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Comment les moteurs électriques ont-ils évolué ?

La conception des moteurs électriques est fortement influencée par le besoin d'un meilleur rendement énergétique, mais quel sera l'enjeu à l'avenir ?. En plus de 200 ans, les moteurs électriques ont évolué pour devenir les plus grands consommateurs d'énergie du monde. Aujourd'hui, ils représentent autour de 45 pour cent de la consommation énergétique mondiale.

Comment les moteurs électriques ont-ils évolué ?

Dans cet article, Marek Lukaszczyk, directeur du marketing pour l'Europe et le Moyen-Orient chez WEG, fabricant et fournisseur mondial de moteurs électriques et variateurs de vitesse, explique pourquoi et comment son secteur a toujours recherché de nouveaux sommets de rendement énergétique dans la conception et l'innovation de nouveaux modèles.

Les moteurs électriques sont de très gros consommateurs d'énergie dans le monde, mais ils sont également indispensables pour convertir l'énergie électrique en énergie mécanique. Après tout, on les retrouve dans une multitude de dispositifs – ventilateurs, soufflantes, pompes, machines-outils, appareils électroménagers, automobiles et outils électriques.

Mais ces statistiques indiquent également les enjeux des fabricants qui doivent améliorer le rendement et réduire la consommation énergétique des moteurs. Le rendement énergétique des moteurs est une condition essentielle, non seulement de la compétitivité des fabricants, mais aussi de la conformité aux diverses réglementations telles que la directive du Parlement européen et du Conseil de l'Union européenne sur l'écoconception des produits liés à l'énergie (Directive 2009/125/EC).

Du courant continu au courant alternatif
La conception novatrice des moteurs électriques est influencée par le besoin de performances, d'économies, de rendement énergétique et de connectivité. Ces besoins ont évolué au fil des décennies, notamment depuis 1824, avec la création par Moritz Herrmann von Jacobi du premier moteur électrique rotatif, rendue possible par les inventions telles que la batterie et l'électroaimant.

En 1866, grâce à l'ingénieur allemand Werner von Siemens, il devient possible de fournir des moteurs électriques économiques, avec la fabrication de divers moteurs à courant continu pour l'industrie et les transports. Pour autant, ces moteurs présentent des problèmes persistants : volumineux et bruyants, ils produisent des étincelles chaque fois que la commutatrice est mise en court-circuit pour inverser le sens du courant.

Et c'est ainsi qu'apparaissent les moteurs à courant alternatif. En 1885, l'ingénieur électricien Galileo Ferraris construit un moteur à courant alternatif biphasé, mais le faible rendement de son invention empêche sa production commerciale. Il en va de même en 1887, lorsque l'inventeur Nikola Tesla crée un moteur biphasé avec un rotor intégré à un court-circuit.

Ce n'est que quelques années plus tard, en 1889, que l'ingénieur électricien Michael von Dolivo-Dobrowolsky fait breveter un moteur à courant alternatif de bon rendement, triphasé et à cage rotor. D'une puissance électrique nominale de 80 watts et un rendement énergétique de 80 pour cent, le moteur à courant alternatif se révèle plus simple, sûr et silencieux et présente moins de problèmes de maintenance. Cette avance notable marquera le début de l'ère tant attendue des moteurs électriques de meilleur rendement énergétique. Depuis, la conception et l'innovation dans le domaine des moteurs électriques sont guidées par le besoin croissant de performances, économies, rendement énergétique et connectivité.

Aujourd'hui, la conception flexible des moteurs électriques est bien établie, et ils jouent un rôle prépondérant dans des secteurs aussi variés que les usines, les centrales électriques et l'agriculture industrielle. L'enjeu est maintenant de continuer d'améliorer leur rendement énergétique et de réduire leur poids sur l'alimentation électrique. En fonction de l'application, le coût énergétique des moteurs électriques peut représenter de 95 à 97 pour cent de leur cycle de vie total. Il n'est donc pas surprenant d'apprendre que les moteurs de faible rendement entraînent un retour sur investissement limité.

