FICHE TECH NIQUE N O 15 Des solutions fiables maintenant ! QUELQUES FACETTES DES EFFETS DU CENTRAGE MAGNÉTIQUE SUR DES MOTEURS À INDUCTION MUNIS DE PALIERS À COUSSINETS Par Bob Brozek Directeur, génie électrique General Dynamics, Division des bateaux électriques RÉSUMÉ La présente fiche porte sur plusieurs aspects des effets du centrage magnétique sur des moteurs à induction dotés de paliers à coussinets. Nous passerons le tout en revue, à commencer par la définition des termes, des sujets tels que les composantes de force, centres faibles contre centres forts, deux pôles comparativement à un plus grand nombre de pôles ainsi que les effets de charge. Quelques-uns des phénomènes les plus étranges relativement aux positions de centrage magnétique flottant et double y sont décrits. GÉNÉRALITÉS La définition de certains termes s’impose pour assurer une compréhension rapide de la force de centrage magnétique. Premièrement, on entend par jeu axial la distance totale sur laquelle un rotor équipé peut se déplacer axialement entre les limites fixées par les surfaces de butée d’un palier à coussinet et les embases de l’arbre correspondantes. On parle généralement de 13 mm (0,5 po) dans le cas des gros moteurs. Deuxièmement, le centre mécanique correspond à la position du bloc rotor à mi-chemin du jeu axial total. Le centre magnétique correspond quant à lui à la position que vient occuper le bloc rotor une fois alimenté en énergie. Une force de centrage magnétique s'exerce lorsque le rotor se voit forcé de quitter la position souhaitée vis-à-vis centre magnétique quant des éléments extérieurs l'y entraînent. Lorsqu'un rotor tourne librement au centre magnétique, la somme des composantes de la force de centrage magnétique axial est égale à zéro. C’est seulement lorsque le bloc rotor se trouve déplacé de la position désirée que se manifeste une TN 15-1 (Mise-à -jour - 10/03) force de rétablissement du centre magnétique. Normalement, les centres magnétique et mécanique ne coïncident pas en raison des variantes de fabrication désirée au centrage magnétique. La figure 1 démontre la nomenclature décrite. LES COMPOSANTES DE LA FORCE DE CENTRAGE MAGNÉTIQUE Selon la conception de l’appareil, quatre composantes de la force de centrage magnétique se manifestent. La première se forme aux extrémités du noyau de stator de concert avec celles du noyau de rotor. Lorsque des conduits d’aération sont présents dans l’ensemble stator et rotor, une deuxième composante se manifeste à l’alignement des bords des conduits. Si les encoches du stator ou du rotor sont inclinées, une troisième composante naîtra en raison de la force exercée par l'inclinaison. La quatrième composante de la force axiale résulte de l’interaction entre le flux principal ou de dispersion et le courant dans les bagues d’extrémité de la cage du rotor. Cette dernière variable se révèle la plus difficile à calculer. Elle prédomine dans les machines dont les bagues d’extrémité sont situées à proximité de l’entrefer principal (comme dans les rotors en aluminium moulé) et au cours du démarrage où de forts courants sont transportés par la cage du rotor. Dans les rotors mécano-soudés, où les barres se prolongent bien au-delà des bords du noyau et des bagues d’extrémité correspondantes, cette force particulière se manifeste à peine en régime établi. Quelques facettes des effets du centrage magnétique Les deux premières composantes mentionnées procurent une force proportionnelle aux variables de l’équation ci-dessous. Voici le cas d’un moteur à induction triphasé alimenté par une ligne électrique de 60 Hz. F = K x E x I x [ Ef + Df ] L Où : K = une constante = 0,02 E = ligne de stator à la tension composée I = courant de la ligne de stator à vide L = longueur en pouces du noyau empilé Ef = somme des facteurs de force des extrémités de noyaux Df = somme des facteurs de force des conduits d'aération