En ingénierie des moteurs électriques, pour les ingénieurs impliqués dans la conception, la fabrication, les essais ou l’intégration de systèmes de moteurs, une mauvaise compréhension de ces composants peut entraîner des erreurs de spécification, des pertes d’efficacité ou un diagnostic de panne incorrect.
Anatomie de base d’un moteur électrique
Avant d’analyser les différents composants, il est important de comprendre le principe de fonctionnement fondamental des moteurs électriques. En substance, tous les moteurs électriques convertissent l’énergie électrique en mouvement mécanique grâce à l’interaction électromagnétique.
Composants de base
Malgré d’énormes variations de taille, de puissance et d’application, la plupart des moteurs électriques partagent les éléments fondamentaux suivants :
- Une structure stationnaire qui établit ou maintient un champ magnétique.
- Une structure rotative qui réagit aux forces électromagnétiques.
- Un entrefer qui permet un mouvement relatif tout en maintenant le couplage magnétique.
- Un arbre mécanique qui transmet un couple.
Dans ce système, le stator, le rotor et l’induit occupent des rôles distincts.
Interaction électromagnétique et mouvement
Le fonctionnement du moteur est régi par deux lois électromagnétiques principales :
- Force de Lorentz :Un conducteur parcouru par un courant dans un champ magnétique subit une force.
- Loi de l’induction de Faraday :Un champ magnétique variable induit une force électromotrice.
Selon le type de moteur, le courant peut être fourni directement aux enroulements rotatifs, induit magnétiquement ou entièrement remplacé par des champs magnétiques permanents. Ces différences déterminent en grande partie si un composant est classé comme stator, rotor ou induit.
Placement physique des composants
Dans la plupart des moteurs à flux radial modernes :
- Le stator forme l’anneau extérieur fixe.
- Le rotor tourne avec l’arbre et est logé à l’intérieur du stator.
- L’induit peut être situé de chaque côté, selon le type de moteur.
Tableau de référence rapide
| Attribut | Stator | Rotor | Armature |
| Mouvement | Stationnaire | Tournant | Soit |
| Rôle électrique | Génération de terrain | Réaction de couple | Interaction EM |
| Emplacement | Extérieur (généralement) | Intérieur (généralement) | Cela dépend |
| Enroulements | Souvent présent | Parfois | Toujours |
Qu’est-ce qu’un stator ?
La partie fixe d’un moteur électrique qui crée ou dirige le champ magnétique nécessaire à la production du couple est appelée stator. Contrairement au rotor, le stator ne se déplace pas mécaniquement, mais joue un rôle électromagnétique actif.
Le stator de la plupart des moteurs à courant alternatif et des moteurs sans balais comporte des enroulements électrifiés qui créent un champ magnétique tournant interagissant avec le rotor pour créer un mouvement.
Construction du stator
Du point de vue de la fabrication, le stator est un assemblage de haute ingénierie composé de multiples sous-systèmes.
Laminations du noyau du stator
Le noyau de statorIl est généralement constitué de fines tôles d’acier électrique empilées axialement pour former une structure cylindrique. L’épaisseur des tôles varie généralement de :
- 0,5 mm pour les moteurs industriels standard.
- 0,35 à 0,2 mm pour les moteurs à bon rendement.
- 0,1 mm ou moins pour les applications à grande vitesse ou aérospatiales.
Fentes et dents
La circonférence intérieure du noyau du stator comporte des encoches séparées par des dents. Ces caractéristiques :
- Maintenir et soutenir les enroulements
- Façonner la distribution du champ magnétique
- Influence sur l’ondulation du couple et le bruit
Enroulements du stator
Les encoches du stator sont remplies d’enroulements de cuivre séparés du noyau. Selon l’application, ces enroulements peuvent être :
- Bobinages de fil rond
- Bobinages de fil rectangulaires ou plats
- enroulements en épingle à cheveux ou en épingle
Types de stators
Les stators sont classés en fonction de la disposition de l’enroulement et de la géométrie des encoches.
Stators à fentes vs stators sans fentes
- Les stators à fentes offrent un couplage magnétique puissant mais introduisent un couple de crantage.
- Les stators sans encoches offrent un couple plus régulier et un niveau sonore réduit, au prix d’une densité de couple moindre.
Enroulements concentrés vs enroulements répartis
- Les enroulements concentrés simplifient la fabrication et réduisent la longueur des spires d’extrémité.
- Les enroulements répartis améliorent la distribution du champ sinusoïdal et l’efficacité.
Rôle du stator dans les performances du système
Le stator exerce une forte influence sur :
- Rendement du moteur
- Facteur de puissance
- limites thermiques
- bruit acoustique
- fabricabilité et coût
Pour de nombreuses conceptions de moteurs, l’optimisation du stator permet d’obtenir des gains d’efficacité supérieurs à ceux obtenus par les modifications du rotor.
