Statistique et classification des micromoteurs asynchrones monophasés

Les micromoteurs dont la puissance s’étale du dixième de watt jusqu’à quelques centaines de watts sont largement répandus dans les applications de grande série à usage domestique. Ils sont évidemment intéressants lorsqu’ils peuvent fonctionner directement à partir du réseau alternatif. Dans de très nombreux domaines les fabricants de matériels électriques doivent fournir des actionneurs électriques de faible puissance alimentés par le secteur monophasé. Ces micromoteurs sont surtout utilisés dans les appareils électroménagers et dans les appareils d’enregistrement et de reproduction musicale.

A l’heure actuelle les deux types de micromoteurs les plus utilisés pour ces applications sont le micromoteur universel et le micromoteur à induction monophasé. Les avantages du micromoteur à induction monophasé sont indéniables : construction simple et peu coûteuse, robustesse et fiabilité grâce à l’absence de tout contact glissant; de plus, ses faibles niveaux vibroaccoustiques et un entretien minimum en font un actionneur bien adapté pour les installations de climatisation et d’aspiration, pour l’entraînement des machines à laver et dans les accessoires de musique. Toutes ces qualités justifient le regain d’intérêt de l’usage domestique vis à vis de ces micro moteurs. Les développements récents de l’électronique de puissance et de commande permettent aux micromoteurs asynchrones monophasé à cage d’avoir une variation de vitesse. Néanmoins ce micromoteur présente un grave défaut : l’absence du couple au démarrage et la dégradation des indices technico-économiques suite à un mauvais choix de l’artifice de démarrage. Ainsi il s’avère nécessaire de trouver des solutions technico- économiques pour la réalisation des micromoteurs asynchrones sensiblement diphasés alimentés en monophasé.

On rencontre deux familles de solutions : celles à bague de déphasage et celles diphasées à éléments de déphasage. Dans tous les cas, le circuit magnétique est feuilleté , la cage rotorique est coulée en aluminium. Comme structure à bague de déphasage on peut citer :
– Le moteur à démarrage par variation de réluctance : une dissymétrie est crée dans l’entrefer ; cette variation de réluctance fait apparaître un déphasage entre les flux dans l’entrefer qui se traduit par la création d’un couple au démarrage relativement assez faible. Comme leur couple de démarrage est assez faible, ces micro moteurs sont généralement utilisés dans des pompes et des ventilateurs (électroménager entre autre).
– Le micro moteur à bobines écran ou à spires de Frager (encore appelé moteur shadedpôle) utilise un procédé qui s’apparente aux deux familles . La simplicité de ces micro moteurs à bobines écran se paye souvent cher en terme de rendement. Pour des puissances utiles de quelques dizaines de watts, il se situe dans la plage de 10 à 30% avec des compromis de conception (couple de démarrage, facteur de puissance). Le glissement nominal est couramment de 20% . Le facteur de puissance est compris entre 0.4 et 0.6. Tout cela se traduit, outre un coût de fonctionnement élevé(surtout s’ils fonctionnent durant un temps important, ce qui est souvent le cas), par l’importance du volume et de la masse. Par conséquent le coût matière est finalement élevé. Cette raison les a mis dans une position de régression sur le marché au profit d’autres micro moteurs. Dés que les puissances dépassent quelques dizaines de watts pour pallier au faible rendement des actionneurs précédents ou/et leur faible couple de démarrage on utilise une structure à élément de déphasage.

Statistique et Classification des micromoteurs asynchrones monophasé

Selon des statistiques le développement des travaux pour la théorie et les méthodes d’optimisation des micromoteurs asynchrones a nécessité beaucoup de dépenses en matériaux actifs dépassant de loin ce qui a été consommé pour les machines électriques de toutes les centrales d’énergie électriques réunies.

• 2 à 3 kg/W pour les machines de grandes puissances
• 13 à 380 kg/W pour les micromoteurs.

La fabrication en une année de 18,795millions de micromoteurs à usage domestique a nécessité :

• 64,5 milles tonnes d’acier magnétique,
• 9200 tonnes de cuivre
• Une consommation en énergie électrique de 25389 millions de kW.h.

Classification et choix du type de micromoteur asynchrone monophasé

En fonction du nombre de phases alimentées par le réseau électrique et du caractère des éléments de l’artifice de démarrage, les micro moteurs se répartissent suivant les types suivants :

Classification

On distingue les micromoteurs :
❖ Triphasé (à trois enroulements avec divers modes de branchements)
❖ monophasé avec la phase auxiliaire équipée d’un élément de démarrage- MAED
– à résistance de démarrage (interne ou externe) appelé aussi « Split-Phase » ou à phase de démarrage à grande résistance
– à condensateur de démarrage
❖ monophasé à condensateur – MAC
– avec un condensateur de démarrage et un autre permanent
– avec un condensateur permanent (MAC avec CD et CP ) .

du point de vue alimentation en énergie le MAC appartient au monophasé bien qu’en service c’est « un diphasé », les deux enroulements (principal et auxiliaire ) du stator sont alimentés en permanence.