individuels stator-rotor Dans le cas d’un moteur sans évent, la variable Df sera de zéro, tandis que dans une version munie de nombreuses prises d’air destinées au stator et au rotor, la variable Df pourrait devenir plus importante que l’influence des extrémités de noyau (Ef). Si le moteur ne se trouve pas au niveau, il existe la composante axiale du vecteur de masse dont il faut tenir compte en plus des autres facteurs mentionnés. La direction du poids axial dépend du sens de l’inclinaison. MOTEURS BIPOLAIRES Ces moteurs se caractérisent par des centres magnétiques mous ou faibles. Il s’agit principalement du résultat de leur construction sans aucune prise de refroidissement radiale dans le rotor. En général les moteurs bipolaires sont exempts de prises d’air de rotor et d'ouvertures d’alimentation axiales connexes afin de favoriser la capacité de transport du flux dans le noyau du rotor et les cheminements d’arbre et d’atténuer le plus possible le bruit aérien. On peut voir les méthodes FIGURE 2 : DISPOSITIONS DE NOYAUX MAGNÉTIQUES DE MOTEURS BIPOLAIRES Stator A Rotor Noyau court, conception basse puissance Stator B Rotor Noyau long, conception haute puissance Noyau d’induit net = Noyau de rotor net Stator C Rotor Fiche technique no. 15 de montage les plus courantes des noyaux de stator et rotor à la figure 2, de A à C. L’image 2 A montre un bon exemple de construction à noyau court de faible puissance [moins de 300 à 400 HP (225 à 300 kW)] et dans lequel aucun passage d’aération radial du stator ne se révèle nécessaire pour le refroidissement, alors que les modèles 2 B et C sont plus fréquents dans les moteurs plus puissants. Les avantages du modèle 2 B sont les suivants : Aucune tôle supplémentaire n'est requise pour compléter le noyau de rotor (comme points de désexcitation des vides du stator) et une masse moindre du noyau de rotor hausse la fréquence critique de l’arbre. Son désavantage principal est qu’une certaine partie du fer net du stator se révèle inefficace à transporter le flux total de l’appareil. Aux mêmes valeurs brutes de longueur de noyau et de flux, un moteur fabriqué selon le modèle de la figure 2 B fonctionnera à des densités de flux plus élevées, si on le compare à celui de la figure 2 C. Ce qui se solde par des pertes dans le fer plus élevées, davantage de tension magnétisante et un facteur de puissance plus faible à pleine charge. En raison de leurs faibles forces de centrage magnétique, les rotors de moteurs bipolaires peuvent se voir facilement déviés de leur centre magnétique. On peut le constater en faisant tourner le moteur désaccouplé à vide et en exerçant une poussée axiale sur le bout d’arbre. Un faible effort suffira à déplacer l’arbre et ce, même dans le cas de versions aussi puissantes que celles développant de 2 000 à 3 000 HP (1 500 à 2 200 kW). Autre effet que l’on peut parfois observer dans les moteurs bipolaires, leur centre magnétique semble flotter ou osciller autour de la marque tracée sur l’arbre. Ce phénomène n’est pas dû à une modification de la force de centrage magnétique absolue, mais bien à des forces d’écoulement de l’air à une des extrémités du rotor qui ne sont pas parfaitement équilibrées. On peut vérifier rapidement ce phénomène, il suffit de faire tourner le moteur désaccouplé et à vide. Si le moteur se trouve ventilé aux deux extrémités et qu’une des prises d’air est partiellement ou totalement obstruée, le déséquilibre des forces d’écoulement de l’air entre les extrémités du moteur entraînera un mouvement axial du rotor. Quand on obture la prise d’air opposée, le rotor se déplace en sens inverse. Le centre magnétique se détermine à la fois par la véritable force de centrage magnétique et par les forces d’écoulement de l’air qui s’opèrent à chaque extrémité du rotor. Comme on le verra plus loin, une méthode permet d’augmenter la force de centrage magnétique sans