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CAUSES ET ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE
STATORS ET DE ROTORS DES MOTEURS À INDUCTION À COURANT ALTERNATIF
Par Austin H. Bonnett, compagnon IEEE
Conseiller EASA, Technologie et Formation, St. Louis, Missouri Par George C. Soukup, Membre IEEE
U.S Electrical Motors, Division de Emerson Electric, St. Louis, Missouri
SOMMAIRE
Le moteur à induction à cage constitue la bête de somme de l’industrie en raison de sa robustesse et de sa polyvalence. Il comporte cependant des limites qui, lorsqu’elles se trouvent dépassées, entraîneront une défaillance prématurée du stator ou du rotor.
La raison d’être de la présente fiche technique consiste à identifier les différentes causes de défaillances des stators et des rotors. Nous proposons une méthodologie spécifique visant à favoriser une analyse exacte de ces bris. Bien que cet article porte principalement sur les moteurs à induction à cage d’écureuil triphasés, une grande partie de son contenu s’applique également à d’autres types d’appareils à courant alternatif.
Puisque l’isolement entre les spires du fil de bobinage est habituellement affecté par la plupart des défaillances d’enroulement et ce, quelle que soit la cause, nous porterons une attention particulière à cet élément.
Le présent document se veut une mise à jour et un abrégé de bon nombre d’articles rédigés précédemment par les auteurs. À titre de référence, il comporte une bibliographie qui offre une présentation plus détaillée de la matière traitée.
INTRODUCTION
La majorité des défaillances de stators et de rotors s’avèrent provoquées par une combinaison de contraintes qui agissent sur les deux composants.
Dans le cas du stator, ces contraintes peuvent se regrouper comme suit :
A. Thermiques B. Électriques 1. Vieillissement 1. Milieu diélectrique
2. Surcharge 2. Cheminement
3. Instabilité 3. Effet de couronne 4. Transitoires
C. Mécaniques D. Environnementales 1. Mouvement de bobines 1. Humidité
2. Contact rotor-stator 2. Produit chimique
3. Divers 3. Abrasion
4. Corps étranger Quant au rotor, les contraintes se retrouvent dans des groupes plus élargis. Ces contraintes sont d’ordre :
A. Thermique B. Électromagnétique
C. Résiduel D. Dynamique E. Environnemental F. Mécanique
Les contraintes imposées au rotor se révèlent le résultat des forces et des conditions suivantes :
1 . Couple de fonctionnement 2 . Force dynamique déséquilibrée
3 . Vibrations de torsion et couples transitoires 4 . Forces résiduelles de coulage, soudage, usinage
et ajustements (radiaux, axiaux, autres)
5 . Force magnétique créée par le flux d’une fuite de cannelure, vibrant à deux fois la fréquence du courant du rotor
6 . Force magnétique créée par l’excentricité de l’entrefer
7 . Force centrifuge
8 . Contrainte thermique provenant de la surchauffe de la bague d’extrémité
9 . Contrainte thermique provenant de la différence de température dans les barres au démarrage (effet pelliculaire)
1 0 . Contrainte thermique causée par l’expansion d’une barre axiale
1 1 . Force axiale exercée par le biais d’une barre de rotor
D’aucuns pourraient avancer que cette classification des contraintes n’est pas tout à fait exacte. Les auteurs le reconnaissent volontiers et mentionnent qu’ils la présentent ainsi uniquement pour les besoins de leurs explications.
Si le moteur est conçu, fabriqué, installé, utilisé et entretenu de façon appropriée, ces contraintes demeureront dans des limites acceptables et le moteur fonctionnera comme prévu durant de nombreuses années. Toutefois, puisque chacun de ces facteurs (du concept à l’entretien) varie d’un utilisateur à un autre, la durée de vie utile du moteur variera également.
CAUSES ET ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE STATORS
Cette section porte sur les relations entre les diverses contraintes et la façon dont elles influent sur la longévité du stator et contribuent à provoquer des défaillances prématurées.
CONTRAINTES THERMIQUES A. Vieillissement
On peut utiliser les procédés d’essais IEEE 117 et IEEE 275 dans le but de déterminer les effets de la température sur le système d’isolation du bobinage. Par cette méthode, on établit une longévité minimale de l’isolation à 20 000 heures pour les échantillons de tests, notamment une motorette ou un modèle à l’échelle d’un enroulement de bobine de stator, dans les conditions d’essai prescrites (voir figure 1). En règle générale, chaque augmentation de température de 10°C réduit de moitié la longévité thermique de l’isolement. Le graphique ci-dessous montre la relation entre les différentes catégories d’isolation et les températures de fonctionnement.
À moins que la température de service ne soit extrêmement élevée, l’effet habituel du vieillissement thermique ne fait que rendre le système d’isolation vulnérable à d’autres facteurs ou contraintes d’influence qui sont, en fait, les véritables responsables de la défaillance.
Une fois que le système d’isolation a perdu son intégrité physique, il n’est plus en mesure de résister aux contraintes normales d’ordre diélectrique, mécanique et environnemental. Soulignons ici que toute contrainte qui se fait suffisamment grave pourra causer un bris d’enroulement, et ce, quel que soit le degré de vieillissement thermique. En examinant l’effet de la température sur le vieillissement thermique, on constate qu’il existe deux manières évidentes de prolonger la longévité thermique : abaisser la température de fonctionnement et accroître la qualité des matériaux isolants utilisés.
À titre d’exemple : si un moteur fonctionnait à des températures de Classe B (130°C max.) et qu’il était doté de
matériaux isolants de Classe F, la longévité thermique se verrait prolongée de 100 000 heures (voir figure 1).
B. Surcharge thermique 1. Variations de tension
Au cours des dernières années, les fabricants ont conçu des moteurs de plus en plus puissants logés dans des bâtis aux dimensions données, ce qui a pour résultat de rendre les moteurs beaucoup plus susceptibles de s’endommager en raison des variations de tension. Ces variations affectent la performance du moteur ainsi que la température du bobinage.
Les moteurs sont conçus conformément à la norme NEMA (MG 1-12.44) pour fonctionner de façon satisfaisante avec une variation de tension de ± 10 %. Le fait de fonctionner hors de cette plage peut réduire considérablement la vie utile du moteur.
2. Tension entre phases déséquilibrée
Un léger déséquilibre de tension provoquera une hausse de température excessive du bobinage. Généralement, pour chaque déséquilibre de tension de 3-1/2 % par phase, la température de l’enroulement augmentera de 25 % dans la phase qui présente le courant le plus élevé. Voilà pourquoi il faut tout mettre en œuvre pour maintenir une alimentation de tension triphasée équilibrée.
3. Instabilité
Au moment du démarrage, un moteur commande de cinq à huit fois la quantité de courant normale nécessaire à son fonctionnement sous charge. Lorsqu’on le soumet à des démarrages répétés dans un court laps de temps, la température de l’enroulement augmente rapidement. Selon son utilisation particulière, chaque moteur présente ses propres limites. Prenons par exemple deux moteurs identiques : installons le premier sur un volant de haute inertie et l’autre sur une pompe à eau centrifuge. Le moteur utilisé pour activer la pompe pourrait démarrer bien plus souvent à chaque heure que celui relié au volant et malgré tout fonctionner dans des limites sécuritaires. Quant à savoir combien de fois il est possible d’effectuer des démarrages de façon sécuritaire, mieux vaut consulter le fabricant du moteur. Question de gagner du temps, s’assurer de mentionner au fabricant les constituants de la charge (inertie, poids, courbe vitesse-couple de la charge au démarrage, cycle de démarrage, etc.).