Qu’est-ce qu’un rotor ?
La partie d’un moteur électrique qui tourne s’appelle le rotor. Il est mécaniquement couplé à l’arbre de sortie et convertit les forces électromagnétiques en couple utilisable.
Tandis que le stator crée des conditions magnétiques, le rotor réagit en tournant à l’intérieur de ce champ.
Construction du rotor
La conception du rotor varie considérablement selon le type de moteur, mais les principes de construction de base restent les mêmes.
Laminations du noyau du rotor
Comme les stators, la plupart des rotors utilisent des noyaux en acier électrique feuilleté pour réduire les pertes. Les tôles d’un rotor peuvent comprendre :
- Fentes pour conducteurs
- Barrières de flux (dans les moteurs à réluctance)
- Cavités magnétiques (dans les moteurs à aimants permanents)
La précision de l’empilement des tôles est essentielle à l’équilibre du rotor et à la symétrie magnétique.
Intégration de l’arbre du rotor
Le noyau du rotor est généralement emmanché à force ou par frettage sur un arbre en acier. Cette interface doit résister à :
- Forces centrifuges
- contrainte de torsion
- dilatation thermique
Une mauvaise intégration de l’arbre peut provoquer des vibrations, du bruit ou une défaillance catastrophique.
Types de rotors typiques
Cage à écureuil à rotor
Ce rotor, fréquemment utilisé dans les moteurs à induction, est constitué de barres conductrices court-circuitées par des anneaux d’extrémité. Le courant est induit, et non fourni directement.
Rotor bobiné
Contient des enroulements reliés par des bagues collectrices, permettant un contrôle externe de la résistance lors du démarrage.
Rotor à aimant permanent
Utilise des aimants intégrés ou montés en surface pour générer un champ magnétique constant, éliminant ainsi les pertes de cuivre du rotor.
Rotors saillants et non saillants
- Les rotors saillants possèdent des pôles saillants et des entrefers variables.
- Les rotors non saillants offrent des entrefers uniformes et un fonctionnement plus fluide.
Refroidissement du rotor et contraintes mécaniques
Les rotors subissent des contraintes mécaniques plus élevées que les stators en raison de leur rotation. Les méthodes de refroidissement comprennent :
- canaux d’air internes
- Ventilateurs montés sur arbre
- Refroidissement liquide (machines à haute puissance)
Qu’est-ce qu’une armature ?
L’armature est définie comme le composant dans lequel une force électromotrice (FEM) est induite ou à travers lequel un courant circule pour interagir avec un champ magnétique.
Historiquement, ce terme est apparu dans les premières machines à courant continu, où la partie rotative transportant le courant était clairement distinguable du système d’excitation.
Induit vs rotor : sont-ils identiques ?
Elle figure parmi les sources de confusion les plus fréquentes.
- Le rotor est l’induit des moteurs à courant continu.
- Dans les moteurs à induction AC, le rotor fait office d’induit en raison des courants induits.
- Dans les moteurs BLDC, le stator fait office d’induit.
Ainsi, l’armature décrit un rôle fonctionnel, et non une position physique fixe.
Construction de l’armature
Les armatures peuvent être constituées de :
- Noyaux stratifiés
- Enroulements intégrés
- Commutateurs (dans les machines à balais)
Les enroulements d’induit sont soumis à une densité de courant élevée et à des contraintes thermiques, ce qui rend l’isolation et le refroidissement essentiels.
Principales différences entre le stator, le rotor et l’induit
Comparaison fonctionnelle
| Composant | Fonction principale | Mouvement |
| Stator | Génère un champ magnétique | Stationnaire |
| Rotor | Produit un couple mécanique | Tournant |
| Armature | Interaction courant/CEM | Fixe ou rotatif |
Comparaison structurelle
- Le stator privilégie la stabilité thermique et l’isolation.
- Le rotor privilégie la résistance mécanique et l’équilibre.
- L’armature privilégie l’efficacité de l’interaction électrique.
Comportement électrique
L’expérience d’Armature :
- Densités de courant élevées
- induction de tension
- Commutation ou commutation électronique
Les stators subissent généralement des contraintes électriques plus faibles mais des charges thermiques plus élevées.
Rôles du stator, du rotor et de l’induit dans différents types de moteurs
Moteurs à induction
- Stator : générateur de champ magnétique rotatif
- Rotor : armature à courant induit
- Rôle de l’induit : rotor
Moteurs à courant continu
- Stator : système de champ
- Rotor : armature avec collecteur
- Rôle de l’induit : rotor
Moteurs CC sans balais (BLDC)
- Stator : enroulements d’induit alimentés
- Rotor : aimants permanents
- Rôle de l’induit : stator
Moteurs et générateurs synchrones
Le positionnement de l’armature et du champ magnétique dépend de la méthode d’excitation et de l’application, notamment dans les générateurs.
