Tous les moteurs électriques rotatifs, à courant alternatif, et à courant continu, fonctionnent en raison de l’interaction de deux champs magnétiques. L’un est stationnaire et est (généralement) associé à l’enveloppe extérieure du moteur. L’autre tourne et est associé à l’armature en rotation du moteur (également appelée rotor). La rotation est provoquée par l’interaction entre les deux champs.

Dans un moteur à courant continu simple, il y a un champ magnétique rotatif dont la polarité est inversée à chaque demi-tour au moyen d’une combinaison balai-commutateur. Les balais – essentiellement des tiges de carbone conductrices qui effleurent les conducteurs du rotor lorsqu’ils tournent – servent également à faire passer le courant électrique dans l’armature en rotation. La situation est un peu différente dans le moteur à courant continu sans balais. Le champ tournant est toujours inversé mais par une commutation qui a lieu électroniquement.

Un moteur à induction a la qualité unique qu’il n’y a pas de connexion électrique entre les enroulements stationnaires et rotatifs. Le courant alternatif du service public est appliqué aux bornes du moteur et alimente les enroulements stationnaires.

Tous les moteurs à induction sont des moteurs asynchrones. Le surnom d’asynchrone provient du glissement entre la vitesse de rotation du champ du stator et la vitesse un peu plus lente du rotor.

La plupart des moteurs à induction modernes ont un rotor en forme de cage d’écureuil. La cage d’écureuil cylindrique est constituée de lourdes barres de cuivre, d’aluminium ou de laiton placées dans des rainures et reliées aux deux extrémités par des anneaux conducteurs qui court-circuitent électriquement les barres entre elles. Le noyau solide du rotor est construit à partir d’empilements de tôles d’acier électrique.

Il est également possible de trouver des moteurs à induction contenant des rotors constitués d’enroulements plutôt que d’une cage d’écureuil. Ces moteurs sont appelés moteurs à induction à rotor bobiné. L’intérêt de cette construction est de fournir un moyen de réduire le courant du rotor lorsque le moteur commence à tourner. Ceci est généralement réalisé en connectant chaque enroulement du rotor à une résistance en série. Les enroulements reçoivent le courant par l’intermédiaire d’une sorte de bague collectrice. Une fois que le rotor atteint sa vitesse finale, les pôles du rotor sont commutés en court-circuit, devenant ainsi électriquement identiques à un rotor à cage d’écureuil.

La partie stationnaire des enroulements du moteur à induction (stator) se connecte à l’alimentation en courant alternatif. L’application d’une tension au stator provoque le passage d’un courant alternatif dans les enroulements du stator. Le flux de courant induit un champ magnétique qui affecte le rotor, établissant une tension et un flux de courant dans les éléments du rotor.

Un pôle nord dans le stator induit un pôle sud dans le rotor. Mais l’emplacement du pôle du stator tourne au fur et à mesure que la tension alternative varie en amplitude et en polarité. Le pôle induit dans le rotor tente de suivre le pôle du stator en rotation. Cependant, la loi de Faraday stipule qu’une force électromotrice est générée lorsqu’une boucle de fil se déplace d’une région à faible intensité de champ magnétique vers une région à forte intensité de champ magnétique, et vice versa. Si le rotor suivait exactement le pôle mobile du stator, il n’y aurait pas de changement dans l’intensité du champ magnétique. Ainsi, le rotor est toujours en retard sur la rotation du champ du stator, car le champ du rotor est toujours en retard d’une certaine quantité sur le champ du stator. Ce retard fait que le rotor tourne à une vitesse un peu plus lente que celle du champ du stator. La différence entre les deux est appelée le glissement.

L’importance du glissement peut varier. Il dépend principalement de la charge que le moteur entraîne, mais est également affecté par la résistance du circuit du rotor et la force du champ que le flux du stator induit. Le glissement dans un moteur de conception B varie de 0,5 % à 5 %.