Autre effet d’affaiblissement causé par l’instabilité, l’expansion et la contraction du système d’isolation : sur une période prolongée, les matériaux auront tendance à se fragiliser et à craqueler. Le concepteur de l’isolement doit s’assurer que les matériaux utilisés soient assez souples pour supporter ce mouvement sans se briser, mais pas suffisamment flexibles pour provoquer une défaillance imputable aux forces mécaniques. (Lire le texte sous
« Contraintes mécaniques »).
4. Surcharge
Les fabricants prévoient généralement une certaine marge pour leurs moteurs. Pour ce faire, ils conçoivent l’appareil de façon à ce qu’il fonctionne sous les limites normales d’un système d’isolation donné ou bien ils utilisent un système pouvant supporter des températures bien supérieures à celle du fonctionnement du moteur.
TN31-3 Dans les plus récentes caractéristiques nominales
NEMA, on accomplit cela par l’utilisation d’un système d’isolation de Classe F jumelé à des températures de fonctionnement de Classe B. À l’intérieur de certaines limites, on peut estimer que l’échauffement du bobinage augmentera au carré de la charge, soit (T C2). En utilisant ce rapport conjointement avec la figure 1 qui met en relation température et longévité, il est possible d’évaluer l’effet de la charge sur la durée de vie de l’enroulement. À titre d’exemple : un moteur de 100 HP dont l’échauffement est de 64°C sous pleine charge fonctionnera à 85°C sous une surcharge de 15 %. (On présume ici que la température ambiante est de 40°C sous les deux charges). Dans ce cas, la longévité thermique chutera de 1 000 000 d’heures à 160 000 heures.
5. Obstruction de la ventilation
La chaleur produite dans le rotor et le stator se dissipe par conduction, convection et radiation. Tout obstacle au débit d’air à l’intérieur ou au-dessus du moteur ou qui entrave le processus de radiation de la chaleur de ses pièces entraînera une hausse de température du bobinage.
De là l’importance de garder le moteur propre à l’intérieur comme à l’extérieur et de s’assurer que le débit d’air ne soit pas restreint. À titre de conseil pratique, s’il se révèle nécessaire de faire fonctionner un moteur surchauffé pour une raison donnée, on peut envisager la possibilité de créer un refroidissement supplémentaire en augmentant le débit d’air qui passe au-dessus du moteur. On peut réaliser cette opération à l’aide d’un appareil de ventilation portatif.
S’assurer que le jet d’air soit dirigé de façon à favoriser l’aération normale du moteur et non à lui nuire. Lorsqu’il s’avère peu commode de maintenir le moteur propre, on devrait en tenir compte à l’étape de la conception. Encore une fois, cela peut s’effectuer par la restriction de température du bobinage ou l’installation d’un système d’isolation de qualité supérieure.
TABLEAU 1 :TEMPÉRATURE AMBIANTE CONTRE LA LONGÉVITÉ DE L’ISOLEMENT
Ambiante (C°) Durée de vie de l’isolement (heures)
30 250 000
40 125 000
50 60 000
60 30 000
CONTRAINTES ÉLECTRIQUES
Au moment d’aborder le sujet des défaillances de bobinage dues à des contraintes électriques, il est essentiel de posséder une connaissance de base des matériaux isolants et de leurs propriétés. L’espace réservé au présent article ne nous permettant pas d’approfondir cette connaissance, nous nous contenterons d’effectuer un survol des points importants et d’indiquer certaines situations où des problèmes pourraient survenir.
A. Milieu diélectrique
Il existe une relation bien définie entre la durée de vie de l’isolement et les contraintes de tension qui s’exercent sur les matériaux isolants. De plus, force est de constater que
certains matériaux présentent une plus grande endurance à la tension que d’autres. On peut diviser ces contraintes en trois groupes distincts :
1. entre phases 2. entre spires
3. de spire à mise à la terre
Il incombe au concepteur de bien comprendre l’utilisation à laquelle on destine le moteur, de bien choisir les matériaux et de proposer des concepts de bobines capables d’assurer la longévité de l’ensemble.
B. Cheminement
On a constaté, particulièrement dans le cas des moteurs dont la tension de service est supérieure à 600 volts, la manifestation possible d’un phénomène connu sous le nom de « cheminement » dans le bobinage lorsque le système d’isolation ne se trouve pas lui-même isolé de l’environnement. Le processus de défaillance est le suivant :
1. Une petite piqûre ou fuite se crée entre le conducteur de cuivre et l’air libre.
2. Une combinaison d’humidité et d’un corps étranger vient former un pont à haute résistance entre le conducteur et la mise à la terre.
3. En raison de la différence potentielle, un faible courant passe à la terre, causant ainsi de petits points de brûlure dans le système d’isolation. À mesure que cette situation progresse, l’isolement à la terre se détériore au point de provoquer un bris.
Une pratique commune visant à minimiser cette condition consiste à maintenir le moteur propre et sec. Quand cela s’avère difficilement réalisable, bon nombre d’utilisateurs demandent aux fabricants de moteurs de leur fournir un bobinage dont le système d’isolation se révèle capable de réussir le test d’immersion de moteur scellé, tel que le décrivent les normes NEMA MG 1-20.49 et IEEE 429. Il n’est pas recommandé d’effectuer ce test sur des modèles de production.
C. Effet de couronne
L’effet de couronne peut devenir un sérieux problème, surtout dans le cas de bobinages qui fonctionnent dans une plage supérieure à 5kV ou d’une source d’alimentation à inverseur. Cet effet se manifeste sous forme de décharge localisée qui est le résultat d’une ionisation gazeuse transitoire dans un système d’isolation où la contrainte de tension a dépassé une certaine valeur-seuil. Il existe trois types fondamentaux de décharges :
1. des décharges internes qui se créent dans les cavités d’un milieu diélectrique;
2. des décharges de surface qui se manifestent à la surface des bobines;
3. des décharges de pointe dans un puissant champ électrique autour d’une aspérité ou d’un rebord.
Les facteurs qui influent sur l’effluve d’un effet de couronne sont : fréquence, épaisseur du milieu diélectrique, matériau, vide, contrainte de tension, géométrie, humidité, contrainte mécanique et température. Le mécanisme de défaillance est la chaleur, l’érosion ou une réaction chimique qui détériore l’isolement du bobinage. Il est de la responsabilité première du fabricant de maintenir l’effluve
d’effet couronne en deçà de certaines limites afin d’assurer au moteur une longévité appropriée. Par contre, l’utilisateur peut également apporter sa contribution en maintenant le moteur propre et frais autant que possible. L’utilisateur devrait aussi apprendre à identifier ce type de défaillance.
D. Tensions transitoires
Au cours des dernières années, une preuve substantielle a été cumulée que de nombreux moteurs se trouvent exposés à des tensions transitoires ou à une alimentation de tension à surface d’onde prononcée, ce qui entraîne une longévité de bobinage réduite ou des bris prématurés (soit de spire à spire, soit de spire à mise à la terre). Ces tensions transitoires peuvent provenir de n’importe quelle des sources suivantes :
1. Défauts de phase à phase, phase à mise à la terre, phases multiples à la terre ou de terne qui provoquent des tensions excessives pouvant atteindre 3-1/2 fois leurs valeurs-seuils normales dans des temps d’échauffement extrêmement courts.