❖ monophasé à écran (à spire de Frager ou shaded-pôle).

Micromoteur à induction sans condensateur « Split-Phase Motor » ou à phase de démarrage à haute résistance)

C’est un vieux système encore utilisé par les constructeurs américains ,souvenir de l’époque ou faute d’une technologie des condensateurs fiables, les moteurs mono démarraient à l’aide d’une résistance, parfois une self, en série avec la phase de démarrage et un artifice de démarrage. La résistance a été intégrée au bobinage par la valeur ohmique importante donnée à l’enroulement de démarrage(grand nombre de spires, faible section). Parfois on utilisa même du fil de bobinage en fer émaillé « c’était un piège pour les bobiniers, s’ils ne s’en apercevaient pas ,le moteur ne fonctionnait pas après rebobinage tout en cuivre ». Il est très fragile : la phase auxiliaire ,très fine, peut griller rapidement suite à un blocage ou un défaut de contact centrifuge. Il est néanmoins toujours utilisé par les constructeurs anglo-saxons, américains et asiatiques pour réaliser des moteurs économiques et n’exigeant pas de forts couples de démarrage. Le nombre de spires de la phase principale est supérieur à celui de la phase de démarrage par conséquent sa réactance est supérieure à celle de la phase de démarrage. Par contre la résistance active de la phase de démarrage est très élevée(fil fin)par rapport à celle de la phase principale. Le courant dans l’auxiliaire est presque en phase avec la tension , tandis que dans la phase principale il est en déphasage arrière par suite de sa réactance.

Les problèmes de la conception et les données techniques

L’étude de la conception des micro moteurs asynchrones est synonyme de la résolution de ces deux problèmes :

1- Si les caractéristiques externes et les propriétés du moteur sont des donnée, le problème se résume alors au choix de la construction et des matériaux , au calcul des dimensions principales et des données du bobinage.
2- Si la géométrie du moteur ,les données du bobinage et les propriétés des matériaux sont des données, le problème revient à la détermination des caractéristiques externes.

Le premier problème est plus global. Il conduit au calcul de la conception du moteur et la recherche de la meilleure variante selon les critères choisis. Le deuxième problème conduit au calcul préalable du moteur. Après la détermination de la géométrie de la machine et la recherche des données du bobinage nous menons un calcul de vérification .

Problème de la conception du micromoteur et sa désignation

Le choix des dimensions principales est établi à partir des données nominales du moteur. Les conditions principales sont considérées pendant le choix des charges électromagnétiques, le calcul du rotor, la phase auxiliaire et une série de questions liées à la construction du moteur.

Exigences techniques . Indices technico-économiques et Fiabilité

Les exigences techniques sont attribuées aux micromoteurs asynchrones en fonction des conditions de leur application . Elles peuvent être générales et spécifiques. Elles sont réglementées et ne diffèrent pas de celles des autres machines électriques. Les indices technico-économiques dépendent des propriétés, de la qualité et du coût des matériaux utilisées. Le choix des matériaux pour le système magnétique  .

(acier magnétique), et des enroulements (cuivre et aluminium) et leur isolation (isolants électriques) présente une importance particulière. Les roulements et le graissage influent beaucoup sur la durée de vie des micromoteurs. Les différents artifices de démarrage doivent répondre à un choix judicieux . Parmi ces derniers on peut citer :
• les condensateurs de marche ou « condensateur permanent » qui existent en deux technologies : à isolation en papier imprégné d’huile ou à film de polypropylène métallisé (ou auto-cicatrisant).
• les condensateurs de démarrage de fortes valeurs ,pour service intermittent,réalisés en technologie ‘’ électrolytique’’ et sont non polarisés .
• Le coût du condensateur a un impact très significatif sur le coût total du micro moteur.
• les contacteurs de démarrage les plus répandus sont les contacteurs centrifuges ; ils sont de divers modèles selon le constructeur .
• les relais d’intensité monté en série avec la phase de marche.
• les relais de tension montés en parallèle sur la phase auxiliaire(hors condensateur)
• les interrupteurs « spécial mono » , les relais temporisé, les thermistances PTC de puissance .

