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La capacité d'un moteur à courant alternatif à assurer une rotation continue repose sur l'utilisation du principe d'induction électromagnétique et de l'effet d'un champ magnétique rotatif, ainsi que sur une conception structurelle spécifique qui convertit de manière stable l'énergie électrique en énergie mécanique. Ses structures clés et ses principes de fonctionnement peuvent être analysés sous les deux angles suivants :
1. Structures clés : la « fondation matérielle » soutenant la rotation
Un moteur à courant alternatif est principalement constitué de deux parties principales : le stator et le rotor. Le fonctionnement conjoint de ces deux parties est indispensable à la rotation.
- StatorEn tant que partie fixe du moteur, le stator est constitué de son noyau et de son enroulement. Le noyau du stator est généralement formé par laminage de tôles d'acier au silicium, ce qui permet de réduire efficacement les pertes par courants de Foucault. La face interne du noyau est régulièrement répartie et percée d'encoches pour l'encastrement de l'enroulement du stator. L'enroulement du stator est généralement constitué de fils de cuivre émaillé et connecté à un enroulement triphasé selon des règles spécifiques (la plupart des moteurs à courant alternatif industriels sont triphasés), lui-même relié à une alimentation électrique alternative triphasée. Lorsque le courant traverse l'enroulement, le stator génère un champ magnétique rotatif, qui sert de source d'énergie pour la rotation du moteur.
- RotorLe rotor est la partie tournante du moteur et se divise généralement en deux types : le rotor à cage d'écureuil et le rotor bobiné. Le rotor à cage d'écureuil présente une structure simple, composée d'un noyau, d'enroulements (barres de cuivre ou d'aluminium) et de bagues d'extrémité. Les enroulements du rotor sont encastrés dans les encoches du noyau comme une « cage » et court-circuités à leurs deux extrémités par les bagues d'extrémité. Le rotor bobiné, quant à lui, possède des enroulements avec des couches isolantes encastrées dans les encoches du noyau. Les deux extrémités des enroulements sont reliées par des bagues collectrices et des balais, et des résistances externes peuvent être connectées pour ajuster les performances du moteur. La fonction principale du rotor est de générer un courant induit sous l'action du champ magnétique rotatif du stator, puis d'être entraîné en rotation par la force électromagnétique.
2. Principe de fonctionnement : la « logique de rotation » entraînée par la force électromagnétique
La rotation d'un moteur à courant alternatif repose sur un processus complet de « génération d'un champ magnétique rotatif – formation d'un courant induit – rotation entraînée par une force électromagnétique ». Prenons l'exemple du moteur à courant alternatif asynchrone triphasé (le plus répandu) :
- Génération d'un champ magnétique rotatifLorsque les enroulements triphasés du stator sont connectés à une alimentation CA triphasée symétrique, chaque phase génère un courant alternatif sinusoïdal. En raison du déphasage de 120° entre les courants triphasés, le champ magnétique combiné qu'ils excitent conjointement dans le noyau du stator n'est pas stationnaire, mais tourne autour de l'axe du moteur à une vitesse stable (appelée vitesse de synchronisme), formant ainsi un champ magnétique tournant. L'intensité de la vitesse de synchronisme est déterminée par la fréquence du réseau et le nombre de paires de pôles du bobinage statorique du moteur, selon la formule : n₀ = 60f/p (où n₀ est la vitesse de synchronisme, en tr/min ; f est la fréquence du réseau, en Hz ; p est le nombre de paires de pôles).
- Courant induit par le rotor et force électromagnétiqueLes lignes de champ magnétique du champ magnétique tournant coupent les enroulements du rotor (ou barres du rotor). Selon la loi de l'induction électromagnétique, une force électromotrice induite est générée dans les enroulements du rotor. Comme les enroulements du rotor forment un circuit fermé à travers les bagues d'extrémité (ou circuits externes), la force électromotrice induite entraîne un courant dans les enroulements du rotor, générant un « courant induit du rotor ». À ce stade, les conducteurs du rotor, porteurs du courant induit, se trouvent dans le champ magnétique tournant du stator. Selon la règle de la main gauche de Fleming, les conducteurs du rotor sont soumis à l'action de la force électromagnétique. Le couple total exercé par ces forces électromagnétiques sur l'axe du rotor du moteur est appelé « couple électromagnétique ».
- Rotation continue et caractéristique « asynchrone »Sous l'effet du couple électromagnétique, le rotor du moteur se met à tourner dans le sens du champ magnétique tournant et accélère progressivement. Il convient toutefois de noter que la vitesse du rotor (appelée vitesse du rotor n) ne peut jamais atteindre la vitesse de synchronisme n₀ du champ magnétique tournant du stator. En effet, si la vitesse du rotor est égale à la vitesse de synchronisme, il n'y aura aucun mouvement relatif entre les conducteurs du rotor et le champ magnétique tournant, et les lignes de champ magnétique ne pourront pas couper les conducteurs du rotor. Par conséquent, le courant induit du rotor et le couple électromagnétique disparaîtront, et le rotor décélérera sous l'effet de la résistance. Par conséquent, la vitesse du rotor sera toujours inférieure à la vitesse de synchronisme. Cette différence de vitesse est indispensable au maintien du courant induit et du couple électromagnétique du rotor. C'est également à l'origine du nom de « moteur asynchrone » (le rapport entre la différence de vitesse et la vitesse de synchronisme est appelé taux de glissement s, où s = (n₀ – n)/n₀, et s est généralement compris entre 0,01 et 0,05 en fonctionnement normal). C'est grâce à ce mécanisme de « champ magnétique rotatif entraînant le rotor et de différence de vitesse maintenant la puissance » que le moteur à courant alternatif assure une rotation continue et stable, entraînant ainsi divers équipements mécaniques.