2. Rétablissements à répétition par lesquels le système se trouve coupé de la mise à la terre, ce qui crée une mise à la terre intermittente du circuit, source d’oscillations de haute tension et de multiplication.
3. Coupe-circuit limiteur de courant par lequel il y a interruption de courant quand l’énergie emmagasinée d’un champ magnétique dans l’inductance du circuit n’est pas égale, ce qui entraîne des oscillations de tension et une certaine résonance.
4. Transferts rapides de barre omnibus. À la suite d’un transfert, le bobinage d’un moteur peut subir la différence de vecteur entre la tension de réserve de la barre et la tension décroissante produite.
La tension nette sera fonction de l’angle de phase entre la tension de la barre omnibus et celle du moteur au moment de la nouvelle coupure. La tension efficace maximale obtenue peut être de 200 %. L’angle de phase entre le rotor et la barre omnibus de réserve se voit modifié continuellement à mesure que la fréquence entre le moteur désalimenté chute lors du ralentissement.
5. Ouverture et fermeture de disjoncteurs. Cette surtension de démarrage demeure présente en permanence. Il peut y avoir production d’une onde de choc qui circulera dans le circuit à un rythme donné lorsque, à la fermeture d’un contact de disjoncteur, il se forme un arc en raison d’une différence de potentiel aux contacts du disjoncteur. Cet arc influera sur l’onde de tension qui pénétrera dans le circuit du moteur. Des surtensions peuvent aussi survenir quand les disrupteurs ne s’engagent pas simultanément et qu’il y a rebondissements ou vibrations, pour créer une onde de tension irrégulière de type surtension (similaire aux rétablissements à répétition).
L’utilisation de dispositifs de commande de moteurs à haute vitesse, comme des contacteurs à vide, provoque des surtensions prononcées lorsqu’il y a « hachure de courant » due à
l’ouverture des contacts dans un vide, sans arc pour maintenir le courant.
6. Commutation de condensateur. En présence de condensateurs utilisés en vue d’améliorer la puissance, il peut y avoir création de surtensions quand ces derniers sont constamment mis hors circuit et en circuit. Les surtensions surviennent à mi-cycle après l’interruption, au moment où les contacts d’ouverture de l’interrupteur présentent deux fois la tension de phase de pointe normale.
Puisque la tension du condensateur tient bon durant le premier instant, la tension du système passera outre celle du condensateur et une oscillation haute fréquence débutera.
Des extracourants à tension extrêmement élevée peuvent se manifester lorsque, par exemple, un moteur et un condensateur sont mis simultanément hors circuit et se trouvent coupés de la source d’alimentation. L’ampleur de la surtension est fonction de la valeur de la capacité. Des condensateurs activés avec un moteur sont source d’excitation aux bornes du moteur et il y a induction de tensions élevées. Ce problème se fait généralement important dans les circuits à haute inertie où la réduction de vitesse constitue un facteur d’excitation continue.
7. Défaillance d’isolement. Lorsqu’un bris ou une perforation de l’isolement d’un système électrique survient à des endroits autres qu’au moteur, des surtensions de choc peuvent se créer. Un bris de cette nature dans les modèles à haute tension peut provoquer des surtensions de plus de trois fois la tension phase-terre normale dans un système qui ne se trouve pas solidement mis à la terre.
8. Surtension atmosphérique. La foudre peut provoquer une surtension par un contact direct ou par induction d’un coup de foudre à proximité. Ces ondes de tension se propagent le long du circuit avec les magnitudes de pointe du courant de la foudre et les temps d’échauffement qui dépendent de l’impédance de surtension du système.
9. Circuits à fréquence variable. Selon la particularité du concept, il est possible de produire des pointes de tension durant les démarrages/arrêts ou même pendant la commutation de chaque demi-cycle.
L’annexe II indique la forme d’onde recommandée pour de telles utilisations.
On estime que l’ampleur de ces diverses surtensions varie normalement de deux à cinq fois la tension de pointe phase à phase normale avec des temps d’échauffement de 0,1 à 1 microseconde. Les défaillances de bobinage causées par ces transitoires se manifestent normalement sous forme de défauts spire à spire ou spire à mise à la terre. On confond souvent cette cause de bris avec un autre mode de défaillance.
Le fabricant ne dispose généralement pas de renseignements suffisants sur l’utilisation future du moteur pour déterminer l’ajout d’une protection contre la surtension et la foudre. Par contre, il est en mesure d’évaluer les limites de surtension que le moteur peut supporter pour offrir une longévité satisfaisante.
TN31-5 En règle générale, on établit ces limites comme suit :
La magnitude maximale de la surtension transitoire ne doit pas excéder 1,25 x la tension de pointe de l’essai diélectrique standard de 1 minute à 60 Hz.
Exemple : Vm = 1,25 2 (2VL + 1 000)
Le rapport d’échauffement de la tension transitoire (Vm) ne doit pas dépasser un taux fondé sur l’atteinte Vm en moins de 10 microsecondes.
Exemple : Vm ÷ 10 = volts/ì secondes
Il incombe à l’ingénieur électricien responsable de concevoir le système de répartition de puissance de s’assurer de prendre les mesures nécessaires pour maintenir ces tensions transitoires dans des limites sécuritaires. Les recommandations des divers fabricants de moteurs varient quelque peu en ce qui concerne les limites acceptables.
Le tableau 2 présente les valeurs générales types des fabricants.
TABLEAU 2 : LIMITES DE TENSION TRANSITOIRE TYPE
Tension nominale
Max. supporté tension (Vm) en kV
Taux d’élévation max.
en kV / seconde
600 3,9 0,6
2 400 10 1,0
4 160 16 1,6
4 800 19 1,9
6 600 25 2,5
6 900 26 2,6
Dans le cas d’applications pour lesquelles les valeurs indiquées dans le tableau 2 se trouvent dépassées, on recommande l’utilisation d’un système d’isolation spécial qui présente une résistance diélectrique accrue de spire ou de mise à la terre, ou de condensateurs de surtension et d’un parafoudre. Cette dernière option s’avère généralement la plus économique.
Un parafoudre limite l’ampleur d’une pointe de tension transitoire. Pour ce faire, le dispositif conduit à la terre lorsque la tension atteint une certaine valeur. La raison d’être des condensateurs de surtension est de limiter le rapport d’échauffement de la tension ou les contraintes phase à phase. Par ce procédé, le condensateur absorbe momentanément l’énergie initiale, ce qui a pour effet de ralentir le front d’onde ou de diminuer son amplitude.
CONTRAINTES MÉCANIQUES A. Mouvement de bobines
Le courant à l’intérieur de l’enroulement du stator exerce une force sur les bobines qui se veut proportionnelle au carré du courant (F I2).
Cette force atteint son maximum durant le cycle de
démarrage et fait vibrer les bobines à deux fois la fréquence normale. Ces dernières décrivent alors un mouvement radial et tangentiel. Ce mouvement peut causer des dommages considérables à l’isolement des bobines, desserrer les « topsticks » et endommager les conducteurs en cuivre. Les grands moteurs à haute vitesse se révèlent généralement plus affectés par le mouvement des bobines que les petites versions à basse vitesse. Plus les rallonges de bobines sont longues, plus le problème se fait grave. En outre, plus la fréquence est grande au démarrage et plus grand est le temps d’accélération, plus il y a risque d’affaiblir le système d’isolation.
