Electrique > Fonctionnement du moteur asynchrone à induction 29/01/2020

Moteur asynchrone à induction

Principalement utilisée par Tesla, cette technologie risque toutefois de se faire de plus en plus rare : la concurrence privilégie le moteur à aimant permanent synchrone et les nouvelles Tesla abandonnent ce procédé pour aller vers le moteur pas à pas à réluctance variable.

A lire aussi : le principe fondamental d'un moteur électrique (champ électrique, magnétique etc.).


Les Tesla 4 roues motrices Dual Motor ont pour le moment systématiquement un moteur à réluctance et un autre à induction (sur chaque essieu).

Pourquoi asynchrone ?

Ce moteur est dit asynchrone car le rotor ne va pas tourner aussi vite que le flux magnétique rotatif, et donc il y a un décalage entre régime du rotor et "régime du flux magnétique" circulant dans le stator. Ce décalage s'appelle glissement, car il y a bel et bien un glissement entre la vitesse de rotation du flux magnétique et la vitesse du rotor.

Pourquoi à induction ?

On parle ici d'induction car la force électromagnétique du rotor sera générée par induction ... Car si sur un moteur à aimant permanent le rotor a toujours un champs électromagnétique actif (polarisé continuellement nord / sud : éteindre un aimant est compliqué ...), ce n'est pas le cas sur celui d'un moteur asynchrone à induction.


La cage d'écureuil, appelée comme ça car elle ressemble justement à une cage d'écureuil (bien que les Français ne soient pas familier de ce genre de cage, sachant aussi que les écureuils n'aiment pas du tout la captivité, jusqu'à se laisser mourir ...)

Dans ce type de moteur, le rotor est constitué d'une cage métallique (ou d'un bobinage) qui n'est ni aimantée ni alimentée par une source d'énergie (pas de balais / charbons qui alimente les bobines du rotor).
On peut alors se demander comment cela peut marcher puisque le rotor n'est pas sensible au champ magnétique du stator (car pas aimanté et donc sans polarité +/-). Il faut bien un objet sensible au champ magnétique dans le rotor si on veut le faire bouger par la force magnétique.
C'est là qu'entre en jeu l'induction, un champ magnétique va être induit dans le rotor grâce au champ magnétique émis par le stator, voyons plus bas comment.


Voici le schéma de l'induction : le courant dans les bobines induisent un champ, qui induit lui-même du jus dans la cage, qui donc va générer elle-même un champ magnétique qui va interférer avec le champ des bobines / induits ...


Voici les fréquences du courant alternatif dans chacun des bobinages visibles sur le schéma plus haut

Qu'est-ce qui compose ce moteur ?

Le stator est ici composé d'un bobinage triphasé (trois fils) qui sont astucieusement disposés autour du rotor. Dans ces fils circule un courant alternatif divisé en trois phases (sur une durée de temps les trois phases travaillent pendant la même durée).
Le rotor est constitué par une cage d'écureuil ou encore un bobinage, aussi disposés de manière calculée pour qu'il y ait interaction entre rotor et stator lors de la marche du moteur.


Voici des rotors de Tesla, en cuivre. On devine aussi la cage d'écureuil avec les lignes

Comment fonctionne le moteur électrique asynchrone à induction ?

Pour comprendre, voyons étape par étape le principe de fonctionnement de ce type de moteur.

