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Comment mettre et maintenir des objets en mouvement sans aucune force musculaire ? Alors que l'énergie mécanique d'une machine à vapeur est produite à l'aide de vapeur d'eau chaude, ou plus précisément de la pression de la vapeur, un moteur électrique utilise l'énergie électrique comme source. C'est pourquoi on l'appelle également convertisseur électromécanique.
Le contrepartie du moteur électrique est le générateur, de conception similaire. Il transforme l’énergie mécanique du mouvement en puissance électrique. Le principe physique fondamental des deux est l’ induction électromagnétique. Dans le générateur, un courant est induit et de l’énergie électrique est produite lorsqu’un conducteur se trouve dans un champ magnétique mobile. Dans le moteur électrique, en revanche, c’est un conducteur traversé par le courant qui induit des champs magnétiques. Leurs forces d’attraction et de répulsion réciproques sont à l’origine de la production du mouvement.
En principe, l'intérieur d'un moteur électrique se compose du stator et du rotor. Le terme « stator » est dérivé du verbe latin « stare » = « rester immobile ». Il s'agit du composant fixe d'un moteur électrique. Il est solidement relié au carter, lui aussi fixe. À l'inverse, le rotor est monté sur l'arbre moteur et est orientable.
Dans un moteur triphasé, le stator contient ce qu’on appellele paquet de tôles, qui est enroulé de fils de cuivre. Ce bobinage fait office de bobine et génère, lorsqu’il est traversé par un courant, un champ magnétique tournant. Ce champ magnétique généré par le stator induit un courant dans le rotor, qui à son tour génère un champ électromagnétique autour du rotor. Cela provoque la rotation du rotor et de l’arbre moteur, qui suivent ainsi le champ tournant du stator.
Le rôle du moteur électrique est d’entraîner, grâce au mouvement de rotation ainsi généré, un réducteur (convertisseur de couple et de vitesse) ou, en tant que moteur raccordé directement au réseau, une application.
Le moteur à courant continu est à l’origine de toutes les inventions. De nos jours, cependant, ce sont les moteurs triphasés de différentes positions de montage sont les moteurs électriques les plus courants dans l’industrie. Ils ont tous en commun le mouvement de rotation résultant de l’axe du moteur. Le principe de fonctionnement des moteurs triphasés repose sur le principe électromagnétique du moteur à courant continu.
Comme la plupart des moteurs électriques, le moteur à courant continu se compose d’une partie fixe, le stator, et d’un composant orientable, le rotor. Le stator est constitué soit d’un électroaimant, qui induit un champ magnétique, soit d’aimants permanents, qui génèrent en permanence un champ magnétique. À l’intérieur de ce stator se trouve un rotor, également appelé induit, qui est entouré d’une bobine. Lorsque la bobine est raccordée à une source de courant continu (une pile, un accumulateur ou une alimentation en tension continue), elle génère un champ magnétique et le noyau de fer du rotor se transforme en électroaimant. Le rotor est orientable et s’aligne de telle sorte que les pôles attractifs, c’est-à-dire opposés, du champ magnétique se trouvent face à face – le pôle nord de l’induit face au pôle sud du stator, et inversement.
Pour mettre le rotor en rotation continue, l’orientation magnétique doit être inversée à plusieurs reprises. Cela s’effectue en modifiant le sens du courant dans la bobine. À cet effet, le moteur dispose d’un élément appelé commutateur. Les deux contacts d’alimentation y sont raccordés et c’est lui qui assure l’inversion de polarité. L’alternance des forces d’attraction et de répulsion permet à l’induit / au rotor de continuer à tourner.
Les moteurs à courant continu sont principalement utilisés dans des applications de faible puissance. Il s’agit notamment des petits outils, des appareils de levage, des ascenseurs ou des véhicules électriques.
