Principe de la cage d'écureuil Barres trapézoïdales (cage d'écureuil) Couple par rapport à la vitesse selon le type de cage d'écureuil

• Une cage très peu résistive (avec de gros barreaux en cuivre) démarre avec un fort appel de courant et un couple pointu. Tant que le moteur ne tourne pas, le rotor se comporte comme le secondaire d'un transfo qui serait en cours circuit. Le couple est maximal quand on s'approche de la vitesse de synchronisme.

• Une cage d'écureuil résistive (barreaux en aluminium coulé) démarre avec un appel de courant moyen. Le couple reste assez constant à toutes les vitesses. A sa vitesse nominale, le moteur a un moins bon rendement car le glissement est plus élevé. La vitesse du moteur varie plus avec la charge.

Les barreaux de la cage sont souvent en oblique pour éviter les à-coups du moteur quand une barre passe devant un pôle.

Les spires de la cage d'écureuil ne sont pas nécessairement cylindriques: pour les puissances élevées on utilise de très gros barreaux en forme de trapèze. Cela permet un démarrage avec un appel de courant moindre, tandis que le couple est plus important quand on s'approche de la vitesse de synchronisme.

Il utilise l'effet pelliculaire (skin effect): à l'arrêt ou aux faibles vitesses de rotation, le champ magnétique change rapidement (du point de vue du rotor) et grâce à l'effet pelliculaire le champ magnétique pénètre d'environ 1cm dans le cuivre. Quand on s'approche du synchronisme, le champ magnétique varie moins rapidement et l'effet pelliculaire disparait. Toute la barre de cuivre est maintenant utilisée et la résistance de la cage diminue fortement.

Bleu: rotor du moteur en feuillets de tôle (aisément magnétisable)
Jaune/rouge: barres avec en rouge la pénétration du champ magnétique: à gauche quand le moteur démarre et que seul l'extérieur de la barre est parcourue par le courant (barre résistante) et à droite quand le moteur tourne à sa vitesse nominale et que toute la barre est parcourue par le courant.

Il existe également des moteurs avec double cage d'écureuil, une cage externe résistante pour le démarrage et une cage intérieure à gros barreaux en fonctionnement normal. Quand le glissement est important, la fréquence induite est élevée et le champ magnétique n'agit que sur la cage extérieure en laiton (plus résistante). La cage résistante est de plus en plus souvent réalisée en aluminium qu'on peut simplement couler dans les encoches. Plus la vitesse de rotation s'approche de la vitesse de synchronisme et plus le champ magnétique agit sur la cage intérieure composée de gros barreaux en cuivre.

A droite trois exemples de cages d'écureuil:

• (a) Une cage en aluminium coulé (cage résistive) pour puissances jusqu'à 15kW

• (b) Rotor à encoches profondes pour des puissances de 5 à 60kW

• (c) Rotor à double cage (utilisation universelle pour toutes les puissances)

Un moteur à cage simple a un couple au démarrage nettement moindre que le couple à vitesse nominale. Ces moteurs sont idéaux quand le démarrage peut se faire à faible charge: pompes, ventilateurs, machines-outils démarrant à vide, etc. Ils sont moins recommandés quand le démarrage doit se faire en charge (compresseurs, ascenseurs). Les moteurs avec une cage d'écureuil double qui doivent être utilisés dans ce cas ont un moins bon rendement.

Plus le glissement est important, et moins le rendement du moteur est bon. Le glissement produit en effet un courant de cours circuit dans le bobinage du rotor (quel qu'il soit): pour la partie "glissement", le moteur se comporte comme un transformateur dont le secondaire est en cours-circuit. Quand le moteur travaille à forte charge, le secondaire peut atteindre des températures très élevées.

Alternatives

Les très gros moteurs qui fonctionnent en permanence sont souvent des moteurs synchrones (le surcout est compensé par le rendement plus élevé). Le moteur à réluctance variable est utilisé dans les applications permanentes où une vitesse variable est nécessaire (compresseurs et ventilateurs pour la climatisation). Il est également utilisé dans la dernière génération de voitures électriques où on profite de son très bon rendement.

Le moteur à rotor bobiné permet de faire varier la résistance du rotor. Il n'est actuellement plus utilisé car les alternatives sont plus fiables. Si le démarrage est laborieux, on utilise maintenant un variateur électronique de vitesse à la place d'un moteur à rotor bobiné.