Écoperformance
Le rendement énergétique d'un moteur électrique se calcule par le rapport entre la puissance mécanique de sortie et la puissance électrique d'entrée et se mesure en catégories, IE1 étant celle du plus bas rendement, et IE5 celle du plus haut rendement. La directive d'écoconception de l'Union européenne stipule qu'à partir de juin 2011, les moteurs écoperformants doivent être au moins de catégorie IE2 puis de catégorie IE3 en 2015, à moins qu'ils ne soient contrôlés par un variateur de vitesse. Les variateurs de vitesse varient la vitesse du moteur qui est normalement fixe, en fonction des besoins de l'application.

Non seulement cette directive conduit à une meilleure consommation énergétique, mais elle influence aussi fortement les marchés. Ainsi, la catégorie IE1 qui représentait 80 pour cent du marché européen en 2009 voyait sa part tomber à 17 pour cent en 2016, tandis que la catégorie IE3 plus écoénergétique passait de 0 à 29 pour cent sur la même période. La nouvelle est bonne pour les utilisateurs finaux, en termes d'économies, et pour la planète.

Entretemps, la réglementation actuelle selon laquelle les moteurs IE2 doivent être utilisés avec un VV étant difficile à appliquer dans l'industrie, les conditions vont devenir plus strictes. À compter du 1er juillet 2021, les moteurs triphasés devront être conformes aux normes IE3, avec ou sans ajout de VV. À la même date, pour la première fois, des réglementations de rendement énergétique seront introduites pour les variateurs de vitesse. Et alors que de nouvelles études sont menées dans le cadre de la révision des réglementations actuelles, les exigences de conformité des moteurs électriques à la catégorie IE4 seront mises en œuvre dans un avenir proche, et à la catégorie IE5 à une date ultérieure.

Savoir repérer les défauts
La chose la plus importante, dans la conception d'un moteur de meilleur rendement énergétique, est de comprendre où se produisent les pertes d'énergie. La question est donc de savoir où sont les défauts potentiels.

Les technologies de moteurs électriques ont connu différentes améliorations visant à répondre à l'évolution des normes IE, et les ingénieurs de WEG Industries en ont exploré plusieurs. Depuis sa fondation en 1961 au Brésil, la société a marqué de grands pas en avant dans la conception et la production de moteurs électriques. Les avancées ont concerné la réduction du poids et l'expérimentation avec divers matériaux, comme le plastique, l'aluminium et les nouveaux isolants, pour adapter les machines aux applications du marché.

L'une de ces avancées concerne les moteurs à aimant permanent, à savoir des moteurs à courant alternatif construits autour d'aimants ou portant des aimants sur la surface de leurs rotors. Le champ magnétique des aimants réagit avec le champ magnétique créé par le courant alternatif dans le stator, pour entraîner l'armature rotative du moteur. Ce couple magnétique s'allie alors au couple de réluctance qui agit sur le matériau de l'aimant et s'aligne sur le flux magnétique qui traverse le moteur. Cela minimise la réluctance, et le champ magnétique rotatif résultant fournit le couple constant, sans besoin de ventilation forcée.

Les moteurs à aimant permanent IE4 offrent un meilleur rendement énergétique que les moteurs à induction IE4 ainsi qu'une durée de vie supérieure. En outre, ils perdent 20 pour cent d'énergie de moins et sont plus légers, bien que leur logement soit identique. Cela signifie qu'un moteur à aimant permanent IE4 est plus petit qu'un moteur à induction de même catégorie.

WEG a été le premier fabricant et fournisseur de variateurs de vitesse et de moteurs électriques à aborder les normes IE4 et IE5 et, pour cette dernière, à développer un moteur à aimant permanent (PM) IE5, dans le cadre de sa gamme W22. Le nouveau W22 figure parmi les premiers moteurs disponibles dans le commerce, conformes à la récente catégorie de rendement énergétique IE5. Construit autour d'un rotor intégrant des aimants permanents de haute performance, le W22 PM offre une puissance et une plage de couple supérieures à celles des modèles de même taille, et assure la constance de ces valeurs sans le besoin d'une ventilation forcée. Ce meilleur contrôle de la vitesse produit un meilleur rendement énergétique et une performance plus longue sur la durée.

