Dans les scénarios de démarrages-arrêts fréquents (par exemple, ascenseurs, machines-outils à commande numérique, lignes de production automatisées), les moteurs à courant continu subissent des transitions répétées de 0 à la vitesse nominale et inversement. Cela soumet certains composants à des chocs constants et à des pertes d'énergie, nécessitant une attention particulière sur quatre composants clés : balais et commutateurs, enroulements d'induit, roulements et freins électromagnétiques. Leurs mécanismes d'usure et les mesures de maintenance ciblées sont détaillés ci-dessous :
1. Balais et commutateurs : zones à fort impact pour les frottements et les étincelles lors des démarrages/arrêts
Les démarrages et arrêts fréquents accélèrent l'usure des balais et des collecteurs, sous l'effet de deux facteurs clés : d'une part, le courant d'induit fluctue fortement lors des démarrages et arrêts (le courant de démarrage peut atteindre 5 à 8 fois le courant nominal) et, d'autre part, la vitesse du collecteur augmente ou diminue rapidement à partir de zéro, provoquant un frottement de glissement et une intensification des étincelles de commutation à l'interface de contact. D'autre part, le frottement accélère l'usure des balais : en fonctionnement continu normal, leur durée de vie est généralement de 2 000 à 3 000 heures, mais elle est ramenée à 800 à 1 200 heures en cas de démarrages et d'arrêts fréquents. Si les balais ne sont pas remplacés lorsqu'ils sont usés au tiers de leur longueur d'origine, la surface de contact diminue, la densité de courant augmente et les étincelles s'aggravent. D'autre part, les changements soudains de la force électromotrice de commutation lors des démarrages/arrêts génèrent facilement de fortes étincelles, qui brûlent la surface du commutateur, créant des piqûres ou des couches d'oxyde et augmentant la résistance de contact, formant ainsi un cercle vicieux « usure → étincelles → usure plus sévère ».
La maintenance se concentre sur trois étapes clés :
- Inspectez régulièrement l'usure des balais toutes les 200 à 300 heures de fonctionnement. Remplacez-les par des modèles adaptés (par exemple, les balais composites graphite-poudre métallique sont préférables pour les démarrages et arrêts fréquents, car ils offrent une résistance à l'usure 30 % supérieure à celle des balais en graphite pur) et assurez-vous que la pression des balais est stabilisée entre 15 et 25 kPa (une pression insuffisante provoque des étincelles ; une pression excessive accélère l'usure).
- Polir la surface du collecteur avec du papier de verre fin grain 400 toutes les 500 heures pour éliminer les couches d'oxyde et les piqûres, en veillant à ce que la rugosité (Ra) soit ≤ 0,8 μm. Nettoyer la surface à l'alcool après polissage.
- Appliquez une fine couche de graisse conductrice (par exemple, de la graisse à base de graphite) sur la surface du commutateur pour réduire le coefficient de frottement lors des démarrages/arrêts et minimiser les étincelles.
2. Enroulement d'induit : risques de dégradation de l'isolation et de perte de cuivre sous l'effet du courant de démarrage-arrêt
Lors des démarrages et des arrêts, les enroulements d'induit sont confrontés à une double menace d'usure :
- Un courant de démarrage élevé provoque une surtension des pertes cuivre (Pcu = I²R). Par exemple, un moteur avec un courant nominal de 50 A peut avoir un courant de démarrage de 300 A, ce qui multiplie les pertes cuivre par 36 par rapport au niveau nominal de fonctionnement. Cela provoque une élévation brutale de la température des bobinages, accélérant le vieillissement de l'isolation (par exemple, la durée de vie d'une isolation de classe B est divisée par deux lorsqu'elle est exposée à des températures supérieures à 130 °C).
- Lors de la rotation du rotor, les enroulements d'induit subissent des impacts électromagnétiques répétés. En particulier aux extrémités fixes des fils d'enroulement, les vibrations endommagent facilement la couche isolante, provoquant des courts-circuits entre spires.
Centres de maintenance sur le « contrôle du courant » et les « tests d’isolement » :
- Installer un démarreur progressif dans le circuit d'induit. En augmentant progressivement la tension d'induit, le courant de démarrage est limité à 1,5 à 2 fois la valeur nominale (par exemple, 75 à 100 A pour un moteur de 50 A), évitant ainsi les impacts de courant élevé.
- Vérifiez la résistance d'isolement des enroulements d'induit avec un mégohmmètre tous les 3 mois, en vous assurant qu'elle reste ≥ 0,5 MΩ (pour les moteurs 380 V). Si la résistance d'isolement diminue, démontez le moteur et séchez les enroulements avec un pistolet thermique (température ≤ 80 °C) ou appliquez une nouvelle couche de peinture isolante (par exemple, une peinture isolante modifiée à l'époxy).
