Qu'y a-t-il à l'intérieur ? Un aperçu de la construction du rotor à cage d'écureuil !

Vous êtes-vous déjà demandé ce qui fait tourner un moteur électrique ? Un élément essentiel de plusieurs moteurs électriques courants est ce que l'on appelle un rotor à cage d'écureuil. Cela semble amusant, n'est-ce pas ? Mais c'est un élément très important. Dans ce court article, je vais vous expliquer la construction du rotor à cage d'écureuil. Nous verrons de quoi il est fait et comment il est assemblé. Comprendre cela nous aide à reconnaître à quel point les travaux sur les moteurs à induction sont efficaces. Croyez-moi, c'est plus facile que vous ne le pensez, et c'est pourquoi ces moteurs sont presque partout ! Ce court article vaut la peine d'être lu car vous y découvrirez les secrets d'un outil qui alimente une grande partie de notre monde.

Qu'est-ce qu'un rotor dans un moteur à induction ?

En termes simples, le rotor est l'élément tournant d'un moteur à induction. Pensez à une toupie en rotation ; le rotor y ressemble, mais il se trouve à l'intérieur du moteur. Le rotor est une pièce maîtresse qui permet de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique. Ce mouvement peut ensuite effectuer un travail, comme faire tourner un suiveur ou faire fonctionner un équipement. Le moteur à induction a besoin de ce rotor en rotation pour effectuer son travail. Le rotor repose à l'intérieur du stator. Le stator est la partie fixe du moteur à induction. Le rotor est généralement de forme cylindrique. Il est monté sur l'arbre du moteur. Lorsque le rotor tourne, l'arbre tourne également. Cet arbre s'attache ensuite à ce que le moteur est censé déplacer. Le rotor est donc le cœur de l'action d'un moteur à induction. Connaître le rotor est la première étape pour comprendre l'ensemble du moteur à induction. Plusieurs types de moteurs à induction utilisent un type de rotor spécifique.

Pourquoi parle-t-on de rotor à cage d'écureuil ?

Pourquoi le nom de "rotor à cage d'écureuil" ? Si l'on retirait le noyau du rotor et que l'on examinait uniquement ses composants conducteurs d'électricité, il ressemblerait certainement à une cage. Vous comprenez, le genre de cage dans laquelle un écureuil ou un hamster de compagnie pourrait courir. Cette "cage" est constituée de barres conductrices qui courent sur toute la longueur du rotor. Ces barres sont ensuite reliées aux deux extrémités par un anneau, appelé anneau d'extrémité. Vous avez donc ces barres identiques et deux anneaux qui les maintiennent ensemble. C'est cette structure qui donne son nom au rotor à cage d'écureuil. Il s'agit d'une conception basique mais extrêmement brillante. Cette conception de rotor à cage est vraiment typique d'un moteur à induction à cage d'écureuil. Il s'agit d'une conception robuste, ce qui signifie qu'il est solide et qu'il dure longtemps. Le nom de base aide vraiment les gens à se représenter ce à quoi ressemble ce composant du moteur à induction. Le rotor tourne et cette cage est essentielle à son fonctionnement avec le champ magnétique du stator.

Comment le noyau d'un rotor de moteur à induction à cage d'écureuil est-il fabriqué ?

Le cœur d'une induction à cage d'écureuil rotor du moteur n'est pas un simple morceau de métal. Ces tranches sont appelées "laminations". Pensez à un jeu de cartes ; le noyau du rotor est comme cela, mais avec des feuilles de laminage en acier. Ces tôles d'acier sont empilées pour former la forme cylindrique du noyau du rotor. Il y a une bonne raison à ce style de laminage. L'utilisation de tôles permet de réduire les pertes d'énergie dans le moteur à induction. Ces pertes sont généralement dues à ce que l'on appelle les courants de Foucault. Un courant de Foucault est un courant indésirable qui peut circuler dans le métal. En utilisant des tôles minces et isolées, ces courants de Foucault sont maintenus à un faible niveau. Cela rend le moteur à cage d'écureuil plus efficace. Le noyau du rotor est également percé d'orifices. Ces fentes dans le rotor sont l'endroit où les barres du rotor seront placées. L'ensemble de la construction du rotor est entièrement prévu.

Que sont les barres et les bagues d'extrémité d'un rotor à cage d'écureuil ?