toutefois avoir à modifier la densité du flux dans l'entrefer. QUATRE PÔLES ET PLUS Contrairement aux modèles bipolaires, les moteurs à plus basse vitesse comportent normalement des passages d’aération radiaux au noyau de rotor si le noyau de stator en comprend. Les problèmes de la capacité de transport de flux, de bruit aérien et de fréquence critique de l’arbre ne se font pas aussi préoccupants que pour les modèles à deux pôles. Noyau de rotor net > Noyau d’induit net (Mise-à -jour - 10/03) TN 15-2 Les figures 3 A, 3 B et 3 C montrent diverses dispositions de noyaux de moteurs qui possèdent un plus grand nombre de pôles, la figure 3 A illustrant encore une fois la disposition des noyaux de moteurs de plus faible puissance. TN 15-3 (Mise-à -jour - 10/03) Quelques facettes des effets du centrage magnétique On utilise le modèle 3 B pour les moteurs moyens et le 3 C pour les versions plus imposantes. Le choix entre ces deux types de conception repose sur un critère, soit le niveau de bruit produit. Les prises d’air alignées du stator et du rotor auront tendance à se montrer plus bruyantes que lorsqu’elles se trouvent volontairement désalignées. À l’air libre, cette source de bruit produira un son pur pouvant se faire très discret. Elle produit aussi une fréquence (en fonction du nombre d'encoches de rotor multiplié par la vitesse du rotor) qui se situe habituellement dans une largeur de bande à laquelle l’oreille humaine est très sensible. Cela se manifeste particulièrement dans les moteurs à quatre et à six pôles. Les moteurs à plusieurs pôles ont automatiquement des centres magnétiques plus forts que les versions bipolaires, car ils exigent davantage de courant magnétisant. Cependant, les centres magnétiques des modèles munis de prises d’air alignées ont encore plus de force en raison de la présence des forces de centrage des conduits d'aération de l'ensemble stator et rotor en plus des forces des extrémités des noyaux. Le modèle illustré à la figure 3C recèle toutefois des caractéristiques bien particulières. Bien que les appareils construits sur le modèle de la figure 3 B puissent posséder deux centres magnétiques, cet effet est encore plus marqué dans les moteurs conçus avec des prises d’air radiales non alignées. L’occurrence de deux centres dépend de facteurs tels que l’espacement des prises d’air et les variantes dimensionnelles de fabrication. Lorsque cette condition relève de la conception et du degré de précision de fabrication du moteur, on peut rapidement procéder à une vérification. Si un moteur fonctionne désaccouplé et à vide, il semblera prendre une position statique. Par contre, si le rotor se trouve déplacé axialement dans la bonne direction par une force extérieure, il demeurera à cet endroit sans regagner sa position initiale. Ces deux centres se retrouveront parfois dans les limites du jeu axial mécanique de l’appareil. Les machines qui présentent cette caractéristique possèdent généralement un centre de moindre force que celui d’une version qui comporte un seul centre magnétique. Fiche technique no. 15 contre, ces ajouts ne comportent aucune ouverture d’alimentation axiale et ne créent pas de passage d’aération radial supplémentaire. Leur unique fonction consiste à venir simuler une prise d’air du rotor en regard d’une prise d'air du stator dans le but de renforcer le centre magnétique. La figure 5 présente un exemple de ce genre de dispositif. Dans le cas des rotors mécano-soudés dont les barres sont insérées dans chacune des encoches, l’intégration d’une prise d’air « factice » est facilement réalisable. Les barres sont en quelque sorte disposées à partir du diamètre extérieur du noyau de rotor, ce qui permet un travail d’usinage. IMAGE 4: DOUBLE CENTRE MAGNÉTIQUE Stator A Rotor Dans le centre mécanique tel que construit. Stator B Rotor Premier c entre magnétique, rotor bouge v ers la gauc he Stator