Un rotor d’un moteur de voiture électrique Tesla.
L’électricité est aujourd’hui considérée comme acquise, et avec elle les moteurs électriques qui font fonctionner aussi bien le TGV que votre lave-linge.

Plusieurs technologies de moteurs électriques existent, comme le moteur à courant continu (DC) avec balai, le moteur DC sans balai mais avec un capteur magnétique a effet Hall, ou le moteur à courant alternatif synchrone. Ce dernier utilise les alternances du sens du courant pour attirer puis repousser les aimants du rotor et le faire tourner et pour contrôler la vitesse de rotation du moteur.

Celui donc je vais parler ici, le moteur asynchrone à courant alternatif ou moteur à induction, est plus mystérieux. Imaginé et mis au point par Nikola Tesla, il est excessivement simple en termes de composants. En effet, il n’a aucun aimant, pas de balais et zéro électronique embarqué. Et pourtant… il tourne !

Comment cela peut-il arriver ?

On verra aussi l’astuce qui permet à ce moteur de fonctionner en mode générateur.

Description générale

Un moteur électrique se compose de deux parties principales : le stator et le rotor.

Le stator correspond à la partie fixe du moteur : il s’appelle ainsi, car il est statique, il ne bouge pas.

Le rotor, à l’inverse, est toute la partie en rotation et sur laquelle on prélève le couple moteur.

Photo d’un stator et d’un rotor d’un moteur électrique.
Les deux parties d’un moteur électrique : le rotor, en bas à gauche, et le stator en haut à droite (source)

Dans un moteur à courant continu à balais, les aimants sont sur le stator. Le courant d’alimentation est transmis aux bobines du rotor via les balais venant contacter l’arbre du rotor. La rotation de ce dernier fait que les différentes bobines du rotor sont soit connecté aux balais positifs, soit au négatif, soit à rien. Cette commutation permet au champ magnétique produit par les bobines d’être toujours en vis-à-vis du champ fixe du stator, et donc de tourner.

Dans un moteur sans balais, les différentes bobines sont sur le stator. Les bobines peuvent être alimentées en courant continu, et dans ce cas c’est un capteur à effet Hall qui pilote la commutation entre les bobines ; ou en courant alternatif, auquel cas les alternances du courant produisent un champ magnétique rotatif dans le stator, qui permet d’entraîner le rotor et faire fonctionner le moteur.

On va voir certains de ces éléments en détail ci-dessous, mais voilà pour une présentation très générale. Retenez pour le moment simplement l’existence du stator et du rotor, et qu’il existe des technologies différentes de moteurs électriques.

Principe de l’induction

L’induction électromagnétique, c’est l’apparition d’un courant électrique dans un conducteur placé dans un champ magnétique variant.

C’est le principe du générateur électrique : ce dernier, quand il est actionné par une force extérieure (roue d’un vélo dans le cas d’une dynamo par exemple, une le vent pour une éolienne). Cette force met en mouvement un aimant placé dans une bobine fixe.
L’aimant produit un champ magnétique, mais la rotation de l’aimant va faire varier le sens de ce champ magnétique : or le sens qui varie suffit à avoir un champ magnétique variant.

Il est important que le champ magnétique soit variant, car seule la variation d’un champ magnétique permet d’induire un courant (c’est la loi de Maxwell-Faraday).

La raison à cela est logique : lorsque l’on met une bobine conductrice dans un champ magnétique qui se déplace ou qui tourne, le champ va agir sur les électrons et les forcer à circuler, formant un courant électrique. Si l’aimant ne bouge pas, les électrons ne sont entraînés nulle part et il n’y a pas de courant.

Dans le cas d’un chargeur à induction, le chargeur émet un champ magnétique variant jusque dans votre téléphone. Une bobine dans votre téléphone produit alors un courant qui sert à charger la batterie.
Dans les cuisinières à induction, les courants sont induits directement dans la casserole : ces courants chauffent le métal et la casserole.

Dans un moteur à induction, le champ magnétique va également produire un courant, mais pas que !

Fonctionnement du moteur à courant alternatif synchrone

Je vais expliquer le moteur asynchrone (ou à induction), mais pour y aller pas à pas, parlons d’abord du moteur synchrone à aimants permanents : il est un peu plus simple. Les deux moteurs fonctionnent en courant alternatif (le plus souvent triphasé).

Le moteur synchrone à aimants permanents est composé a ses bobines sur le stator et les aimants sur le rotor.