B. Contact rotor-stator
Il existe plusieurs raisons pour lesquelles un rotor peut entrer en contact avec un stator. Voici les trois plus communes :
1. défaillance d’un palier 2. déviation de l’arbre
3. désalignement rotor-stator
Lorsqu’il y a contact entre le rotor et le stator, plusieurs scénarios peuvent se présenter. Si le contact se produit seulement pendant les démarrages, la force du rotor peut finir par provoquer la perforation de l’isolement de la bobine par les laminations du stator et causer la mise à la terre de la bobine. Certains moteurs peuvent parfois fonctionner des années dans cette condition, selon la fréquence des démarrages et l’importance du contact entre le rotor et le stator. Si le contact s’effectue lorsque le moteur tourne à pleine vitesse, il en découle normalement une mise à la terre très prématurée de la bobine dans la cannelure du stator causée par une chaleur excessive produite au point de friction.
C. Divers
Voici certaines des diverses causes mécaniques les plus fréquentes de défaillances de bobinages :
1. Desserrement des charges d’équilibrage du rotor qui viennent percuter le stator.
2. Desserrement des ailettes de ventilateur du rotor qui viennent percuter le stator.
3. Écrous et boulons desserrés qui frappent le stator.
4. Particules étrangères qui pénètrent dans le moteur par le système de ventilation et qui heurtent le stator.
5. Rotor défectueux (dont les barres sont ouvertes) qui peut faire surchauffer le stator et provoquer son bris.
6. Raccordement de piètre qualité des connexions entre les conducteurs du moteur et ceux de la ligne d’entrée qui entraîne une surchauffe et une défaillance.
7. Dents de laminations brisées qui donnent contre le stator en raison de la fatigue.
CONTRAINTES ENVIRONNEMENTALES
La contamination est un autre terme servant à désigner les contraintes environnementales. Une des interventions les plus importantes que l’utilisateur puisse effectuer pour assurer un fonctionnement à long terme sans problème d’un moteur est de le maintenir propre, à l’intérieur comme à l’extérieur. La présence d’un corps étranger dans le moteur produit les effets suivants :
1. Réduction de dissipation de la chaleur qui fait augmenter la température de fonctionnement et, par conséquent, réduit la durée de vie utile de l’isolement.
2. Défaillance prématurée des paliers due à de fortes contraintes localisées.
3. Rupture du système d’isolation qui cause des courts- circuits et des mises à la terre.
Lorsqu’il s’avère difficile de garder le moteur propre et bien au sec, la solution de rechange consiste à choisir l’enveloppe ou le système d’isolation qui offrira la meilleure protection contre les contaminants en présence. Une fois l’application bien comprise, il est généralement possible d’opter pour un moteur dont la longévité sera satisfaisante.
Nous pourrions élaborer longuement sur les effets de l’humidité, des produits chimiques et des particules étrangères sur la longévité des enroulements, mais l’espace dont nous disposons ici ne nous le permet pas. Aussi, contentons-nous de mentionner qu’aucun effort ne devrait être ménagé pour minimiser ces facteurs et pour communiquer au concepteur du moteur toute condition anormale susceptible de produire des effets indésirables sur les matériaux et les designs normalement utilisés.
Un problème commun digne de mention est la condensation qui se forme sur le bobinage du stator. Quand cette condition s’accentue, elle causera souvent la mise à la terre du bobinage du stator par la cannelure. Une mesure de prévention courante consiste à assécher l’enroulement à l’aide d’un dispositif de chauffage durant les temps d’arrêt.
De longues périodes de fonctionnement au ralenti ou d’entreposage aggravent les problèmes liés à la condensation.
ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE BOBINAGES
La présente section vise à identifier les divers modes et profils de défaillances et de les associer à la cause probable d’un bris.
Facteurs importants à analyser
Les cinq facteurs suivants doivent être pris en considération, puis reliés entre eux dans le but d’établir un diagnostic précis de la cause d’une défaillance de bobinage.
1. Mode de défaillance 2. Profil de défaillance 3. Apparence 4. Application 5. Dossier d’entretien
Voici un bref survol de chacun de ces facteurs.
A. Mode de défaillance
Quelle que soit la cause d’un bris, le véritable mode de défaillance peut être classé dans une des cinq catégories suivantes, comme le montre la figure 2.
Au moment d’analyser des défaillances de bobinages, il s’avère difficile de déterminer lequel des facteurs ci-dessus est à l’origine du problème et lequel est sa résultante.
Illustrons ce point à l’aide d’un simple exemple.
Dans la figure 3, le profil se veut symétrique; chacune des bobines de chaque phase a subi une surchauffe. Le mode de défaillance est un court-circuit multiple de spire à spire. La cause du bris est une surchauffe excessive provoquée par une surcharge.
Dans la figure 4, le profil est une phase simple; une phase complète a surchauffé et mené à une défaillance due à un court-circuit de spire à spire. Un phasage simple était donc à l’origine du bris.
TN31-7 La figure 5 présente un profil asymétrique sans mise à la
terre; plusieurs groupes de bobines ont subi une surchauffe.
Le mode de défaillance se veut aussi un court-circuit multiple de spire à spire. Un conducteur endommagé était la cause du bris.
La figure 6 montre un profil asymétrique avec mise à la terre; une bobine se trouve mise à la terre et il y a un court- circuit multiple de spire à spire. Le bris a été provoqué par une paroi de cellule endommagée.
La figure 7 montre le même stator que celui de la figure 6. On peut voir le véritable défaut de mise à la terre.
Un moteur à activation aléatoire subit de fréquents démarrages et, en raison du mouvement excessif des bobines, maintient un faible court-circuit spire à spire à l’intérieur d’une bobine. À mesure que cette situation progresse, la bobine court-circuitée produit une surchauffe excessive qui entraîne une détérioration de l’isolation et finalement une mise à la terre partielle par la chemise de la cannelure. Selon le type de protection du moteur, ce dernier peut continuer de fonctionner. Une chaleur de plus en plus intense sera produite dans la zone affectée jusqu’à destruction de l’isolement de phase ou de mise à la terre. À ce stade, un défaut direct phase à phase ou de mise à la terre se manifeste et le moteur dépérit rapidement.
Bien qu’une inspection puisse révéler ces cinq modes de défaillances, la condition entre spires constitue la source du problème et toutes les autres ne sont que ses résultantes. Il est généralement très difficile de reconnaître une défaillance de spire à spire en raison de la nature destructive du défaut final.
B. Profil de défaillances
Étroitement lié au mode de défaillance, mais devant être pris en considération séparément, le profil d’une défaillance peut faire partie d’un des quatre groupes suivants :
1. Symétrique 2. À phasage simple
3. Asymétrique avec mise à la terre 4. Asymétrique divers sans mise à la terre
Le fait de combiner le mode et le profil de défaillance peut fournir de précieux indices quant à la cause du bris.
Les exemples présentés dans les figures 3 à 7 proviennent d’unités endommagées sous conditions contrôlées dans un centre d’essais de moteurs électriques aux États-Unis.
Dans chaque cas, le défaut a été délibérément provoqué.
On a ensuite alimenté le stator pour observer la défaillance et la consigner sur pellicule.
Le point essentiel à retenir est qu’il se révèle absolument nécessaire d’associer ensemble le mode et le profil de la défaillance afin de pouvoir établir un diagnostic précis. Dans
chacun des cas ci-dessus, le mode de la défaillance était de spire à spire, mais la cause se voulait différente. C’était le profil de la défaillance qui indiquait le plus clairement la cause du bris.
