1 — Principe de la cage d'écureuil 2 — Stator et rotor d'un moteur à cage d'écureuil

Le moteur à droite montre la forme typique d'un moteur asynchrone en construction blindée à ventilation extérieure. Le moteur a un capot du coté du ventilateur pour envoyer l'air sur la surface externe du moteur. Le rotor mui-même a des ailettes pour produire une circulation de l'air dans le moteur même. Le rotor chauffe fortement en charge.

La puissance d'un moteur asynchrone peut aller jusqu'à plus de 50kW. Pour des puissances plus élevées on préfère un autre type de moteur qui a un rendement plus élevé.

Fonctionnement du moteur

Le principe du fonctionnement du moteur asynchrone est basé sur la création d'un champ magnétique dans le rotor. Quand le champ statorique varie, le champ rotorique varie également, puisque le rotor est englobé par le champ magnétique du stator. Si on met un bobinage en cours-circuit dans le champ du rotor, il se comporte comme le secondaire d'un transformateur (tant que le moteur ne tourne pas). Un courant très important apparait dans le bobinage, et celui-ci produit à son tour un champ magnétique qui est inverse au champ primaire. Sans bobinage dans le rotor, il n'y a pas de moteur: les caractéristiques du moteur dépendent des caractéristiques du bobinage du rotor.

Par la réaction d'induit, le rotor produit un champ magnétique qui s'oppose aux variations du champ tournant statorique. Ce champ a la polarité inverse et les pôles contraires s'attirent. Un pôle positif au stator produit un pôle négatif au rotor en face de celui ci. Mais le champ magnétique n'est pas fixe, il tourne car le moteur est alimenté en triphasé. Le champ secondaire (du rotor) à tendance à suivre le champ primaire et le rotor se met à tourner.

La vitesse du moteur ne va pas augmenter jusqu'à la vitesse du synchronisme, car à ce moment il n'y a plus de champ magnétique variable dans le rotor, et donc plus d'induction. La vitesse du moteur augmente jusqu'à environ 95% de la vitesse de synchronisme et diminue selon la charge du moteur (le type de bobinage du rotor détermine également la vitesse de rotation en charge du moteur). Ce type de moteur ne peut donc jamais s'emballer, ce qui est un grand avantage.

L'induit se compose de gros brins de cuivre pour avoir un courant important (et donc également une forte réaction d'induit). En pratique l'induit a la forme d'une cage d'écureuil. Pour augmenter le champ magnétique, la cage est noyée dans le rotor qui se compose de feuillets de tôle fine facilement magnétisable pour éviter les courants de foucault. Le rotor d'un moteur asynchrone ressemble en fait à un rouleau à patisserie.

On fabrique des moteurs avec des caractéristiques différentes en modifiant la forme des barres: rondes, triangulaires, trapézoïdales,... Il existe également des moteurs à cage d'écureuil double, une normale et une résistante pour le démarrage.

La gravure 1 montre le principe de la cage d'écureuil et la gravure 2 la réalisation pratique. La cage d'écureuil a des barreaux obliques pour obtenir un couple constant quel que soit la position du rotor (fonctionnement sans à-coup).

On remarquera la similitude du stator d'un moteur asynchrone avec celui d'un moteur synchrone. On peut transformer un moteur asynchrone en moteur synchrone en remplaçant le rotor. Les moteurs synchrones qui n'ont pratiquement pas de couple au démarrage ont souvent une cage d'écureuil pour démarrer comme un moteur asynchrone. Quand la vitesse se rapproche du synchronisme, le moteur synchrone prend le dessus: en effet le couple du moteur asynchrone est nul (c'est comme si la cage d'écureuil n'existait pas) quand le moteur est en synchronisme. Pour faire apparaitre une réaction d'induit, il faut un glissement, et celui-ci est nul en synchronisme.

Il est a noter que le rotor n'a pas de champ magnétique intrinsèque: c'est la réaction d'induit qui produit ce champ. On profite de cette caractéristique dans les moteurs à commutation de pôles (moteurs dahlander).

Les moteurs asynchrones ont besoin d'un champ tournant pour se mettre à tourner. Mais comment peut-on créer che champ tournant quand on ne dispose que du monophasé?

C'est la cage d'écureuil du rotor qui détermine les caractéristiques du moteur: on peut réaliser un moteur avec un couple élevé au démarrage, un couple élevé près de la vitesse nominale ou un couple moyen à toutes les vitesses.

Freinage d'un moteur asynchrone

La tension continue n'agit pas comme frein mécanique et ne permet pas de totalement bloquer le moteur, le freinage est proportionel à la tension continue et la vitesse de rotation. En effet, l'induction dans le rotor n'est présente que tant que celui ci tourne (dans le champ statorique fixe).

Ce type de freinage est simple mais ne permet pas de récupérer l'énergie cinétique.

Avantages et inconvénients des moteurs asynchrones

La plupart des inconvénients (sauf le rendement moyen) peuvent être éliminés: démarrage étoile-triangle, variateur de fréquence, cage d'écureuil adaptée à la charge du moteur.

Moteur de frigo ou surgélateur

Quand le compresseur vient de touner, il y a une forte différence de pression que le moteur n'arrive pas à vaincre. Le courant est alors très important, et un fusible thermique coupe l'alimentation pendant quelques minutes, le temps que la pression puisse s'égaliser.

Les moteurs Dahlander sont décrits sur une page séparée. Ce sont des moteurs asynchrones qui peuvent tourner à deux vitesses.