Moteur de traction ou moteur à induction : Le guide clair et pratique

Si vous comparez "moteur de traction" et "moteur à induction", vous n'êtes pas le seul. Cette expression déconcerte même les ingénieurs chevronnés. L'un est une application. L'autre est un type de moteur. Cette distinction change tout. Décortiquons-la avec le contexte du monde réel, et pas seulement avec les termes d'un manuel.

• TL;DR : "Moteur de traction" désigne un moteur construit et réglé pour la propulsion (VE, rail, tout-terrain). Il peut s'agir d'un moteur à induction, d'un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM) ou d'autres types. Le "moteur à induction" est un type spécifique de moteur à courant alternatif. De nombreux moteurs de traction sont des machines à induction, mais pas tous, et tous les moteurs à induction ne sont pas des moteurs de traction.

1) Premiers principes : ce qu'est un moteur à induction

Un moteur à induction (également appelé moteur asynchrone) produit un couple à partir d'un champ magnétique tournant dans le stator qui induit un courant dans le rotor. Le rotor doit retarder la vitesse de synchronisation pour créer un glissement, un courant et un couple. Il est robuste, sans balais, et se présente principalement sous forme de rotor à cage d'écureuil et de rotor bobiné. 

• Principaux enseignements :
  • Fonctionne toujours en dessous de la vitesse de synchronisation (glissement).
  • Les types de rotor les plus courants sont la cage d'écureuil et la bague collectrice.
  • Populaire parce qu'il est simple, robuste et économique. 

2) Qu'est-ce qu'un moteur de traction ?

Le "moteur de traction" est un moteur spécialement conçu pour la propulsion. Il doit fournir un couple de lancement élevé, une large plage de vitesse avec une forte zone de puissance constante, une contrôlabilité fine et un freinage par récupération efficace. Les moteurs de traction équipent les véhicules électriques, les locomotives, les tramways et les équipements lourds. Ils sont construits comme des moteurs à induction CA, PMSM et autres, selon ce qui convient le mieux aux performances, au coût et à l'emballage. 

• Qu'est-ce qui fait qu'un moteur est "de qualité traction" ?
  • Couple élevé à basse vitesse, couple contrôlable à haute vitesse.
  • Efficace sur l'ensemble d'un cycle d'entraînement, et pas seulement à un point de la plaque signalétique.
  • Résistance thermique aux arrêts/démarrages fréquents et aux montées de côtes.
  • Résistance mécanique aux chocs, aux vibrations, à la poussière et aux embruns.
  • Intégration étroite avec un onduleur pour l'affaiblissement du champ et la régénération. 

3) Comparaison entre un moteur à induction industriel et un moteur à induction pour la traction

La plupart des confusions viennent de là : un moteur à induction industriel standard n'est pas le même qu'un moteur à induction pour la traction. Ils ont des caractéristiques physiques communes. Ils n'ont pas les mêmes priorités.

• Des différences pratiques que vous remarquerez :
  • Plage de vitesse : les machines de traction sont conçues pour fonctionner à puissance constante sur une large plage via l'affaiblissement du champ ; les moteurs industriels sont souvent proches d'un point de fonctionnement.
  • Surcharge : la traction tolère généralement de fortes pointes à court terme ; les moteurs industriels sont conçus pour un facteur de service et des charges régulières.
  • Refroidissement et étanchéité : la traction privilégie les enveloppes liquides, l'huile de la boîte-pont ou le refroidissement intégré de l'essieu avant ; les moteurs industriels utilisent souvent des conceptions TEFC ou ouvertes.
  • Commandes : la traction nécessite une commande par onduleur avancée (FOC/DTC) et des dispositifs de sécurité ; l'industrie peut avoir recours à une commande en ligne ou à un simple variateur de vitesse.
  • Environnement : la traction vise les chocs, les éclaboussures et les emballages étanches ; l'industrie se concentre sur la robustesse stationnaire et les montages standardisés. 

Tableau comparatif : IM industriel vs IM de qualité traction

4) Où chacun brille

Le choix entre un moteur à induction de qualité traction et d'autres types de moteurs de traction dépend de la tâche à accomplir et non de l'étiquette.

• Envisagez d'utiliser un moteur à induction de qualité traction lorsque :
  • Vous souhaitez une conception sans aimant et une résilience de la chaîne d'approvisionnement.
  • Le cycle de fonctionnement comprend des températures élevées et des pointes répétées, où le risque de démagnétisation du rotor n'est pas souhaitable.
  • Le coût et la facilité de fabrication favorisent le cuivre et l'acier par rapport aux terres rares.

Envisagez maintenant d'autres types de traction (comme les PMSM) lorsque vous avez besoin de la densité de couple la plus élevée et de l'efficacité à charge partielle dans un boîtier étroit. Les machines PM sont souvent plus petites pour la même puissance - parfois de l'ordre de dizaines de pour cent - grâce aux aimants du rotor. 