C. Apparence
Lorsqu’on la relie au mode et au profil d’une défaillance, l’apparence générale d’un moteur donne généralement un indice sur la cause possible d’un bris. La liste de vérifications suivante s’avère utile.
1. Le bobinage est-il propre?
2. Quels corps étrangers se trouvent en présence?
3. Y a-t-il des signes d’humidité?
4. Y a-t-il des traces de frottement ou de déplacement du rotor?
5. Dans quel état est le rotor? Montre-t-il des signes de surchauffe? Y a-t-il des signes d’arrêt ou de blocage du rotor?
6. Est-ce que le rotor semble avoir tourné lorsque la défaillance est survenue?
7. Les « topsticks », les bobines et les supports de bobines sont-ils desserrés?
8. Les roulements tournent-ils librement? Y a-t-il des traces de contamination par humidité à l’intérieur du bâti ou dans les corps de paliers?
9. Y a-t-il des pièces manquantes qui auraient pu venir percuter le bobinage, comme des écrous, des rondelles, des boulons ou des charges d’équilibrage? Les ailettes ou les ventilateurs de refroidissement du rotor sont-ils intacts?
10. Les voies de refroidissement du moteur sont-elles libres de tout débris susceptible de les obstruer? Du côté libre ou du côté entraînement? Si le moteur est installé à l’horizontale, où se situe la défaillance dans le sens des aiguilles d’une montre? Le bris touche quelle(s) phase(s)? Quel groupe de bobines a défailli? Le bris se trouve-t-il dans la première spire ou dans la première bobine?
Au moment d’analyser les défaillances de bobinages, il s’avère commode d’effectuer un croquis de l’enroulement et d’y indiquer l’endroit où la défaillance est survenue.
D. Application
La plupart du temps, il est difficile de reconstituer exactement les conditions de fonctionnement qui prévalaient au moment d’une défaillance. Par contre, une certaine connaissance des conditions de service générales s’avère utile. On devrait tenir compte des éléments suivants :
1. Quelles sont les caractéristiques de charge des pièces d’équipement menées?
2. Y avait-il des charges cycliques ou pulsatoires?
3. Un certain risque de blocage complet?
4. Quelle était la tension? Était-elle équilibrée?
5. Le moteur se trouvait-il alimenté par un circuit à fréquence variable?
6. Y a-t-il des signes de tension transitoire passée ou présente?
7. Est-ce que d’autres moteurs sont tombés en panne dans le cadre de cette application? Dans
l’affirmative, de quelle façon?
8. Depuis combien de temps le moteur tournait-il, ou est-il tombé en panne dès son démarrage?
9. Quel était le temps d’accélération?
10. Est-ce que le moteur démarre « across-the-line », à tension réduite ou à bobinage à mi-temps? Quel était le réglage de la minuterie de démarrage?
11. Dans quel état se trouvait la commande du moteur?
12. De quel genre de protection de moteur le système est-il équipé et quel élément a été déclenché?
13. Dans quel environnement le moteur évolue-t-il? À l’intérieur ou à l’extérieur en proie aux intempéries?
14. Y avait-il présence de pluie, de neige ou de foudre juste avant la défaillance?
15. Quelle était la température ambiante?
E. Dossier d’entretien
Une bonne compréhension de la performance du moteur par le passé peut se révéler un bon indicateur de la cause du problème. Ici encore, une liste de vérifications s’impose : 1. Depuis combien de temps le moteur est-il en
service? S’il est tombé en panne dès son démarrage initial, des facteurs tels que la contamination, les transitoires, le mouvement de bobines et le vieillissement thermique peuvent généralement être éliminés de la liste des causes potentielles.
2. Au cours des premières heures de service du moteur, a-t-on pu observer certains phénomènes inhabituels? La charge a-t-elle accéléré comme il se doit? Le moteur a-t-il porté la charge à vitesse et caractéristiques thermiques normales?
3. La résistance du bobinage et le courant se trouvaient-ils bien équilibrés?
4. Les rapports d’entretien précédents indiquent-ils des faiblesses comme des craquelures ou un vieillissement du système d’isolation?
5. Le dossier de service du moteur présente-il des relevés de défectuosité de l’isolement ou de problèmes antérieurs associés à l’humidité ou à des contaminants?
MÉTHODOLOGIE
Le sommaire qui suit regroupe les différentes causes de défaillances de bobinages selon les profils de pannes : A. Profil de claquage symétrique où toutes les phases ont surchauffé
Dans chaque cas, une chaleur excessive a été produite de manière symétrique dans tout le bobinage. La chaleur provenait d’un excès de courant ou de l’incapacité du moteur à dissiper la chaleur normalement produite.
1. Causes possibles a) Basse ou haute tension b) Charge excessive
c) Nombre de démarrages excessifs d) Ventilation insuffisante
e) Lourdes conditions ambiantes f) Rotor défectueux
g) Défaillance complète d’un palier, responsable d’un arrêt indésirable
TN31-9 2. Apparence du bobinage (profil)
En général, chaque groupe de bobines présentera des signes de surchauffe mis en évidence par une décoloration et une déficience de l’isolement, selon l’intensité de chaleur.
3. Mode de défaillance
Le véritable bris survient habituellement en raison d’une combinaison de courts-circuits et de coupures.
L’enroulement peut aussi se trouver mis à la terre en raison d’une chaleur extrême dans la cannelure du stator ou le conducteur du moteur.
B. Profil de défaillance monophase (symétrique)
Ces défaillances sont souvent les plus faciles de toutes à identifier de par leurs profils distinctifs. La figure 4 en est un exemple type.
1. Causes possibles
a) Commandes monophasées ou source d’alimentation b) Conducteur ou fil de bobinage coupé
c) Mauvaise connexion
d) Source de tension déséquilibrée 2. Apparence du bobinage (profil)
Selon que la connexion soit disposée en étoile ou en triangle, une ou deux phases peuvent surchauffer et, la plupart du temps, tomber en panne en raison de courts- circuits de spire à spire dans les phases qui ont surchauffé.
3. Mode de défaillance
Si la cause est interne au bobinage, la ou les phases qui n’ont pas chauffé présenteront un circuit ouvert.
Généralement, on remarquera des traces de courts-circuits multiples de spire à spire.
Note : Les commandes et l’équipement de protection du moteur, ou un autre élément du système de distribution, peuvent également montrer des signes de fonctionnement monophasé.
C. Profil de claquage asymétrique où le bobinage se trouve mis à la terre
Selon le type de protection de moteur utilisé, une défaillance de mise à la terre peut s’avérer la plus destructrice de toutes les défaillances. Non seulement le bobinage est détruit, mais aussi, dans certains cas, les laminations se trouvent sérieusement endommagées par de forts courants de défaut.
Ce type de bris présente également le potentiel le plus élevé de chocs électriques et de risques pour le personnel d’exécution.
1. Causes possibles
a) Frottement du rotor contre les laminations du stator; au démarrage ou en cours de fonctionnement.
b) Isolement endommagé; embouts de cannelures ou conducteurs.
c) Tension transitoire; surtension de commutation ou coup de foudre.
d) Contamination; humidité, produits chimiques ou corps étrangers.
e) Détérioration de l’isolement par cheminement de basse tension ou effet de couronne.
f) Surchauffe dans la cannelure du stator due à un courant excessif ou à une mauvaise dissipation de chaleur.
g) Mouvement de bobines; dans la cannelure ou les embouts.
