d’un prix de revient inférieur et a une robustesse intrinsèquement plus grande. Il n’est donc pas étonnant qu’il constitue, et de loin, la plus grande partie du parc des moteurs asynchrones en service.

Son inconvénient majeur est qu’il ne permet pas d’insérer un rhéostat, et qu’il a au démarrage, de mauvaises performances (courant élevé et couple faible). C’est pour remédier à cette situation qu’ont été développés deux autres types de moteur (rotor à double cage et rotor à encoches profondes).

Principe de fonctionnement 

Les moteurs électriques sont des actionneurs qui permettent de transformer une énergie électrique en énergie mécanique. Cette transformation est régie par la loi de Laplace : “Un conducteur parcouru par un courant et placé dans un champ magnétique uniforme est soumis à une force d’origine électromagnétique”.

Lorsque les enroulements statoriques sont alimentés par un système de courant triphasé, ils génèrent dans l’entrefer et à la périphérie du rotor un champ tournant à une vitesse proportionnelle à la fréquence de l’alimentation électrique appelée vitesse de synchronisme.

Ce flux, balayant les enroulements rotoriques y induit des f.é.m. qui donnent naissance à des courants dans les barres puisque elles sont en court circuit. D’après la loi de Lenz, les courants induits s’opposent par leurs effets à la cause qui leurs a donnés naissance. L’action du champ magnétique sur ces courants génère des forces (Loi de Laplace), donc un couple qui entraîne le rotor dans le sens du champ tournant mais à une vitesse légèrement inférieure à celle de synchronisme. Le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse que le champ magnétique, sinon la cage ne serait plus balayée par le champ tournant et il y aurait disparition des courants induits et donc des forces de Laplace et du couple moteur. Les deux fréquences de rotation ne peuvent donc pas être synchrone d’où le nom de moteur asynchrone.

Cette différence de vitesse de rotation du rotor par rapport à celle du champ tournant, nous ramène à définir un paramètre qui caractérise les machines asynchrones qu’on appelle le glissement.

Le démarrage 

Le démarrage des moteurs asynchrone est régi par deux grandeurs principales qui sont le couple et le courant de démarrage. Au démarrage, le moment du couple moteur est, dans les conditions habituelles d’utilisation, très supérieur au moment du couple résistant. L’accélération est donc brutale et le courant appelé est susceptible d’être important. Ce phénomène risque d’être dommageable pour des moteurs de puissance d’environ la dizaine de kilowatts.