Pour l'instant, nous allons parler de la "cage" du rotor à cage d'écureuil. Les barres du rotor sont des barres conductrices très importantes. Elles sont placées dans les fentes du noyau du rotor dont nous venons de parler. Ces barres sont souvent en aluminium ou parfois en cuivre. L'aluminium est courant parce qu'il est léger et qu'il fonctionne bien avec l'énergie électrique. Pour les moteurs plus importants, des barres en cuivre peuvent être utilisées car le cuivre est un bien meilleur conducteur. À chaque extrémité du noyau du rotor, ces barres sont toutes attachées ensemble. Elles sont reliées par ce que nous appelons des anneaux d'extrémité ou des anneaux de court-circuit. Imaginez les barres comme les éléments droits de la cage et les anneaux d'extrémité comme les éléments circulaires qui les maintiennent ensemble. Ces anneaux d'extrémité créent un chemin électrique fermé pour que le courant circule à travers les barres du rotor. C'est ainsi que se termine le cadre de la "cage". Les barres du rotor et les anneaux d'extrémité forment ensemble le bobinage du rotor, bien qu'il soit très différent du bobinage que l'on trouve dans un stator. Il s'agit d'un élément clé du fonctionnement du moteur à induction à cage d'écureuil.

Comment les barres du rotor obtiennent-elles leur courant dans un moteur à induction ?

C'est là qu'intervient la partie "induction" d'un moteur à induction. Les barres du rotor d'un moteur à cage d'écureuil ne sont pas directement reliées à une source d'énergie extérieure par des fils, comme l'est l'enroulement du stator. Au lieu de cela, le courant dans le rotor est "généré". Cela signifie qu'il est produit par un champ magnétique qui se modifie. Le stator du moteur à induction possède son propre enroulement. Lorsque le courant alternatif est fourni à l'enroulement du stator, il développe un champ magnétique rotatif. Ce champ magnétique rotatif du stator balaie les barres du rotor. Étant donné que les barres du rotor sont des conducteurs, cette zone changeante génère une tension en leur sein. Comme les barres du rotor sont court-circuitées par les anneaux d'extrémité, cette tension fait circuler un courant à travers les barres et les anneaux. Ce courant induit dans les barres du rotor crée alors son propre champ magnétique. Les deux champs électromagnétiques (du stator et du rotor) interagissent, ce qui fait tourner le rotor ! Le circuit du rotor est complété par les bagues d'extrémité. La vitesse du rotor sera toujours légèrement inférieure à la vitesse du champ magnétique tournant ; cette distinction est appelée glissement . Ce glissement est nécessaire pour induire le courant.

Les rotors à cage d'écureuil sont-ils tous identiques ? Qu'en est-il d'un double rotor à cage d'écureuil ?

Mais il en existe plusieurs types. L'un des plus courants est le rotor à cage solitaire dont nous venons de parler. Néanmoins, pour certains travaux spéciaux, les ingénieurs ont créé ce que l'on appelle un rotor à double cage d'écureuil. Ce type de rotor comporte deux séries de "cages" ou d'enroulements de rotor sur le même noyau de rotor. Pourquoi deux cages ? Eh bien, un rotor à double cage d'écureuil peut donner au moteur à induction un meilleur couple de démarrage. Le couple de démarrage est la pression de torsion qu'exerce le moteur lors de son démarrage. L'une des cages, généralement la cage externe, est fabriquée avec un matériau plus résistant. Cela permet d'obtenir un bon couple de démarrage et de limiter le courant de démarrage. La cage intérieure a une résistance plus faible, ce qui permet un fonctionnement efficace à vitesse régulière avec un faible glissement. Ainsi, une double cage d'écureuil tente de tirer le meilleur parti des deux globes. Il s'agit d'une méthode intelligente pour transformer exactement le comportement d'un moteur à cage d'écureuil pour différentes tâches. Cette classification du rotor permet de concevoir des moteurs à induction encore plus spécifiques.

Pourquoi le rotor est-il incliné dans certains moteurs à cage d'écureuil ?

Souvent, lorsque vous observez un rotor à cage d'écureuil, vous pouvez constater que les barres du rotor (et les encoches du rotor dans lesquelles elles se trouvent) ne sont pas parfaitement parallèles à l'arbre du moteur. Au contraire, elles sont légèrement inclinées, ou "de travers". Il y a plusieurs excellents facteurs qui expliquent ce phénomène. L'une d'entre elles consiste à faire fonctionner le moteur à induction de manière encore plus régulière et silencieuse. Si les barres du rotor étaient droites, elles pourraient associer les dents du stator simultanément à la rotation du rotor. Cela peut provoquer des mouvements saccadés et encore plus de bruit. L'inclinaison des barres du rotor implique qu'elles entrent plus progressivement dans le champ électromagnétique du stator. Cela permet de réduire le bruit et les vibrations. Un autre avantage de l'obliquité est qu'elle peut empêcher le moteur de se "bloquer" à certaines vitesses (un phénomène souvent appelé "cogging"), en particulier lors du démarrage du moteur. Elle contribue également à offrir un couple beaucoup plus uniforme. Ainsi, cette légère inclinaison dans la construction du rotor fait une grande différence dans les performances du moteur à induction.