En premier lieu, limitons-nous au stator. Le courant triphasé dans les bobines du stator va produire un champ magnétique à l’intérieur du stator. Vu le fonctionnement du triphasé, le champ magnétique qui règne dans la cage du stator est rotatif :

Rotation du champ magnétique au cœur du stator.
Le courant alternatif triphasé avec chaque phase envoyée sur une série de bobines permet d’obtenir un champ magnétique rotatif dans le moteur. C’est ce champ qui baigne le rotor et le poussera à tourner. (source image)

Le champ magnétique obtenu est identique à celui d’un aimant en rotation. C’est juste qu’ici, il n’y a pas de pièce mécanique en rotation : tout est purement électromagnétique.

Introduisons désormais le rotor à l’intérieur du stator : les aimants permanents fixés dessus vont avoir tendance à s’orienter face au champ magnétique statorique. Si ce champ magnétique tourne, le rotor suit ce champ et tourne également.

Fonctionnement du moteur à courant alternatif asynchrone, ou moteur à induction

Considérons maintenant le moteur asynchrone. Pour ça, prenons le moteur synchrone et retirons le stator avec les aimants. Remplaçons ce dernier par un rotor sans aimants, mais avec des boucles métalliques :

Photo et schéma de la cage d’écureuil
Photo et schéma de la « cage d’écureuil ». Les boucles métalliques sont penchées par rapport à l’axe du rotor afin d’éviter le phénomène de verrouillage magnétique lors du démarrage (lors de cette phase, le courant d’alimentation a une fréquence nulle qui monte jusqu’à la fréquence de croisière, et si le stator est exactement aligné avec es bobines, les pôles sont tous en vis à vis et le moteur est magnétiquement bloqué. Cela permet aussi d’éviter le phénomène où le moteur se cale à une vitesse de rotation d’une harmonique du champ magnétique, typiquement à une fraction 1/3, 1/5 ou 1/7 de la rotation du champ statorique. (photo, schéma)

Le rotor forme ce que l’on nomme une « cage à écureuil » : il s’agit en fait d’un ensemble de boucles en métal, capables de conduire le champ magnétique et le courant électrique.

Le fonctionnement est le suivant. Lorsque le champ magnétique produit par le stator se met à tourner, un courant électrique est induit dans les boucles du rotor. Ce courant va à son tour développer un champ magnétique : le champ magnétique rotorique. Ce champ du rotor, induit par le stator, va transformer le rotor en un électroaimant.

En accord avec la loi de Lenz-Faraday, le champ magnétique du rotor est un phénomène qui tend à modérer les effets qui donnent naissance, à savoir les courants dans le rotor. Le champ du rotor va donc tourner lui aussi de façon à réduire ces courants induits par le champ du stator. Il en résulte que le rotor se met à accélérer et à suivre le champ magnétique rotatif du stator.

Pour l’instant, c’est donc exactement comme le moteur synchrone, l’aimant est simplement remplacé par un électroaimant qui est alimenté inductivement par le stator. Il reste désormais à expliquer pourquoi l’on parle d’un moteur asynchrone.

Pour cela il faut remarquer que si le rotor tourne à la même vitesse que le champ statorique, il n’y aurait pas de courant induit. En effet, si le rotor et le champ statorique tourne de façon synchrone, le rotor ne verrait aucune variation de champ magnétique et ne développerait pas de courant induit (qui nécessitent une variation, souvenez-vous), et par suite pas de champ magnétique rotorique. Par conséquent, le rotor tourne toujours légèrement moins vite que la vitesse synchrone, à une vitesse où le couple moteur produit par les forces magnétiques compensent exactement la charge sur le moteur électrique.

Même alimenté par un courant alternatif fixe, la vitesse du rotor peut donc légèrement varier en fonction de la charge sur le moteur : le rotor est donc bien désynchronisé du champ statorique, et le qualificatif « asynchrone » vient de là. La différence de vitesse, quant à elle, est appelée le glissement du moteur à induction, et il se trouve aux alentours des 2 % à sa vitesse nominale (un peu plus lors de la mise en route du moteur).

Le côté pratique ici c’est que le couple s’adapte automatiquement à la charge sur le moteur. Ainsi, si l’on soumet d’un coup une forte charge au moteur, le rotor ralentit. Son glissement devient alors plus important : le rotor voir une variation plus forte dans le champ statorique, le courant induit devient plus intense et le couple moteur monte, compensant la charge plus élevée.