2. Apparence du bobinage (profil)
La défaillance de bobinage se limite normalement à certains points de la cannelure du stator et, sauf dans le cas de la cause (f), ne prend pas l’apparence d’une surchauffe générale.
3. Mode de défaillance
Le mode primaire se situe au niveau bobine à mise à la terre. Toutefois, on peut relever des traces de courts-circuits spire à spire et phase à phase.
D. Divers profils de claquage asymétrique (à l’exception des mises à la terre)
Bon nombre de causes mentionnées ci-dessus, responsables de défaillances de mise à la terre, peuvent également entraîner une défaillance de spire à spire. Le facteur déterminant se veut directement lié à la résistance et à la faiblesse du système d’isolation. Par exemple, quand un stator se trouve exposé à un milieu extrêmement humide, la défaillance surviendra au point le plus faible du système d’isolation du moteur. Si, par le passé, un mouvement de bobines dans les têtes d’enroulement a provoqué certains dommages, le mode de défaillance serait de spire à spire. Si l’isolement de la cannelure du stator s’est vu affaibli davantage par ce même mouvement de bobines, le mode serait alors de bobine à mise à la terre. Le mode de défaillance peut également se révéler de phase à phase ou de bobine à bobine. La plupart de ces types de bris se limitent à certains points précis du bobinage sans présenter de profil particulier, exception faite des défaillances causées par des tensions transitoires ou à ondes très prononcées. Dans ce cas, la défaillance survient au début ou à la fin d’une phase.
1. Cause possible
Même que celle d’un stator mis à la terre, sauf le frottement du rotor.
2. Apparence du bobinage (mode et profil)
Elle sera généralement mise en évidence par des courts- circuits et coupures entre spires, sans présenter un aspect de surchauffe. On remarquera toutefois des signes de chaleur excessive à proximité de la zone affectée et, souvent, un défaut entre phases surviendra au moment d’arrêter le moteur.
CAUSES ET ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE ROTORS
Cette section porte sur les relations entre les diverses contraintes et la façon dont elles influent sur la longévité du rotor et contribuent à provoquer des défaillances prématurées.
CONTRAINTES THERMIQUES A. Surcharge thermique
Une surcharge thermique peut survenir en cours d’accélération, de fonctionnement ou en état de calage. Il faut garder à l’esprit que, du point de vue thermique, certains moteurs comportent des « limites de stator » et d’autres des « limites de rotor ». Quand ils tournent à plein
régime, la plupart des moteurs se trouvent limités par le stator. L’état de calage présente pour sa part le grand potentiel d’endommagement du rotor dans le plus court laps de temps, en plus de s’avérer le plus difficile à éviter lorsqu’on compte sur une protection thermique. La majorité des dispositifs de captage thermique sont installés dans le stator. De par le temps qu’ils mettent à détecter la chaleur produite dans le rotor, il pourrait déjà être trop tard.
Les périodes de calage sécuritaires varient de quelques secondes à quelques minutes, selon le design. Il est souhaitable de connaître ce renseignement au moment de prévoir une protection du moteur contre les surcharges.
Bien qu’il soit préférable que les temps de calage se révèlent plus longs que les temps d’accélération, ce n’est pas toujours possible, ni même nécessaire. La meilleure façon de protéger un moteur contre les surcharges thermiques consiste à utiliser des capteurs de courant qui détecteront les courants élevés associés aux démarrages et aux périodes de calage. On a aussi recours à des interrupteurs à vitesse zéro pour assurer une protection contre l’état de calage lorsque le temps d’accélération dépasse la période de calage sécuritaire. Les causes les plus fréquentes de défaillances par surcharge thermique sont les suivantes :
1. Nombre anormal de démarrages successifs qui portent les barres ou la bague d’extrémité à une température excessive.
2. Calage du rotor en raison d’une charge de démarrage élevée.
3. Défaut d’accélérer jusqu’à pleine vitesse dû à une intersection entre la charge et la courbe de couple de vitesse du moteur.
4. Frottement du rotor contre le stator provoqué par une défaillance de palier, un déplacement du rotor ou des vibrations anormalement élevées.
5. Barres d’induit brisées en raison d’une fatigue causée par le mouvement des barres ou l’expansion thermique d’une bague d’extrémité.
6. Ventilation insuffisante due à des filtres ou des conduits obstrués.
7. Tensions de phases déséquilibrées et courants inversés correspondants associés à la surchauffe de la surface du rotor.
Les défaillances de rotors relatives à des surcharges thermiques peuvent être décelées par l’inspection de la cage (barres d’induit et bague d’extrémité). On remarquera souvent des signes de surchauffe, cette dernière parfois si intense qu’elle fait fondre le matériau de la cage.
Fréquemment, le stator se trouvera également endommagé par la fonte de la cage ou le brasage du matériau.
B. Déséquilibre thermique
Un déséquilibre thermique peut être provoqué par l’effet des démarrages ou les conditions de service. Il peut également provenir du design même ou du processus de fabrication du rotor, ou se produire à la suite d’une utilisation qui excède ses limites. Voici les causes les plus fréquentes de défaillances par déséquilibre thermique :
1. Démarrages fréquents qui créent une différence de température entre les barres d’induit due au phénomène d’effet pelliculaire.
2. Transfert de chaleur inégal entre les barres et le noyau du rotor.
3. Flexion du rotor causée par des changements inégaux des pressions d’empilement associés aux cycles thermiques.
4. Perte d’ajustement entre le noyau du rotor et l’arbre entraînée par une expansion thermique durant le démarrage à l’origine de vibrations instables.
5. Points chauds sur la surface du rotor formés par des laminations usées ou un frottement du rotor.
6. Gradients de température obtenus par des courants de circulation inégaux. Ils peuvent être produits soit par un isolement défectueux, soit par des courts- circuits dans les barres du rotor.
Ces conditions se rencontrent plus fréquemment dans les moteurs à haute vitesse qui présentent d’importants rapports longueur-diamètre du rotor. Le problème vient se combiner au fait que les vibrations peuvent se révéler acceptables lors d’essais sans charge et ne se manifester que lors des démarrages sous charge. Pour cette raison, certains fabricants incluent des essais sous charge de moteurs haute vitesse dans leurs procédés de contrôle de la qualité. Le lien avec ce problème se veut difficile à établir, car le déséquilibre à chaud ne se répète pas constamment.
Voilà pourquoi un équilibrage précis du moteur quand il est chaud peut ne pas rectifier la situation. Au fil des ans, les fabricants ont tenté d’apporter de nombreux remèdes à cette condition comme le traitement à la chaleur, les chocs à froid, le réusinage et le soulagement des contraintes du noyau.
Notons que d’autres facteurs peuvent provoquer des déséquilibres thermiques ou du moins qu’il existe de nombreuses théories quant à leurs causes.
Donc, bien qu’il soit relativement facile d’identifier les moteurs qui présentent des problèmes de vibrations sensibles à la température, il s’avère extrêmement difficile d’en déterminer la cause exacte. Lorsque ce genre de problème survient, mieux vaut consulter le fabricant du moteur puisqu’il est logiquement celui qui en connaît le plus long sur son produit et aussi le plus apte à le réparer.
C. Points chauds et pertes excessives
Bon nombre de variables de conception, de fabrication ou de réparation du rotor peuvent être à l’origine de pertes imprévisibles et de points chauds.