5) Un mot rapide et honnête sur les compromis en matière de performances

Les moteurs de traction à induction évitent les aimants. Cela simplifie l'approvisionnement et le recyclage en fin de vie. Mais les pertes I²R du rotor augmentent avec le glissement, de sorte que l'efficacité à faible charge peut être inférieure à celle d'un bon PMSM. Les PMSM l'emportent généralement sur la densité du couple et l'efficacité maximale, ce qui explique pourquoi de nombreux VE les utilisent. Cependant, de nombreux VE et systèmes ferroviaires modernes utilisent à la fois des systèmes à induction CA et des PMSM lorsque chacun d'eux est le mieux adapté. 

• Ce que la traction exige vraiment d'un moteur :
  • Fort couple à basse vitesse pour le lancement.
  • Affaiblissement important du champ pour les vitesses d'autoroute.
  • Conception électromagnétique adaptée aux onduleurs.
  • Hauteur thermique pour les collines, le remorquage et les climats chauds. 

6) Comment les moteurs à induction fonctionnent-ils en cas d'affaiblissement du champ (pourquoi cela est-il important pour la traction) ?

Les moteurs à induction ne se bloquent pas à la vitesse synchrone. Le glissement crée un courant et un couple au niveau du rotor. Au-delà de la vitesse de base, le variateur réduit le flux (affaiblissement du champ) pour augmenter la vitesse tout en maintenant une puissance à peu près constante. Il s'agit là d'un élément essentiel pour faire coïncider la conduite en ville, sur autoroute et en montagne avec une seule et même machine. 

• L'essentiel pour votre sélection :
  • Si votre cycle d'entraînement passe de longues périodes à faible couple, le PMSM permet souvent d'économiser plus d'énergie.
  • Si vos schémas d'utilisation soumettent les rotors à des contraintes thermiques ou si vous souhaitez une résilience sans aimant, un moteur à induction adapté à la traction est une solution convaincante. 

7) Liste de contrôle pour l'ingénierie : ce qu'il faut demander aux fournisseurs (ou à votre équipe)

Avant d'approuver un ensemble moteur-convertisseur, vérifiez les points suivants. La clarté l'emporte sur les noms de marque et les mots à la mode.

• Courbe couple-vitesse avec enveloppes continues et de pointe, et comportement de stabilisation thermique.
• Carte d'efficacité (et pas seulement un chiffre) sur le cycle de conduite qui vous intéresse.
• Trajet, débit et perte de charge du liquide de refroidissement ; altitude/limites ambiantes.
• Valeurs nominales de l'onduleur, technique de commutation et caractéristiques de contrôle (affaiblissement du champ, limites de régénération, sécurité).
• Signatures NVH et contraintes de l'interface roulements/engrenages.
• Étanchéité à l'environnement et protection contre la corrosion.
• Conventions de surcharge (continue, 10 secondes, 60 secondes) et constantes de temps thermiques.
• Intervalles de maintenance et modes de défaillance (capteurs, isolation, roulements).
• Conformité et essais : CEM, sécurité fonctionnelle, pénétration et chocs/vibrations.
• Définitions claires de l'alimentation continue et de l'alimentation par heure, le cas échéant (le secteur ferroviaire utilise largement ces définitions). 

8) Mythes courants à éviter

Les gens se focalisent souvent sur le nom plutôt que sur le besoin. Ne le faites pas.

• "Moteur de traction = un modèle spécifique". C'est faux. Il s'agit d'une catégorie d'applications qui comprend les moteurs à induction, les PMSM et d'autres. 
• "N'importe quel moteur à induction industriel peut assurer la traction. Ce n'est ni sûr ni efficace. Les cycles de travail de la propulsion, l'étanchéité, les pics et les contrôles sont différents.
• "Le PMSM est toujours meilleur". Souvent plus efficace et plus petit, oui. Mais les aimants ajoutent des coûts et des risques ; l'induction peut l'emporter sur la robustesse et la chaîne d'approvisionnement. 

9) Des définitions rapides auxquelles vous pouvez vous fier

• Moteur à induction : Moteur à courant alternatif dans lequel le courant du rotor est induit par le champ tournant du stator ; il a besoin d'un glissement pour produire un couple. Les types comprennent les moteurs à cage d'écureuil et les moteurs à rotor bobiné. 
• Moteur de traction : Tout moteur optimisé pour la propulsion, généralement doté d'un couple de lancement élevé, d'une large plage de vitesse et d'une fonction de régénération ; aujourd'hui, il s'agit généralement d'un moteur asynchrone à courant alternatif ou d'un PMSM. 

10) Une règle de décision simple et humaine

Si votre application est la propulsion, commencez par cartographier le cycle d'entraînement et l'environnement. Choisissez ensuite la technologie de moteur qui convient.

• Longues croisières à faible charge et petits emballages ? PMSM probablement.
• Cycles thermiques difficiles, chaîne d'approvisionnement sans aimant, robustesse éprouvée ? Moteur à induction de qualité traction.
• Fonctionnement mixte ou sensibilité aux coûts ? Effectuez une simulation énergétique et thermique du cycle d'entraînement pour les deux et comparez le coût de possession au niveau du système.

Vous souhaitez que je vous propose une liste de moteurs et d'onduleurs adaptés à votre cycle d'utilisation et à votre budget ? Faites-moi part de vos objectifs en matière de couple-vitesse, de vos contraintes de refroidissement et de la plage ambiante prévue. J'établirai une comparaison spécifique, testable et indépendante des fournisseurs.