C Rotor Un ensemble qui produit ces deux centres est illustré à la figure 4 A. Pour les besoins de la discussion, on peut présumer que cet ensemble a été fabriqué de cette façon plutôt que conçu volontairement comme tel. La figure 4 A montre le modèle à sa position de centre mécanique. À des valeurs dimensionnelles particulières, ce moteur pourrait venir prendre une position de centre magnétique qui correspond à celle illustrée aux figures 4 B ou 4 C lorsqu’il sera mis sous tension. Dans une position comme dans l’autre, la somme des forces magnétiques qui agissent vers la droite ou vers la gauche en raison des extrémités de noyaux et des conduits individuels de l'ensemble stator et rotor sera égale à zéro, ce qui indique qu’un point neutre magnétique a été trouvé. CENTRES RENFORCÉS Afin de renforcer le centre magnétique relativement faible des moteurs bipolaires et de minimiser les doubles centres magnétiques des versions à plus basse vitesse et à prises d’air du stator et du rotor non alignées, on peut ajouter à l’appareil une ou plusieurs prises d’air « factices ». Chacune de ces fausses prises d’air est disposée exactement à l’opposé d’une prise d'air du stator. Par TN 15-4 (Mise-à -jour - 10/03) Deuxième centre magnétique, rotor bouge vers la droite Fiche technique no. 15 Quelques facettes des effets du centrage magnétique Pour les rotors en aluminium moulé, l’ajout d’une telle prise présente certaines difficultés imputables à la petitesse de la forme et à l’usinage pratiqué dans les barres en aluminium moulé. Il est possible de surmonter ces difficultés en concevant cette prise de la même IMAGE 5 : FAUX ÉVENT DANS LE ROTOR Trous d’alimentation d’air sur l’axe aux évents du rotor Conduits de ventilation radiaux pour rotor normal Faux évent (dummy) de .075 po (2 mm) de profondeur pour centrage magnétique. La largeur du faux évent est égal à la largeur de l’évent de l’induit. manière qu’une prise d’air normale pratiquée en profondeur radiale, mais en obturant l’ouverture d’alimentation axiale. En général, une fausse prise d’air est d’une profondeur approximative de 2 mm (0,075 po) et de même largeur que la prise de stator correspondante. EFFET DE LA CHARGE SUR LE CENTRE MAGNÉTIQUE En mode de fonctionnement à vide, la question réside dans l’orientation des extrémités de chacune des laminations du rotor et du stator. Si le rotor est oblique, ce facteur a peut d’effet en l’absence de charge étant donné la faiblesse des courants dans la cage du rotor. En charge, tant le facteur de l'inclinaison (en raison des encoches obliques) que le facteur des bagues d'extrémité entrent en jeu. L’amplitude de la force axiale exercée en raison de l'inclinaison est directement proportionnelle au couple et à l’angle d'inclinaison et inversement proportionnelle au diamètre du noyau de rotor. La direction de cette force est solidaire de celle de l'inclinaison et du sens de rotation du rotor. Lorsque ces deux composantes se manifestent, que leur amplitude se révèle suffisante et que leur direction est appropriée, elles peuvent modifier la position du centre magnétique occupée par le rotor en fonctionnement à vide. Normalement, ce changement de position est de moins de 3 mm ( po). Si la zone neutre magnétique à vide se trouve très près de la position de la zone neutre mécanique et que le jeu axial total est de l'ordre de 13 mm (0,5 po), ce déplacement n’occasionnera pas de frottement de la surface du palier contre l'embase de d’arbre qui lui correspond. La composante de la force axiale attribuable à l'inclinaison peut être éliminée dans un rotor en aluminium moulé par un biais en chevron. Les laminations en biais sont toujours présentes afin de supprimer les harmoniques d'encoches et de réduire les pointes de la courbe vitesse-couple du moteur. Toutefois, par une disposition semblable à celle illustrée à la figure 6, la composante axiale de