Certaines des variables à l’origine de ces conditions sont les suivantes :
1. Usure des laminations dans la cannelure ou sur la surface du rotor.
2. Courts-circuits irréguliers des barres du rotor aux laminations dans la zone de la cannelure.
3. Piètre empilement des laminations : trop lâche, bavures excessives ou manque de symétrie.
4. Différents serrages d’ajustement entre barres et laminations.
5. Répartition non uniforme des pertes dans les laminations causée par un recuit inapproprié ou un contrôle insuffisant au cours du processus de lamination.
TN31-11 6. Concept de laminations inadéquat.
7. Mauvaises connexions barre-bague d’extrémité.
Les fabricants de moteurs, par leurs procédés de contrôle de la qualité et d’essais, sont en mesure de détecter la plupart de ces problèmes. Cette détection devient plus difficile lorsque le moteur est mis en service.
Toutefois, bon nombre de tests s’avèrent utiles, comme les suivants :
1. Test de grognard
2. Test de rotation monophase 3. Test de saturation sans charge
4. Test de fonctionnement pour trouver des barres d’induit ouvertes ou brisées
5. Peintures sensibles à la température 6. Test d’ultrasons
7. Contrôle de courant sur des appareils à haute vitesse
Bien sûr, le fait de contrôler sous charge des éléments comme le bruit, les vibrations, la température, le courant, les watts et le glissement contribue à s’assurer que le moteur ne présente aucun défaut.
D. Décharge disruptive du rotor
Il existe plusieurs causes potentielles à une décharge disruptive d’un rotor façonné. Certaines sont de nature non destructive, tandis que d’autres peuvent mener à une défaillance du rotor.
Une décharge disruptive non destructive se produit durant le fonctionnement normal du moteur. On ne décèle généralement pas cette décharge en raison de sa faible intensité ou parce que l’enveloppe du moteur ne permet pas son observation. On entend par fonctionnement normal les conditions durant lesquelles tout moteur peut se voir soumis à des chutes de tension, fluctuations de charge, perturbations de commutation et ainsi de suite. Outre les raisons déjà mentionnées, aucune décharge disruptive n’est normalement observée durant le fonctionnement à pleine charge, et ce, pour plusieurs raisons. À pleine charge, la force centrifuge est habituellement plus grande que les forces électromagnétiques qui s’exercent sur les barres, dû au courant de charge nominal. Elle a aussi tendance à déplacer radialement la barre et à la maintenir dans la cannelure. De plus, la fréquence du circuit de rotor s’avère très faible (égale à la fréquence de glissement). Cette basse fréquence correspond à une faible impédance du circuit de cage du rotor, pour confiner essentiellement tout le courant du rotor dans la cage elle-même. Par conséquent, on n’observe normalement aucune décharge disruptive en cours de service à pleine charge et à pleine vitesse, bien que le contraire soit possible
Cependant, durant certains démarrages, le courant dans la cage du rotor est entre cinq et huit fois supérieur à la normale. Ce fort courant, jumelé à une impédance plus élevée de la cage (due à la fréquence du courant du rotor qui varie depuis la fréquence de ligne à l’immobilisation), provoquera une chute de tension le long de la barre de plus de huit fois sa valeur de base. C’est cette tension qui a tendance à envoyer du courant dans les laminations. Bref, au cours du démarrage, il y a en réalité deux circuits parallèles, soit un dans les barres du rotor et l’autre dans les
laminations.
Les forces magnétiques créées par le fort débit de courant au démarrage provoquent la vibration des barres d’induit à une fréquence décroissante, qui débute à 60 Hz, pour produire une force de 120 vibrations à la seconde. Ces vibrations radiales primaires dans les limites de la fente du rotor provoquent des interruptions de courant intermittentes entre les barres et diverses parties des laminations qui se soldent par des arcs visibles.
Les procédés de conception et de fabrication des rotors prévoient des mesures destinées à éliminer les décharges disruptives. Par contre, matériaux et tolérances, combinés aux effets d’une expansion thermique différentielle et des cycles thermiques, empêchent tout moteur de vraiment fonctionner « sans étincelles ». Même des moteurs identiques présenteront des degrés d’intensité de décharge différents, car tous les composants ont des tolérances et sont soumis à des cycles thermiques en cours de fonctionnement.
Les décharges disruptives que l’on peut observer dans l’entrefer sont en réalité de minuscules particules de barre ou d’armature, chauffées jusqu’à incandescence par le courant qui circule à la limite armature-barre. Les bavures de perforation initiale et les particules de barres enlevées pendant l’installation diminueront vraisemblablement après plusieurs démarrages. Toutefois, les particules produites par des décharges disruptives intermittentes ne diminueront pas durant la vie utile du moteur.
La brève période de décharge intensifiée qui peut se produire au démarrage n’affecte pas vraiment la longévité du moteur. Des moteurs en service depuis plus de 20 ans qu’on a démontés n’ont révélé qu’une faible attaque aux barres de rotor à certains points de contact avec l’armature.
Ceci dit, des décharges disruptives destructives peuvent survenir dans bien des circonstances, dont la plus fréquente est une barre brisée ou une connexion barre-bague d’extrémité défectueuse.
Le point de bris habituel de la barre se situe dans la zone où la barre se lie à la bague d’extrémité. Le bris est précédé de craquelures radiales à partir de la partie supérieure ou inférieure de la barre. Bien que, dans le cas des décharges disruptives causées par la fatigue, la défaillance de la barre de rotor soit généralement plus importante en intensité que celle mentionnée plus tôt, elles demeurent difficiles à détecter visuellement car la majorité des enveloppes de moteurs empêchent l’observation de l’entrefer par un
« regard ».
Les méthodes les plus répandues pour déterminer si les décharges disruptives sont provoquées par les barres ou par les connexions aux bagues d’extrémité sont les suivantes :
1. Inspection de l’ensemble du rotor; recherche de laminations bleuies, etc.
2. Frapper les barres avec un maillet. Les barres brisées ou desserrées produisent un son distinct.
3. Pulsations de courant quand le moteur est sous charge.
4. Test du grognard (voir figure 8).
5. Test de rotation monophase (voir figure 9).
6. Test de déplacement d’angle de phase.
7. Bruit entendu (cliquetis) durant le cycle de démarrage.
La prévention d’un degré avancé de décharge disruptive du rotor se veut le résultat d’un concept approprié de fabrication et d’utilisation du moteur.
CONTRAINTES MAGNÉTIQUES A. Effet électromagnétique
L’action du débit de fuite de la cannelure, résultat du courant des barres, produit des forces électrodynamiques.
Ces dernières se veulent proportionnelles au carré du courant du rotor (I2) et unidirectionnelles. Elles ont tendance à déplacer la barre radialement entre les parties supérieure et inférieure de la cannelure. Ces forces font vibrer la barre à deux fois la fréquence du courant du moteur. Ainsi, elles exercent une contrainte de flexion ou de courbure dans la barre. Si la flexion s’avère suffisamment importante, il en résultera une défaillance par fatigue dans la barre. On peut démontrer que la force radiale qui agit sur une barre du rotor provoquera une flexion au démarrage qui se révélera plus prononcée que le permet le confinement normal de la cannelure. Théoriquement, la barre vient se camper au centre de la cannelure pour exercer une contrainte plus élevée du connecteur d’extrémité au joint de barre que peut le supporter le mouvement d’une barre dans une cannelure.
