Aperçu théorique sur les machines asynchrone

Plus de la moitié de l’énergie électrique produite dans le monde est transformée en énergie mécanique, par des moteurs. La plupart de ceux-ci appartiennent à l’un des types suivants : à courant continu, asynchrone, synchrone, à courant alternatif à collecteur. On estime généralement que les moteurs asynchrones représentent 70 % de la puissance installée, et qu’ils absorbent 40 à 50 % de l’énergie totale consommée. Même si ces chiffres sont imprécis, ils montrent l’importance de ce type d’équipement.

Le moteur asynchrone c’est le plus utilisé dans les applications industrielles et domestiques, du fait de sa facilité d’installation, de son bon rendement et de sa robustesse. Il existe plusieurs types de moteurs asynchrones : monophasé, triphasé à cage, triphasé à rotor bobiné.

Constitution de la machine asynchrone

La machine asynchrone est constituée des principaux éléments suivants :
-Le stator
-L’entrefer
-Le rotor
-Les organes mécaniques

Le stator
C’est la partie fixe du moteur. Une carcasse en fonte ou en alliage léger renferme une couronne de tôles minces en acier au silicium de l’ordre de 0,5 mm d’épaisseur, ces tôles sont isolées entre elles par oxydation ou par un vernis isolant. Les tôles sont munies d’encoches dans lesquelles prennent place les enroulements statoriques destinés à produire le champ tournant. Le feuilletage du circuit magnétique réduit les pertes par courants de Foucault.

L’entrefer
C’est l’intervalle d’air entre le stator et le rotor, son épaisseur est de l’ordre de dixième de millimètre, il varie entre 0.2 et 1.2 millimètre.

Le rotor
C’est l’élément mobile du moteur, son circuit magnétique est similaire à celui du stator, il est constitué d’un empilage de tôles minces isolées entre elles et formant un cylindre claveté sur l’arbre du moteur et il contient des encoches destinées à loger l’enroulement. Il existe deux types de moteurs asynchrones, qui se distinguent par la forme de leur rotor qui est soit bobiné ou àcage, dans tous les cas le stator reste au moins dans son principe, le même.

Rotor bobiné
Les tôles de ce rotor sont munies d’encoches où sont placés des conducteurs formant un bobinage de structure généralement semblable à celle des enroulements statoriques. Dans le cas très fréquent où le bobinage du rotor est triphasé, trois bagues et trois balais sont prévus pour accéder à ces enroulements. Ce dispositif permet de modifier certaines caractéristiques électriques du circuit rotorique et par là, les propriétés électromagnétiques du moteur asynchrone. Ce type de moteur est utilisé essentiellement dans des applications où les démarrages sont difficiles et/ou nombreux.

Rotor à cage
Un rotor à cage d’écureuil porte un système de barres conductrices faites en cuivre, en bronze ou en aluminium logées dans un empilement de tôles. Les extrémités de ces barres sont réunies par deux couronnes également conductrices. Ce type de moteur est plus aisé à construire que le moteur à rotor bobiné et par conséquent d’un prix de revient inférieur et à une robustesse intrinsèquement plus grande. Il n’est donc pas étonnant qu’il constitue la plus grande partie du parc des moteurs asynchrones actuellement en service. Son inconvénient majeur est qu’il a au démarrage de mauvaises performances, courant élevé et faible couple. C’est pour remédier à cette situation qu’ont été développés deux autres types de cages, rotor à double cage et rotor à encoches profondes.

Les organes mécaniques
Le moteur comporte une carcasse qui reçoit de chaque côté un flasque sur lequel le rotor sera positionné grâce à des roulements qui permettent la rotation de ce dernier, un ventilateur placé en bout d’arbre pour le refroidissement de la machine et un bâti qui maintient les différents sous ensembles.

Bobinage de la machine asynchrone

On peut effectuer le bobinage d’une machine asynchrone de plusieurs façons, la disposition des bobines dans les encoches différencie ces types d’enroulements d’où en trouve habituellement trois types, l’enroulement imbriqué, concentrique et ondulé. Chaque type présente des avantages dans certaines applications. L’enroulement du stator peut être à une seule ou à deux couches, ce dernier nous permet de raccourcir le pas d’enroulement.

Le bobinage statorique peut se décomposer en deux parties, les conducteurs d’encoches et les têtes de bobines. Les conducteurs d’encoches permettent de créer dans l’entrefer le champ magnétique à l’origine de la conversion électromagnétique. Les têtes de bobines permettent, la fermeture des courants en organisant la circulation judicieuse des courants d’un conducteur d’encoche à l’autre ; l’objectif est d’obtenir à la surface de l’entrefer une distribution de courant la plus sinusoïdale possible, afin de limiter les ondulations du couple électromagnétique.

Isolation du bobinage

On doit isoler les bobines par rapport à la masse, c’est-à-dire l’empilage de tôles magnétiques, de même qu’on doit isoler entre elles les bobines appartenant à des phases différentes. Le matériau isolant utilisé est bien sûr sélectionné en fonction de ses qualités diélectriques, mécaniques et thermiques.

Classes d’isolations thermiques

La tâche la plus difficile et la plus importante est d’assurer la bonne tenue de l’isolation des enroulements, qui se dégrade pour des températures relativement peu élevées. Pour cette raison la charge admissible d’une machine est déterminée tout d’abord par la température admissible des isolants utilisés. Les matériaux isolants utilisés dans la construction des machines électriques se divisent selon leur tenue à la chaleur en classes Y, A, E, B, F, H et C qui correspondent à des températures maximales de 90℃,105℃, 120℃, 130℃, 155℃,180℃, et supérieure à 180℃.

Principe de fonctionnement

Le fonctionnement de la machine asynchrone est basé sur le principe de l’interaction électromagnétique du champ tournant, créé par le courant triphasé fourni à l’enroulement statorique par le réseau, et des courants induits dans l’enroulement rotorique lorsque les conducteurs de ce dernier sont coupés par le champ tournant. L’interaction électromagnétique des deux parties d’une machine asynchrone n’est possible que lorsque la vitesse du champ tournant (n1) diffère de celle du rotor (n), car dans le cas contraire lorsque n=n1, le champ serait immobile par rapport au rotor et aucun courant ne serait induit dans l’enroulement rotorique.