Lorsque le moteur est à l’arrêt, les enroulements du rotor et du stator sont en fait les enroulements primaires et secondaires d’un transformateur. Lorsque le courant alternatif est initialement appliqué au stator, le rotor n’est pas en mouvement. La tension induite dans le rotor a donc la même fréquence que celle du stator. Lorsque le rotor commence à tourner, la fréquence de la tension induite dans le rotor, fr, diminue. Si f est la fréquence de la tension du stator, le glissement, s, relie les deux via fr = sf. Ici, s est exprimé sous forme décimale.

Parce qu’un moteur à induction n’a pas de balais, de collecteur ou de pièces mobiles similaires, il est moins coûteux à fabriquer et à entretenir que les autres types de moteurs.

En revanche, considérez un moteur synchrone. Ici, le rotor tourne à la même vitesse – c’est-à-dire en synchronisation – que le champ magnétique du stator. Comme le moteur à induction, le moteur synchrone à courant alternatif contient également un stator et un rotor. Les enroulements du stator sont également reliés à l’alimentation en courant alternatif comme dans un moteur à induction. Le champ magnétique du stator tourne en synchronisation avec la fréquence de la ligne.

L’enroulement du rotor dans un moteur synchrone peut recevoir du courant de diverses manières, mais généralement pas par induction (sauf dans certains modèles, uniquement pour fournir un couple de démarrage). Le fait que le rotor tourne en synchronisation avec la fréquence de la ligne de courant alternatif rend le moteur synchrone utile pour piloter des horloges très précises.

Nous devons souligner que le rotor d’un moteur synchrone à courant alternatif tourne en synchronisation avec un nombre entier de cycles de courant alternatif. Ce n’est pas la même chose que de dire qu’il tourne à un RPM égal à la fréquence de la ligne. Le RPM du rotor du moteur, c’est-à-dire la vitesse synchrone N, est :

N = 120f/P = 60 f/P

Où f est la fréquence de l’alimentation ac en Hz, P est le nombre de pôles (par phase), et p est le nombre de paires de pôles par phase.

En conséquence, plus il y a de pôles, plus le moteur synchrone tourne lentement. Il est plus coûteux de construire un moteur plus lent, à puissance égale. À 60 Hz :

• Un moteur synchrone à courant alternatif à deux pôles/phase tourne à 3 600 tr/min.
• Un moteur synchrone à courant alternatif à quatre pôles/phase tourne à 1 800 tr/min.
• Un moteur ac synchrone six pôles/phase tourne à 1 200 RPM.
• Un moteur ac synchrone huit pôles/phase tourne à 900 RPM
• Un moteur ac synchrone dix pôles/phase tourne à 720 RPM.
• Un moteur à courant alternatif synchrone à douze pôles/phase tourne à 600 RPM.

Les moteurs à courant alternatif synchrones à faible fraction de puissance sont utiles lorsqu’une synchronisation précise est souhaitée. Les moteurs ac synchrones de forte puissance, bien que plus chers que les moteurs à induction triphasés, ont deux qualités supplémentaires. Malgré leur coût initial plus élevé, ils peuvent être rentables à long terme car ils sont plus efficaces sur le plan énergétique que les autres types de moteurs. Deuxièmement, parfois simultanément, ils peuvent fonctionner au facteur de puissance principal ou unitaire, de sorte qu’un ou plusieurs moteurs synchrones à courant alternatif peuvent fournir une correction du facteur de puissance tout en effectuant un travail utile.

Il existe plusieurs types distincts de moteurs synchrones à courant alternatif. Ils sont généralement classés en fonction de leur moyen de générer un champ magnétique. Les moteurs à excitation séparée ont des pôles magnétiques alimentés par une source externe. En revanche, les pôles magnétiques sont alimentés par le moteur lui-même dans une machine auto-excitée (également appelée parfois non excitée et directement excitée). Les types non excités comprennent les moteurs à réluctance, les moteurs à hystérésis et les moteurs à aimants permanents. En outre, il existe des moteurs excités en courant continu.

Les moteurs synchrones non excités ont des rotors en acier. En fonctionnement, le rotor est magnétisé avec les pôles magnétiques requis de manière analogue à celle d’un moteur à induction. Mais le rotor tourne à la même vitesse et en synchronisation avec le champ magnétique rotatif du stator. La raison en est la présence de fentes dans le rotor. Les moteurs démarrent comme des moteurs à induction. Lorsqu’ils approchent de la vitesse synchrone, les fentes permettent au champ magnétique synchrone de se verrouiller sur le rotor. Le moteur tourne alors à la vitesse synchrone tant que le couple requis est faible.