- Inspectez le ruban de liaison aux extrémités des enroulements d'induit. Remplacez le ruban détaché ou cassé par un matériau résistant aux hautes températures (par exemple, du ruban en fibre de verre) pour éviter l'usure due aux vibrations.
3. Roulements : risques cachés de force radiale et de défaillance de lubrification lors des démarrages/arrêts
Les démarrages et les arrêts fréquents perturbent la lubrification stable et l'équilibre des forces des roulements :
- Au démarrage, le rotor accélère brusquement depuis le repos, ce qui provoque un frottement de glissement (au lieu du frottement de roulement normal) entre la bague intérieure du roulement et les billes. Ce frottement rompt le film de graisse, accélérant ainsi l'usure des billes et des chemins de roulement.
- Lors des démarrages et des arrêts, l'arbre moteur est sujet à un faux-rond radial dû aux fluctuations de charge, ce qui soumet les roulements à une force radiale supplémentaire. Avec le temps, le jeu des roulements augmente (les roulements à billes à gorge profonde classiques ont un jeu ≤ 0,1 mm, qui peut dépasser 0,2 mm après des démarrages et des arrêts fréquents), ce qui entraîne des bruits et des vibrations anormaux.
La maintenance met l’accent sur la « gestion de la lubrification » et les « tests de jeu » :
- Réduisez l'intervalle de remplacement de la graisse : de 6 mois (en fonctionnement normal) à 3 mois pour les démarrages et arrêts fréquents. Utilisez une graisse haute température résistante au cisaillement (par exemple, une graisse composite au lithium de grade 2, adaptée à des températures de -20 °C à 150 °C) et remplissez l'espace interne du roulement à la moitié ou aux deux tiers (un excès de graisse provoque une surchauffe ; un manque de graisse entraîne un frottement à sec).
- Surveillez le bruit des roulements avec un stéthoscope toutes les 200 heures. En cas de bourdonnement ou de cliquetis, arrêtez immédiatement le moteur. Mesurez le jeu des roulements avec une jauge d'épaisseur et remplacez les roulements s'ils dépassent 0,15 mm.
- Assurez-vous que l'écart de coaxialité entre l'arbre du moteur et l'accouplement est ≤ 0,1 mm lors de l'installation pour réduire l'impact de la force radiale lors des démarrages/arrêts.
4. Freins électromagnétiques : usure des plaquettes et des bobines de frein en cas de freinage fréquent
Certains moteurs à courant continu (par exemple, les moteurs de traction d'ascenseur ou de monte-charge) sont équipés de freins électromagnétiques. Les démarrages et arrêts fréquents nécessitent des serrages et des desserrages répétés du frein, ce qui entraîne deux types d'usure :
- Usure des plaquettes de frein : Chaque cycle de freinage entraîne une friction entre la plaquette et le tambour. Des freinages fréquents réduisent rapidement l'épaisseur des plaquettes (l'épaisseur normale est de 5 mm ; l'usure peut atteindre 0,5 à 1 mm par mois en cas de démarrages et d'arrêts fréquents). Lorsque l'épaisseur descend en dessous de 2 mm, les performances de freinage se dégradent significativement.
- Usure de la bobine : L'activation fréquente de la bobine de frein augmente les pertes de cuivre. De plus, l'impact des forces électromagnétiques lors de l'activation endommage facilement la couche isolante de la bobine, provoquant des courts-circuits.
Objectifs de maintenance « plaquettes de frein » et « bobines » :
- Vérifiez l'épaisseur des plaquettes de frein chaque semaine. Remplacez-les lorsque leur épaisseur est inférieure à 2 mm, en veillant à ce que la surface de contact entre la plaquette et le tambour soit supérieure ou égale à 90 % afin d'éviter une force de freinage inégale.
- Mesurez la résistance de la bobine de frein tous les mois. Si l'écart par rapport à la valeur nominale dépasse 5 %, démontez la bobine pour vérifier l'absence de court-circuit entre les spires. Rembobinez la bobine ou remplacez l'ensemble du frein si des courts-circuits sont détectés.
- Appliquez une fine couche de revêtement résistant à l'usure à haute température (par exemple, un revêtement à base de céramique) sur la surface du tambour de frein pour améliorer la résistance à l'usure des plaquettes et des tambours, prolongeant ainsi la durée de vie des plaquettes.
En résumé, pour les moteurs à courant continu soumis à des démarrages et arrêts fréquents, des inspections haute fréquence et une maintenance ciblée des balais/collecteurs, des enroulements d'induit, des roulements et des freins électromagnétiques peuvent réduire les taux de défaillance des composants de plus de 60 %. Cela garantit un fonctionnement stable à long terme et évite les arrêts de production ou les accidents de sécurité causés par des composants endommagés.