Prenons les tours de refroidissement, par exemple. Il a été observé qu'un moteur W22 PM (à aimant permanent) utilisé avec un variateur de vitesse CFW701 HVAC de la taille adaptée à l'application peut entraîner une baisse du coût énergétique de 80 pour cent et une économie d'eau moyenne de 22 pour cent, tout en répondant aux exigences de rendement IE5.

Les aimants permanents à grande densité énergétique conviennent idéalement aux véhicules électriques. Le liquide de refroidissement circule directement au travers du moteur, pour gérer intelligemment la chaleur résiduelle. Cette conception protège les aimants et le rotor du déplacement à grande vitesse et peut supporter les vitesses extrêmes du moteur.

Regard vers l'avenir : norme IE6
WEG explore déjà l'utilisation de matériaux pour répondre à la future norme IE6 qui concernera le prochain niveau de rendement des applications à aimant permanent et réluctance synchrone. Les moteurs à aimant permanent pour les pompes seront probablement en première ligne, puisque l'industrie de l'eau est la plus grande utilisatrice de moteurs écoénergétiques d'Europe. La catégorie IE6 sera donc directement concernée. Autre domaine de développement, les systèmes d'isolation novateurs viendront contrebalancer les problèmes liés à l'ammoniaque qui endommage les moteurs par la corrosion.

Enfin, au centre de ses préoccupations de conception, WEG produira un moteur à grande densité énergétique fiable à un prix raisonnable. L'achat d'une technologie relativement nouvelle, comme un moteur à grande densité énergétique, s'accompagne toujours d'un retour d'investissement sur le coût, la fiabilité et le rendement énergétique.

Parmi ses domaines de recherche, WEG cherche à comprendre le comportement de différents polymères, des matériaux constitués de longues chaînes répétitives de molécules. Les polymères possèdent des propriétés uniques qui pourraient être utiles aux moteurs électriques, selon la manière dont se lient leurs molécules pour obtenir une haute résistance et un faible poids. Ils s'utilisent de plus en plus dans les moteurs à la place des pièces en métal qui ne peuvent pas supporter les forces mécaniques, telles que les boîtes à bornes et les flasques, et se retrouvent déjà dans les pièces structurelles comme les coffrets d'extrémité et les supports de petits rotors. Les pièces ne risquant pas d'être déformées, leur fabrication en polymères peut permettre d'économiser sur le coût et le poids de la machine.

L'utilisation des polymères tels que résines, émaux et matériaux d'isolation peut optimiser les caractéristiques d'autres pièces et, par conséquent, les caractéristiques du moteur tout entier. Les systèmes de climatisation, ventilation et autres applications domestiques, par exemple, bénéficient déjà des avantages des moteurs à polymères.

Mais historiquement, la principale percée de WEG et d'autres fabricants a été l'utilisation de composants électroniques, à la fois dans la composition et la fabrication des moteurs électriques. Les circuits électroniques peuvent être utilisés pour la mise à niveau de capteurs mesurant les valeurs importantes en temps réel, comme la vibration et la température, pour identifier les problèmes éventuels avant qu'ils ne se produisent. Avec les applications basées sur capteurs, WEG Motor Scan par exemple, les données des moteurs sont extraites et transmises à un téléphone mobile ou à une tablette.

Où les économies d'énergie se produisent-elles ? Tout d'abord, elles concernent la détection de vibrations dans le moteur, car ces dernières reviennent généralement à des pertes d'énergie sous forme de mouvements ou sons indésirables. Dans une usine brésilienne, par exemple, l'équipe de maintenance avait été alertée de niveaux de vibration au-dessus du seuil acceptable dans le moteur. L'équipe a pu réduire ces niveaux tout en évitant l'arrêt de l'équipement. Ensuite, la prévention des arrêts permet d'éviter les pertes de production et les besoins énergétiques accrus pour redémarrer l'équipement.

Ces possibilités ne sont que quelques exemples, car les technologies de moteurs électriques sont le fruit de 200 ans de recherche et développement et continuent d'évoluer à ce jour. Et aujourd'hui, il incombe aux ingénieurs de s'assurer, à l'instar de leurs prédécesseurs, que les moteurs électriques continuent d'évoluer pour répondre aux besoins des applications modernes.

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