Dans le moteur à réluctance, le rotor a des pôles saillants qui ressemblent à des dents individuelles. Les pôles du rotor sont moins nombreux que ceux du stator, ce qui empêche les pôles du stator et du rotor de s’aligner, auquel cas il n’y aurait pas de rotation. Les moteurs à réluctance ne sont pas auto-démarrants. Pour cette raison, des enroulements spéciaux (appelés enroulements à cage d’écureuil) sont fréquemment intégrés au rotor, de sorte que le moteur à réluctance démarre comme un moteur à induction.

Le moteur à hystérésis tire parti de la large boucle d’hystérésis du rotor en acier cobalt à haute coercivité. En raison de l’hystérésis, la phase de l’aimantation dans le rotor est en retard sur la phase du champ magnétique rotatif du stator. Ce décalage crée un couple. À la vitesse synchrone, les champs du rotor et du stator se verrouillent pour produire une rotation continue. Un avantage dans le moteur à hystérésis est qu’il est auto-démarreur.

Un moteur synchrone à courant alternatif à aimants permanents a des aimants permanents intégrés dans le rotor. Les ascenseurs les plus récents sont alimentés par ces moteurs, et une boîte de vitesses n’est pas nécessaire.

Le moteur synchrone à excitation directe peut être appelé de diverses manières, notamment ECPM (aimant permanent à commutation électronique), BLDC (brushless dc), ou simplement moteur à aimant permanent sans balais. Le rotor contient des aimants permanents. Les aimants peuvent être montés sur la surface du rotor ou être insérés à l’intérieur de l’assemblage du rotor (dans ce cas, le moteur est appelé moteur à aimant permanent intérieur).

Un ordinateur contrôle la commutation séquentielle de l’alimentation sur les enroulements du stator au bon moment en utilisant des commutateurs à semi-conducteurs. La puissance est appliquée aux bobines enroulées sur les dents du stator, et si un pôle saillant du rotor est parfaitement aligné avec la dent du stator, aucun couple n’est produit. Si la dent du rotor fait un certain angle avec la dent du stator, au moins une partie du flux magnétique traverse l’entrefer à un angle qui n’est pas perpendiculaire aux surfaces des dents. Il en résulte un couple sur le rotor. Ainsi, la commutation de l’alimentation des enroulements du stator au bon moment provoque un modèle de flux qui entraîne un mouvement dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse.

Un autre type de moteur synchrone est le moteur à réluctance commutée (SR).
Son rotor est constitué de tôles d’acier empilées avec une série de dents. Les dents sont magnétiquement perméables et les zones qui les entourent sont faiblement perméables en vertu des fentes qui y sont découpées.

Contrairement aux moteurs à induction, il n’y a pas de barres de rotor et par conséquent pas de circulation de courant produisant un couple dans le rotor. L’absence de toute forme de conducteur sur le rotor SR signifie que les pertes globales du rotor sont considérablement plus faibles que dans d’autres moteurs incorporant des rotors portant des conducteurs.

Le couple produit par le moteur SR est contrôlé en ajustant l’amplitude du courant dans les électroaimants du stator. La vitesse est ensuite contrôlée en modulant le couple (via le courant d’enroulement). Cette technique est analogue à la façon dont la vitesse est contrôlée par le courant d’induit dans un moteur à courant continu à balais traditionnel.

Un moteur SR produit un couple proportionnel à la quantité de courant mis dans ses enroulements. La production de couple n’est pas affectée par la vitesse du moteur. Ceci est différent des moteurs à induction à courant alternatif où, à des vitesses de rotation élevées dans la région d’affaiblissement du champ, le courant du rotor est de plus en plus en retard sur le champ tournant à mesure que le régime du moteur augmente.

Enfin, il y a le moteur synchrone à courant alternatif excité par le courant continu. Il nécessite une alimentation redressée pour générer un champ magnétique. Ces moteurs sont généralement construits dans des tailles supérieures à un cheval-vapeur.

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