En premier lieu, les trois fils (triphasé) du stator vont être alimentés par un courant alternatif avec une synchronisation précise. Cette manière de faire traverser le courant dans ces trois conducteurs va induire un champ magnétique polarisé tournant.
Ce champ magnétique en rotation va à son tour induire un courant dans la cage d'écureuil : quand je bouge un aimant ou un électroaimant (c'est la même chose) à côté d'un métal j'induis un mouvement des électrons sur la dernière couche atomique de ce dernier (les matériaux conducteurs sont des matériaux qui ont leur dernière couche atomique non saturée, il peut donc y vagabonder des électrons libres et on peut donc faire circuler du courant. Le courant est un mouvement des électrons je le rappelle).
Et comme vous le savez, quand il y a du courant dans un matériaux, cela induit indubitablement l'apparition d'un champs magnétique (loi de Laplace). Ce champs magnétique va donc forcément interagir avec celui émis par le stator (celui qui tourne).
Résultat, le rotor désormais électrisé a un champ magnétique, il peut donc réagir au champ magnétique émis par le stator : le rotor bouge ...
Pour accélérer la cadence on va accélérer le champs tournant en augmentant la fréquence mais aussi l'intensité du courant pour avoir plus de couple (il faut aussi accroître le champ magnétique émis par le stator).


Au repos


On fait circuler du courant dans les 3 bobines (même si il semble ici en avoir qu'une car elles sont serrées) visibles autour en orange. Ce courant alternatif judicieusement injecté dans les induits / bobinages permet de générer un champ magnétique tournant que j'ai dessiné en forme de papillon entre les pôles + et -. Pour le moment on a seulement un champ tournant ...


Ce champs tournant (que j'ai mis en transparence pour ne pas qu'il nous voile le reste) induit un courant dans la cage d'écureuil (il fait des aller-retours dans les barre de la cage, comme un courant alternatif au passage).


Le courant qui circule dans la cage induit donc aussi un champ magnétique autour de cette fameuse cage.


On a donc désormais un champs tournant au niveau du stator et un autre champ polarisé au niveau du rotor : ces deux là peuvent donc désormais interagir l'un avec l'autre, et le champs tournant du stator finit par faire bouger le rotor

Avantages et inconvénients

Avantages

Le premier avantage de cette technologie est d'être peu coûteuse : le fait d'avoir un rotor avec un matériaux plus basique (pas d'aimant permanent très cher à produire) est logiquement vecteur d'économie (Tesla aime les économies ... Voilà pourquoi ils ont pas mal utilisé ce procédé, mais aussi pourquoi la majorité des moteurs dans l'industrie sont faits de la sorte). Ca induit donc aussi un moteur plus vertueux, car il n'y a pas besoin d'utiliser autant de terres rares qu'avec les aimants permanents.
Ce moteur peut aussi passer de l'état immobile à l'état de mouvement sans aide annexe (contrairement aux moteurs à aimant permanent où il faut un "lanceur"), cela grâce au champs magnétique tournant (stator) qui finit par faire mouvoir le rotor par "friction électromagnétique".
Les moteurs à induction sont aussi moins encombrants et plus légers, bien pour l'intégration mais aussi pour l'efficience à haut régime (plus je fais tourner un poids élevé, plus j'ai du mal à le faire tourner vite). N'oublions pas non plus sa fiabilité accrue par rapport au synchrone.

Inconvénients

Du côté des inconvénients on a au premier abord un rendement pas toujours optimal, le glissement lié à l'induction réduit les l'efficience (en général ça plafonne vers 80%de rendement). Mais cela a été en partie corrigé par Tesla qui arrive à compenser grâce à l'optimisation du fonctionnement par l'électronique de puissance (en employant des stratégies particulières d'envoi de courant dans les inducteurs ils arrivent à faire baisser la consommation drastiquement) : ils arrivent à 88% sachant qu'à haut régime (donc grandes vitesses) ils arrivent à faire mieux que le moteur à aimant permanent synchrone (encore une foisaidé par le poids réduit du rotor qui implique une inertie moindre). Cela nous fait venir à l'autre défaut, il faut être expert et disposer d'une électronique de puissance avancée pour que ce moteur soit viable (Tesla y est arrivé mais les autres n'ont pas insisté en gardant du permanent synchrone, bien plus simple à mettre au point tout en gardant un bon rendement).
Notez enfin que ce moteur a tendance à chauffer plus que le Synchrone car les bobines ou barres de la  cage d'écureuil chauffent avec le courant qui les traverse ... L'usure moteur ainsi que celle des roulements est alors précoce. En conduite sportive






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