Au lieu d’un courant continu, un moteur triphasé nécessite un courant triphasé, c’est-à-dire un courant alternatif triphasé. Dans le moteur asynchrone, le rotor est ce qu’on appelle un rotor induit à cage d'écureuil. La rotation résulte de l’induction électromagnétique de ce rotor. Dans le stator, on trouve des bobinages (bobines) décalés de 120° par phase du courant triphasé (disposés en triangle). Lorsqu’elles sont raccordées au courant triphasé, ces bobines génèrent chacune un champ magnétique qui tourne au rythme de la fréquence réseau, décalée dans le temps. Le rotor, induit électromagnétiquement, est entraîné par ces champs magnétiques et tourne. Un commutateur, comme sur un moteur à courant continu, n’est donc pas nécessaire.
Les moteurs asynchrones sont également appelésmoteurs à induction, car ils fonctionnent uniquement grâce à la tension induite électromagnétiquement. Ils fonctionnent de manière asynchrone, car la vitesse périphérique du rotor induit électromagnétiquement n'atteint jamais la vitesse de rotation du champ magnétique (champ tournant). En raison de ce glissement, le rendement des moteurs triphasés asynchrones est inférieur à celui d'un moteur à courant continu.
Dans les moteurs synchrones, le rotor est équipé d'aimants permanents au lieu de bobinages ou de barres conductrices. De cette manière, l’induction électromagnétique du rotor n’est plus nécessaire et le rotor tourne sans glissement, de manière synchrone, à la même vitesse périphérique que celle du champ magnétique du stator. Le rendement, la densité de puissance et les vitesses de rotation possibles sont donc nettement supérieurs chez le moteur synchrone par rapport au moteur asynchrone. Cependant, la conception des moteurs synchrones est également nettement plus complexe et plus coûteuse.
Outre les machines rotatives largement répandues dans l’industrie, des entraînements sont également nécessaires pour des mouvements sur des trajectoires rectilignes ou courbes. De tels profils de mouvement se retrouvent principalement dans les machines-outils ainsi que dans les systèmes de positionnement et de manutention.
Les moteurs électriques rotatifs peuvent certes, à l’aide d’un réducteur, convertir leur mouvement de rotation en un mouvement rectiligne, c’est-à-dire le produire indirectement. Cependant, ils ne disposent souvent pas de la dynamique nécessaire pour réaliser des mouvements « de translation » ou des positionnements particulièrement exigeants et rapides.
C’est là qu’interviennent les moteurs linéaires, qui génèrent directementlemouvement de translation(entraînement direct). Leur principe de fonctionnement s’inspire de celui des moteurs électriques rotatifs. Pour cela, il suffit d’imaginer un moteur rotatif « déplié » : le stator, auparavant circulaire, devient une surface de roulement plane (voie ou rail) sur laquelle se déplace le moteur. Le champ magnétique se forme alors le long de ce trajet. Le rotor, qui correspond au rotor d’un moteur triphasé et qui y tourne en cercle, est, dans le moteur linéaire, appelé « chariot » ou « translateur » ; il est entraîné par le champ magnétique du stator, qui se déplace longitudinalement, en ligne droite ou en courbes le long de la course.
L’invention du moteur électrique ne peut être attribuée à une seule personne. Sa découverte est le fruit des recherches menées par plusieurs inventeurs. Au XIXe siècle, l’intérêt pour l’électrotechnique n’a cessé de croître, inspirant les chercheurs du monde entier. Les inventions se sont succédé à un rythme effréné.
Comme les premiers moteurs électriques dépendaient d’une alimentation en courant par piles au zinc, il leur restait encore un long chemin à parcourir avant de pouvoir concurrencer sérieusement les machines à vapeur alors dominantes. Le développement des premiers générateurs électriques a changé la donne.
Mais là encore, il y avait des limites. Le courant continu produit par les générateurs ne pouvait pas être transporté sur de longues distances. Ce n’est qu’avec l’introduction du courant alternatif et du courant triphasé, qui pouvaient être acheminés sans pertes importantes même sur de longues distances, ainsi qu’avec l’invention du moteur triphasé, que la percée a eu lieu.
Voici un petit aperçu, non exhaustif, des dates et faits historiques :
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