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : Les caractéristiques générales et les problèmes de conception des micromoteurs asynchrones monophasés
I.1. Introduction
I.2. Statistique et classification des micromoteurs asynchrones monophasés
I.2.1. Classification et choix du type de micromoteur asynchrone monophasé
I.2.1.1. Classification
I.2.1.2. Choix du type de micromoteur
I.2.1.3. Branchement des circuits électriques et caractéristique des MAC et MAED
I.2.2. Les problèmes de la conception et les données techniques
I.2.2.1. Problème de la conception du micromoteur et désignation
I.2.2.2. Caractéristiques mécaniques et exigence des MAC et MAED
I.2.2.3. Influence des particularités semblables aux micromoteurs
I.2.3. Exigences techniques. Indices technico-économiques et fiabilité
I.3. Problèmes du dimensionnement des micromoteurs et bobinage
I.3.1. Problème du dimensionnement principal
I.3.1.1. Le choix des charges électromagnétiques
I.3.1.2. La densité volumique active V= f(Pn)
I.3.1.3. L’entrefer et son influence
I.3.2. Dimensionnement des encoches
I.3.2.1. Encoches statorique et rotorique et leur isolation
I.3.2.2. Encoches du rotor
I.3.2.3. Rapport ZS / ZR et l’inclinaison des encoches
I.3.3. Optimisation du dimensionnement des feuilles du stator et du rotor
I.3.3.1. Problème du dimensionnement optimal des encoches
I.3.3.2. La méthode des plans d’expériences (MPE)
I.3.3.3. Classification et types de bobinage du stator des MAC et MAED
I.3.3.3.1. Bobinage diphasé à une et à deux couches
I.3.3.3.2. Le bobinage sinusoïdal
I.3.3.3.3. Conclusion
CHAPITRE II Modélisation des micro moteurs asynchrones monophasés MAC et MAED
II.1. Présentation et critique de la théorie classique des MAC et MAED
II.1.1. Principes et constitution des micromoteurs asynchrones asymétriques diphasés(MAC) et monophasés MAED
II.1.2. Analyse du champ magnétique et du couple de démarrage des micro moteurs diphasés asymétriques
II.1.3. Modèles physiques et méthode des composantes symétriques
II.1.3.1. Modèle classique de base
II.1.3.2. Principe de la méthode des composantes symétriques
II.1.3.3. Equation des tensions. Modèle physique des MAC et MAED
II.2. Circuits électriques équivalents traditionnels des MAC et MAED
II.2.1. Modèles électriques primitifs des MAC et MAED
II.2.2. Calcul des composantes symétriques directs et inverses des MAC et MAED
II.2.3. Transformation des circuits électriques équivalent
Analyse et discussion
II.2.3.1. Translation de la branche magnétisante dans les circuits électriques équivalents
II.2.3.2. Modèle électrique unifié pour le MAED
II.2.3.3. Modèles électriques corrigés en vue de l’amélioration de la précision des paramètres des circuits électriques et magnétiques
II.3. Modélisation mathématique des micro moteurs asynchrones monophasés à deux enroulements
II.3.1. Conception du micro moteur à base de la machine généralisée
II.3.2. Modélisation mathématique dans le repère( α,β ) lié au stator
II.3.3. Elaboration des modèles mathématique des MAC et des MAED
II.3.3.1. Modèle mathématique du MAC à CD et à CP
II.3.3.2. Modèle mathématique du MAED à résistance élevée ( Split phase motor )
II.3.3.3 Modèle mathématique du MAC à CD et à résistance élevée
CHAPITRE.III Les performances technologiques des micromoteurs asynchrones monophasés MAC et MAED et leur amélioration
III.1. Introduction
III.1.1. Influence de la valeur de la capacité sur les caractéristiques et son optimisation
III.1.2. Applications et résultats du choix optimal du condensateur
III.1.3. Conclusion
III.2. Approche pour la considération des pertes fer, des harmoniques supérieurs d’espace et de la saturation dans le calcul des indices externes des MAC et MAED
III.2.1. Influence des pertes fer et des harmoniques. Modèle mathématique approprié
III.2.1.1. Méthode de la prise en compte des pertes fer dans le calcul des indices externes
III.2.1.2. Influence des harmoniques supérieurs d’espace. Analyse des résultats de calcul et expérimentaux du MAC
III.2.1.2.1. Degré d’importance de l’impact des harmoniques supérieurs d’espace sur les caractéristiques externes
III.2.1.2.2. Modèle électrique et mathématique proposé pour la prise en compte des harmoniques supérieurs et des pertes fer
III.2.1.2.3. Influence de la résistivité rotorique, de l’entrefer et de l’échauffement. Résultats et analyse
III.2.1.3. Valorisation de l’influence des harmoniques supérieurs par les coefficients de pertes et de couples auxiliaires
III.2.1.3.1. Mise en équation des coefficients de pertes et de couples auxiliaires
III.2.1.3.2. Les paramètres d’influence sur kC.ad et kP.ad
Application et résultats
III.2.1.3.3. Conclusion
III.2.2. Influence de la saturation
III.2.2.1. Etude du micromoteur saturé et modèle mathématique primitif
III.2.2.2. Principales étapes de calcul des indices externes avec la prise en compte de la saturation
III.2.2.3. Equation des courants et application sur le MAC
III.2.3. Résultat et discussion
III.3. Conclusion
Conclusion générale

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