cette force se voit annulée. L’utilisation d’un biais en chevron est fréquente dans les moteurs à faible bruit de certaines applications militaires. Il est à noter que la marque du centre magnétique tracée sur le bout d'arbre est effectuée à vide. VALEURS DE FORCE DU CENTRE MAGNÉTIQUE Un éventail de moteurs bipolaires, dont la puissance variait de 300 à 1 750 HP (225 à 1 300 kW) a servi à calculer la force de rétablissement du centre magnétique nécessaire pour compenser le déplacement axial en pouces en fonctionnement au point neutre. Aucune prise d’air de rotor n’a été utilisée et les noyaux de stator et de rotor étaient d'une longueur brute égale et on a présumé que toutes les surfaces des bords étaient parfaitement alignées pour obtenir un point neutre magnétique ou un déplacement zéro. Aussi, aucun compte n'a été tenu de la force de l'inclinaison afin d’effectuer les calculs en mode à vide. De cette manière, seuls les effets aux extrémités des laminations sont pris en considération. Les données ainsi obtenues figurent au Tableau 1. La particularité du centre magnétique faible des moteurs bipolaires est manifeste. On note également que la force de rétablissement ne change pas de façon significative dans le cas des moteurs plus puissants. Si l’on en dressait le plan, les données sembleraient décrire une courbe de saturation à vide. En se servant de plusieurs différences aux extrémités de l'empilement plutôt que d’un alignement parfait des extrémités des noyaux, on peut démontrer que la véritable force de rétablissement du centre magnétique sera moindre que celle indiquée dans le Tableau 1. Ainsi, les variations de fabrication par rapport à une tolérance zéro aboutiraient à des forces de rétablissement réelles d’une certaine manière plus faibles que celles des calculs présentés. À partir de là, il s’avère aussi permis d’affirmer que les moteurs construits (avec un certain degré de variation dimensionnelle par rapport à une symétrie parfaite) selon la figure 2 B offriront des forces de rétablissement plus faibles que celles des versions construites sur le modèle de la figure 2 C dotées des mêmes imperfections d’alignement. (Mise-à -jour - 10/03) TN 15-5 TABLEAU 1 Deux pôles — Aucun évent de rotor La distance du Centre magnétique (Pouces) HP .05 .1 .15 .2 300 24 42 54 62 Force de restauration en livres* 500 25 44 56 64 * Inclus les effets de noyau de fin seulement 700 25 44 57 65 1000 31 55 73 85 1750 34 62 82 96 Force de restauration de centre magnétique calculée en livres pour diverses distances de déplacement en pouces KW 1.25 2.5 3.75 5 225 11 19 24 28 375 11 20 25 29 525 11 20 26 29 750 14 25 33 39 1300 15 28 37 44 La distance du Centre magnétique (mm) Force de restauration en kilogrammes* * Inclus les effets de noyau de fin seulement Force de restauration de centre magnétique calculée en kg pour diverses distances de déplacement en millimètres SOMMAIRE En bref, les moteurs bipolaires ont des centres magnétiques plus faibles que des machines comportant plus de pôles. Parfois, leurs centres semblent flotter ou osciller en raison du déséquilibre des forces du débit d’air qui agit simultanément avec les forces magnétiques. Lorsque des moteurs avec plus de pôles ont des centres plus forts, ils peuvent produire leur propre effet, connu sous le nom de centre magnétique double. Ce phénomène se veut plus fréquent dans les moteurs pourvus d’espacements d’évents de stator-rotor non-alignés. L’utilisation de prises d’air factices peut aider à contrôler les deux phénomènes. Nota : Première publication en mars 1992 Electrical Apparatus Service Association, 1331 Baur Boulevard St. Louis, MO 63132 U.S.A. (314) 993-2220 Fax (314) 993-1269 For English Version Tech Note No. 15 www.easa.com Fiche technique no. 15 Version française www.easa.ca Des solutions fiables maintenant ! Inc. Version 1003 DP32C-1003 Tous droits réservés © 2003 FT 15-6