Moteurs électriques..comment choisir la bonne technologie?

Moteurs électriques CA : comment choisir la bonne technologie?

Les multitudes de technologies de moteurs ont toutes des fonctionnalités qui se recouvrent en partie. Pour une application donnée, comment un ingénieur peut-il alors choisir le type correct?

Les moteurs les plus recherchés pour les applications industrielles comprennent lesmoteurs CA à induction, les moteurs CA à aimants permanents et les servomoteurs. Les premiers sont les moins chers et conviennent à une foule d'applications ; les derniers sont les plus coûteux mais leur performance est absolument remarquable. Les moteurs à induction sont les machines par excellence de l'industrie. Plusieurs dizaines de millions sont installés à travers le monde, entraînant une immense variété d'équipements. Leur construction et leurs principes de fonctionnement sont relativement simples. Il s'agit normalement de dispositifs à vitesse fixe, mais quand ils sont utilisés avec des variateurs électroniques à vitesse variable, on peut les contrôler avec un niveau de précision considérable.
Le stator d'un moteur à induction se compose de minces lames d'acier empilées, extrêmement perméables, dotées d'encoches. Les lames sont fixées à un bâti en acier ou en fonte qui fournit le support mécanique. Les bobinages qui reçoivent l'alimentation électrique externe passent dans les encoches. Le rotor ressemble à une cage formée de barres conductrices en aluminium ou en cuivre, connectées par des anneaux d'extrémité de mise en court-circuit, d'où le surnom de cage d'écureuil pour les moteurs à induction. Le rotor possède des lames également ; les encoches radiales autour des lames contiennent les barres. Le rotor tourne lorsque le champ magnétique en mouvement induit le courant dans les conducteurs court-circuités, et la vitesse à laquelle il tourne représente la vitesse synchrone du moteur.
La vitesse synchrone est la vitesse théorique la plus rapide à laquelle un moteur peut tourner, quand le rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique interne en rotation du moteur. Dans la pratique, un moteur à induction est un moteur asynchrone (dans lequel le rotor présente un retard par rapport à la vitesse du champ), par conséquent son rotor doit tourner plus lentement que le champ. La différence entre la vitesse du champ et la vitesse réelle du rotor est le glissement, qui permet à l'induction de courant du rotor de passer, et de produire le couple d'entraînement d'une charge tout en surmontant les pertes internes.
Nombreux sont les exemples de moteurs à induction fonctionnant pratiquement sans défaut pendant de longues années. Mais les soucis potentiels sont les suivants : problèmes liés à leur vitesse de sortie naturellement fixe, surchauffe causée par la détérioration des organes internes, courants d'appel élevés au démarrage, et intolérance aux cycles marche/arrêt. Ainsi, bien qu'ils conviennent à de nombreuses applications, dans certains cas une technologie de moteur différente est préférable.
Moteurs à aimants permanentsLes moteurs à aimants permanents, ou sans balais, ne dépendent pas uniquement du courant pour la magnétisation ; des aimants supplémentaires sont montés sur ou dans le rotor pour fournir plus de puissance. Les aimants supplémentaires sont de puissants aimants de terres rares (en règle générale de 50 à 200 % plus puissants que les aimants en ferrite). Jusqu'à tout récemment, les aimants de terres rares étaient très coûteux, freinant l'adoption des moteurs à aimants permanents. Cependant, les prix ont baissé et ces moteurs sont de plus en plus recherchés. On estime que leur performance est quasiment du niveau de celle des servomoteurs, pour un coût inférieur.
Les purs moteurs à aimants permanents doivent toujours être utilisés avec un variateur dédié (bien que certains hybrides sur le marché démarrent et fonctionnent à vitesse fixe, sans en être équipés). Cette exigence augmente le coût et la complexité, en revanche elle offre la capacité de la vitesse variable. Il convient également de noter qu'un moteur à aimants permanents utilisé avec un variateur assure une efficacité énergétique élevée.Ce type de moteur présente un problème à surmonter : les aimants permanents peuvent provoquer un mouvement saccadé de rotation du rotor. À vitesse faible, ceci se manifeste par le couple d'encochage, et à vitesse plus élevée par une ondulation du couple. Ce phénomène peut entraîner du bruit, des vibrations et une rotation irrégulière, mais un certain nombre de méthodes permettent d'y remédier.
En outre, la FCEM (force contre-électromotrice) créée lors de la rotation d'un moteur à aimants permanents, limite la vitesse supérieure. Ceci ne pose généralement pas de problème car les utilisateurs sélectionnent simplement un moteur d'une vitesse adaptée à la tâche ou un réducteur, mais il peut arriver que le variateur électronique commande une vitesse dépassant la limite de sécurité ou que la charge entraîne le moteur en arrière à grande vitesse, pouvant provoquer des dommages dans les deux cas. Les aimants permanents peuvent également perdre leur puissance s'ils sont soumis à une chaleur ou à des surintensités prolongées.
ServomoteursLes servomoteurs sont bobinés avec deux phases, perpendiculaires entre elles. Un bobinage de référence fixe est excité par une source de tension fixe, tandis qu'une tension de commande variable provenant d'un amplificateur d'asservissement excite le deuxième bobinage. En règle générale, les bobinages sont conçus avec le même rapport tension-tours, de façon à équilibrer les entrées d'alimentation à la phase d'excitation fixe maximale, et au signal de phase de commande maximale.Les servomoteurs sont nettement plus petits que d'autres moteurs de rendement similaire, tandis que l'inertie de rotor réduite permet une réponse plus rapide. De plus, grâce à leurs caractéristiques vitesse-couple presque linéaires, ils peuvent être contrôlés de manière très précise.
Les servomoteurs sont toujours installés avec un dispositif de réaction permanent qui surveille constamment la position en rotation de l'arbre de sortie, comptant le nombre de tours en avant et en arrière, avec une précision en minuscules fractions de degré. Ce courant de données est envoyé à un contrôleur électronique ou à un amplificateur d'asservissement et peut servir à surveiller et à noter la position réelle de l'arbre. Si celui-ci dérive de la position voulue, le retour d'information permet de corriger à la volée. (D'autres types de moteurs peuvent également être équipés d'un dispositif de réaction si l'application l'exige, mais ce n'est pas essentiel). Les servomoteurs sont donc compacts, très puissants, très rapides, très précis et très contrôlables. Nul besoin d'être un génie pour déduire qu'ils doivent avoir un inconvénient : le prix ! On considère de manière empirique qu'un servomoteur peut coûter dix fois le prix d'un moteur à induction de taille équivalente, et son installation et sa mise en service sont également beaucoup plus contraignantes (et donc plus onéreuses).
SélectionLes capacités dynamiques des différents types de moteurs électriques varient largement, de même que leur prix et l'effort technique nécessaire pour leur installation et leur maintenance. Dans de nombreuses applications, la sélection du moteur le mieux adapté est simple ; la performance requise s'inscrit aisément dans le spectre des capacités d'un type ou d'un autre.Cependant, il existe aussi des situations où les besoins se situent dans le haut du spectre d'un moteur et dans le bas du spectre d'un autre, en particulier la cible mouvante de l'efficacité énergétique, dans quel cas vous finissez probablement par choisir entre le coût et la fiabilité. C'est là où des conseils avisés peuvent s'avérer utiles, la meilleure source étant un fournisseur qui offre un vaste éventail de types de moteurs car sa connaissance approfondie des produits lui permettra de vous guider objectivement.