En quoi un rotor à cage d'écureuil diffère-t-il d'un rotor bobiné ou d'un rotor de moteur synchrone ?

Le rotor à cage d'écureuil est très courant, mais ce n'est pas le seul type de rotor existant pour un moteur à induction. Il existe également ce que l'on appelle un "rotor bobiné". Un rotor bobiné est différent car, au lieu de barres de rotor solides, il comporte des enroulements bobinés, tout comme l'enroulement du stator. Ces enroulements sont ensuite reliés à des bagues collectrices sur l'arbre. Des balais montent sur ces bagues collectrices, ce qui permet de relier des résistances extérieures au circuit du rotor. Cela permet de mieux contrôler la vitesse et le couple de démarrage du moteur. Ainsi, un moteur à induction à rotor bobiné permet un meilleur contrôle de la vitesse, mais il est beaucoup plus complexe et coûteux qu'un moteur à induction à cage d'écureuil. Vient ensuite le moteur synchrone. Le rotor d'un moteur synchrone est également très différent. Il possède généralement des pôles magnétiques définis, soit par des aimants permanents, soit par l'alimentation en courant continu d'un enroulement de rotor (là encore, généralement avec des bagues collectrices). L'aspect essentiel d'un moteur synchrone est que son rotor tourne exactement à la même vitesse que le champ électromagnétique rotatif du stator - il fonctionne à un rythme continu sans aucun glissement sous une charge typique. Le rotor d'un moteur à induction à cage d'écureuil présente toujours un certain glissement. Un générateur peut également utiliser des conceptions similaires aux rotors de moteur, mais sa fonction est de créer de l'énergie électrique. Un rotor à cage d'écureuil est plus simple et plus robuste que ces autres types de rotor.

Le rotor est-il la seule partie secrète d'un moteur à induction ? (Coup d'œil sur le stator).

Bien que nous nous soyons beaucoup concentrés sur le fantastique rotor à cage d'écureuil, il est nécessaire de garder à l'esprit qu'un moteur à induction comporte une autre partie intégrante : le stator. Le rotor est la partie qui tourne, certes, mais le stator est la partie fixe qui entoure le rotor. Le rotor repose à l'intérieur du stator . Le stator est également constitué de tôles pour réduire les pertes dues aux courants de Foucault. Il possède son propre ensemble de bobinages constitués d'un câble isolé, généralement en cuivre. Lorsque vous connectez un courant alternatif triphasé (ou un seul étage pour les moteurs plus petits) à l'enroulement du stator, celui-ci produit le champ électromagnétique tournant. C'est ce champ qui "génère" le courant dans le rotor à cage d'écureuil et le fait se transformer. Le stator et le rotor collaborent donc comme une équipe. Le stator produit la zone magique et le rotor y répond. Tous deux sont nécessaires au fonctionnement du moteur à induction. Le cadre du moteur contient à la fois le stator et le rotor (qui comprend l'arbre). L'interaction entre le champ magnétique du stator et le courant provoqué dans les conducteurs du rotor est au cœur du fonctionnement d'un moteur à induction.

Pourquoi le moteur à induction à cage d'écureuil est-il si populaire et si fiable ?

La principale caractéristique est la construction simple et robuste du rotor. Le rotor à cage d'écureuil n'a pas de balais (contrairement à certains moteurs électriques à courant continu ou à rotor bobiné), pas de bagues collectrices (à moins qu'il ne s'agisse d'un rotor bobiné spécialisé qui peut parfois être contrasté, mais le véritable moteur à induction à cage d'écureuil n'en a pas), et pas de contacts électriques mobiles sur le rotor lui-même. Cela le rend très fiable et implique qu'il nécessite très peu d'entretien. La construction du rotor étant simple, avec des barres et des bagues d'extrémité en aluminium ou en cuivre robuste, il est également moins cher à fabriquer. Les moteurs asynchrones à cage d'écureuil (en particulier les moteurs asynchrones à cage d'écureuil triphasés) sont efficaces, peuvent fonctionner à une vitesse presque continue sous différentes charges (bien qu'il y ait toujours un certain glissement) et ont un bon couple de démarrage pour de nombreux travaux, en particulier s'ils utilisent des conceptions telles que la double cage d'écureuil. Elles peuvent être fabriquées dans un grand nombre de tailles, des plus petites aux plus grandes. Ce mélange de prix abordables, de grande fiabilité et de bon rendement est la raison pour laquelle le moteur à cage d'écureuil est un cheval de bataille dans les industries du monde entier. Le type de rotor joue un rôle important dans ce succès. Ce type de moteur à induction peut être installé de différentes manières. L'absence de problèmes d'isolation pour le bobinage du rotor (qui n'est constitué que de barres) simplifie également les choses. De nombreux moteurs électriques peuvent également être développés pour un démarrage à tension réduite.