À l’inverse, si la charge diminue, sa vitesse de rotation se rapproche de la vitesse synchrone : le courant induit diminue et le couple s’abaisse.

Pas mal non ? Mais il y a encore mieux : le mode générateur !

Moteur à induction en mode générateur

En mode moteur, on transforme de l’énergie électrique en énergie mécanique. En mode générateur, c’est l’inverse : une action mécanique entraine le rotor et l’on récupère un courant électrique.

Dans le cas d’un moteur à induction, si l’on entraîne le rotor, il ne se passe rien. En effet : cette machine n’a pas d’aimant, donc aucun champ magnétique natif. Rien ne se passe donc si l’on se contente de tourner le rotor.

Pourtant, les éoliennes utilisent ce type de moteurs. Certaines voitures électriques, comme les premières Teslas, les utilisent également pour récupérer l’énergie de freinage. Mais comment ?

En mode moteur, tous les champs existent grâce à l’alimentation électrique préalable du stator, y compris le champ produit par le rotor. Sans cette alimentation, le rotor est juste une bobine non alimentée et non magnétique.

Alors comment peut-on faire pour produire du courant avec ce moteur sans aimants ? Déjà, pour arriver à quelque chose, il faut que le rotor présente un champ magnétique. On sait qu’en mode moteur, ce champ existe grâce au stator. On a donc notre solution : pour que le moteur asynchrone puisse produire du courant, il faut alimenter le stator !

Ça semble contre-intuitif, mais ça marche : le stator alimenté, il produit son champ statorique, qui va induire un courant rotorique, qui va développer son champ rotorique. Et nous y voilà : le champ rotorique est créé.

Maintenant, le rotor étant entraîné par une force extérieure, il tourne à une vitesse plus grande que la vitesse synchrone. Le champ rotorique va donc « tirer » sur les électrons des bobines du stator : c’est donc lui qui devient producteur de courant dans le stator. Ce courant statorique contribue à maintenir le champ dans le rotor tout en produisant un surplus d’électricité que l’on va pouvoir récupérer.

Il faut bien réaliser qu’un moteur à induction a besoin d’une source de courant pour fonctionner en mode générateur : le champ magnétique rotorique doit être installé manuellement et préalablement par le stator afin de récupérer un courant dans ce dernier.

L’origine de ce surplus d’énergie ne provient pas de nulle part : ce n’est pas de l’énergie libre. Il provient juste du fait que le rotor est entraîné mécaniquement à une vitesse super-synchrone (« plus vite que la vitesse synchrone »). C’est donc cette énergie mécanique sur le rotor qui est à l’origine de l’induction de ce surplus de courant dans le stator.

Le petit courant qu’on envoie dans le stator pour magnétiser le rotor est donc comme amplifié par un jeu d’induction assez complexe :

Diagramme de fonctionnement d’un moteur asynchrone en mode générateur.
Dans ce mode, en plus de la production de courant, le champ rotorique tire sur le champ statorique : ceci constitue une charge sur le rotor. Le rotor est donc freiné.

C’est ceci qui permet à un moteur électrique de freiner une voiture électrique tout en récupérant son énergie cinétique en vu de la stocker dans la batterie, De plus, vu que c’est un frein moteur, son usage permet d’économiser sur les plaquettes de frein ! L’ensemble d’un tel système dans une voiture hybride permet de faire des économies assez conséquentes sur le carburant.

Enfin, juste pour le mentionner ici : dans certains moteurs/générateurs, le rotor est muni de condensateurs : ces derniers se chargent quand le rotor tourne. Lors du passage en mode générateur, quand le rotor commence à être mis en mouvement par une énergie mécanique extérieure, les condensateurs envoient une impulsion dans le rotor de façon à l’aimanter. Dans ce cas, pas besoin d’alimenter le stator : c’est le condensateur qui aimante le rotor. Ensuite, c’est comme avant : le champ rotorique est maintenu par le champ statorique induit.

conclusion générale

Les moteurs à aimants sont assez simples à comprendre : il suffit d’alimenter une bobine, que ce soit en DC, AC, sur le stator ou sur le rotor, et le champ magnétique permanent de l’aimant suit continuellement les champs produits par les bobines. Si les bobines sont alimentées en alternatif, ou en continu commuté, les forces magnétiques développeront un couple moteur qui entraîne le rotor.

Dans le moteur à induction, pas d’aimants : seulement des bobines. Ici, le champ magnétique d’une des bobines est obtenue par induction de la part de l’autre bobine. Le résultat est ensuite le même : le champ magnétique de la bobine induite prend appui sur le champ de la bobine alimentée en courant et le rotor se met à tourner.

Si le fonctionnement des moteurs à induction est plus complexe à expliquer, les avantages sont multiples :

  • le coût : les pièces et les matériaux sont moins chers, et il y a moins de pièces ;
  • l’absence d’aimants permanents confère une indépendance vis-à-vis des terres rares comme le néodyme ou le dysprosium, sur lesquels la Chine possède aujourd’hui le quasi-monopole ;
  • l’absence de balais signifie moins de bruit, moins d’usure et moins d’entretien ;
  • l’absence d’aimants au néodyme remplacé par un noyau doux et des conducteurs en cuivre ou en aluminium engendrent un poids réduit pour le moteur.

Concernant le mode générateur : dans l’ensemble, cette façon qu’a le rotor de ne fonctionner qu’une fois qu’il est artificiellement magnétisé, puis de se maintenir magnétisé par l’intermédiaire du stator, le tout en prenant comme source d’énergie l’entraînement mécanique qu’il subit, correspond plus ou moins au mécanisme de création et de maintien du champ magnétique terrestre : là aussi la rotation de la Terre et l’émission de chaleur par le noyau constituent la source d’énergie qui permet au champ magnétique et aux courants dans les couches liquides du noyau terrestre de s’entretenir mutuellement ; mais il a tout de même fallu un champ extérieur pour initier le tout… et son origine à lui reste encore un mystère.

Liens, ressources

image d’en-tête de Tinou Bao

5 commentaires

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Juju wrote:

Donc en faisant varier la fréquence on fait varier la vitesse à charge identique ?

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Le Hollandais Volant wrote:

@Juju : En effet, on peut utiliser la fréquence du signal d’entrée (dans le stator) pour contrôler la vitesse de rotation.
Dans une voiture électrique, c’est comme ça que l’on joue sur l’accélérateur.

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galex-713 wrote:

tu viens de bouleverser ma vision écolo-économique de la production d’électricité… moi qui me disais « à part le photovoltaïque et les piles chimiques, toute production d’électricité demande des aimants »… ah bah non…

Donc genre un panneau solaire (ou autre bootstrap genre condensateurs, batteries, piles, autre truc chimique) et du fer bien agencé ça suffit à faire un générateur, okéé…

et dans l’autre sens du coup faut pas d’aimant pour un moteur électrique… je m’y attendais tellement pas…

Sinon j’avoue que niveau champs magnétiques j’ai pas tout compris à l’article, mais bon j’ai pas étudié la physique à la fac, et je suis fatigué, ça doit jouer…

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Le Hollandais Volant wrote:

@galex-713 : :D
Tu oublies la génération d’électricité par électricité statique : générateur de Van De Graaf, ou machine de Wirmshurst ;).

Sinon, tout ce qui se passe, c’est qu’un courant produit un champ magnétique, et un champ magnétique produit un courant.

Ensuite pour résumer en une (longue) phrase : un champ magnétique [statorique] produit par un courant [dans le stator], peut également produire son propre courant [dans le rotor] qui va à son tour produire un autre champ magnétique [rotorique]. Et les deux champs magnétiques en jeu [statorique & rotorique] vont alors se repousser (Loi de Lenz). Si le premier champ [statorique] est rotatif (car le courant est alternatif), le second champ magnétique est rotatif aussi, et cette rotation tourner le moteur.

C’est complexe, mais pas forcément compliqué. C’est juste une cascade de phénomènes électromagnétiques très basiques.

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Raphaël wrote:

Merci pour cet article ! Comme souvent, il aiguise ma curiosité...

Il semble n'y avoir que des avantages aux moteurs à induction. Ils se répandent dans les usages grand public (chargeurs, lave-linges, visseuses...). Pourtant je crois que les éoliennes n'utilisent pas ce type de moteurs ? L'utilisation des terres rares pour leurs aimants fait partie de ce qui leur est reproché. Ainsi que le bruit. Et comme elles sont déjà reliées au réseau électrique, je ne vois pas ce qui empêche l'utilisation des moteurs à induction. S'agit-il d'une technologie trop récente ou bien y aurait-il d'autres explications : limitations techniques, performances ?

Merci encore !


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