On présume ici que le courant demeure constant en cours d’accélération et que le temps d’accélération à pleine tension est d’environ 11 secondes; dans le pire des cas ci- dessus, un moteur moyen pourra subir approximativement 4 000 démarrages avant de tomber en panne. Ce chiffre semble confirmé par des documents qui portent sur des moteurs en service pour lesquels aucune mesure n’a été prise dans le but de confiner le mouvement de la barre dans
la cannelure du rotor.
Les moteurs dotés d’un rotor coulé ou de barres ajustées ou recourbées pour empêcher ce mouvement se sont montrés capables d’effectuer entre 50 000 et 100 000 démarrages sans présenter de défaillance.
B. Force portante magnétique déséquilibrée
Une force portante magnétique déséquilibrée constitue un problème potentiel pouvant faire courber le rotor qui frappera le bobinage du stator. Dans le cas d’un moteur
« idéal », le rotor se trouve centré dans l’entrefer et les forces magnétiques s’équilibrent en directions opposées, ce qui évite toute flexion du rotor. Dans la vraie vie, les rotors ne sont pas parfaitement centrés dans l’entrefer. Des facteurs comme l’excentricité, le poids du rotor, l’usure des paliers, les charges de courroie et l’alignement de moteur influent tous sur la position hors centre du rotor.
R.L. Nailen décrit le processus de déplacement comme suit : « Lorsque cela se produit, l’entrefer entre le rotor et le stator décroît d’un côté et s’accroît de l’autre. Dans un champ magnétique alternatif, une réduction d’entrefer vient créer une plus grande force d’attraction dans tout l’écart.
En d’autres termes, la « réluctance » de cheminement du flux magnétique, son opposition au passage du flux, se voit diminuée. Le même courant magnétisant du bobinage est susceptible de produire un flux plus important dans l’entrefer, entraînant une force portante encore plus grande.
Au même moment, l’entrefer augmente du côté opposé du moteur. La réluctance se fait plus grande à cet endroit, si bien que le flux et la force portante magnétique sont réduits.
À ce stade, le déséquilibre des forces commence à agir sur le rotor. La plus grande force sur le côté qui présente le plus petit écart d’entrefer aura tendance à déplacer le rotor dans cette direction, ce qui réduira l’écart encore davantage. Le processus peut se poursuivre ainsi jusqu’à écart zéro et le rotor entre en contact avec le stator.
Si une certaine excentricité du rotor est toujours à prévoir, pourquoi ce déplacement ne se produit-il pas plus souvent? La réponse est que le mouvement du rotor se voit restreint par la rigidité de l’arbre. Plus le mouvement est important, plus l’arbre résiste à la courbure ».
Les concepteurs de moteurs contrent ce problème en limitant l’entrefer minimal et en établissant des limites relatives à l’excentricité acceptable de l’entrefer. Ces dernières sont de l’ordre de 10 à 20 % de l’entrefer, selon la taille du moteur. Conjointement à ces limites, on choisit la taille de l’arbre en fonction de son aptitude à résister aux forces de courbure (rigidité de l’arbre). Le potentiel de déplacement du rotor peut être considéré comme fonction de l’entrefer, concentricité, longueur d’empilage, densité du flux d’entrefer et circuits de bobinage du stator.
Le risque d’un déplacement du rotor est habituellement plus élevé durant le cycle de démarrage lorsque les ampères-spires sont aussi plus élevés. Au moment où le rotor percute le stator, on peut généralement l’entendre.
Selon l’importance du contact, il y aura ou non un endommagement des pièces des deux composants.
L’inspection des pièces se révèle la meilleure façon de confirmer l’existence d’une telle condition et d’évaluer la gravité de la situation.
TN31-13 La méthode corrective la plus répandue implique
l’amélioration de la géométrie de l’entrefer par alésage du stator et tournage ou centrage du diamètre extérieur du rotor. Au fil des ans, on a démontré que les circuits multi- parallèles exercent une influence positive à réduire la tendance du rotor à se déplacer. Lorsque ce déplacement représente un problème potentiel, on devrait éviter de munir le moteur de connexions à ligne simple.
C. Bruit et vibrations électromagnétiques
Outre les problèmes de déplacement, une excentricité de l’entrefer peut provoquer du bruit et des vibrations. La force radiale produite par les harmoniques du stator se combine à celles provenant des harmoniques du rotor pour créer du bruit et des vibrations électromagnétiques. Cinq types fondamentaux d’excentricité d’entrefer peuvent survenir :
1. D.E. de rotor excentrique à l’axe de rotation 2. Alésage de stator excentrique
3. Rotor et stator ronds (profil plein), mais ne présentant pas le même axe de rotation
4. Rotor et stator ronds, mais n’ayant pas le même axe 5. N’importe quelle combinaison des conditions ci-
dessus
Ces conditions peuvent provoquer ou non un degré élevé de bruit et de vibrations. À pleine charge, le bruit se fait généralement plus intense que sans charge.
Les vibrations causées par l’excentricité varient en fonction de la tension aux bornes. Dans son article intitulé
« Effect of Air-Gap Eccentricity on Motor Sound Level », John Courtin a élaboré la courbe illustrée à la figure 10 pour indiquer la relation entre l’excentricité de l’entrefer et le bruit établie à la suite d’une batterie de tests effectués sur des moteurs abrités aux dimensions NEMA.
Bien que les nombres finis puissent ne pas s’avérer représentatifs de tous les moteurs, ils démontrent néanmoins l’ampleur du problème et suggèrent un remède possible pour les moteurs qui émettent un bruit électromagnétique. L’expérience a démontré que les moteurs qui présentent une très importante excentricité d’entrefer (plus de 25 %) ajouteront de 2 à 3 dba à leur bruit normal de fonctionnement.
CONTRAINTES RÉSIDUELLES
Des contraintes résiduelles peuvent s’exercer sur n’importe quel plan, soit radial ou axial. Elles ne sont généralement pas susceptibles d’endommager le rotor, à condition de ne pas causer de modifications importantes à sa géométrie. Certaines des contraintes résiduelles les plus courantes sont le résultat du coulage, du brasage, du soudage, de l’empilage et de l’utilisation du moteur. Dans les moteurs plus volumineux, il est pratique courante de libérer l’arbre du rotor de ses contraintes avant de procéder à l’usinage final.
Certains fabricants ont même tenté une stabilisation pour réduire les contraintes résiduelles de la cage de rotor. Si une de ces contraintes vient modifier la géométrie du rotor, elle le fera au cours de la transition entre le ralenti et les conditions thermiques à pleine charge et pourra causer des problèmes de vibrations qui pourront ne pas être décelés lors d’un fonctionnement sans charge. Dans le cas des moteurs haute vitesse, la plupart des fabricants procurent un moyen de raffiner l’équilibre qui permet également l’équilibrage à chaud, si nécessaire.
Comme c’est le cas pour une contrainte thermique, tout problème de cette nature devrait être soumis au fabricant.
CONTRAINTES DYNAMIQUES
Certaines des contraintes dynamiques les plus fréquentes associées au design du rotor se trouvent énumérées ci-dessous. Bon nombre de ces contraintes se veulent des fonctions du procédé de service et peuvent excéder les limites de conception normales.
A. Couples d’arbre
L’arbre de rotor est conçu pour supporter des couples supérieurs à ceux que l’on retrouve normalement dans les moteurs sous pleine charge. Tout couple supérieur à ces derniers se veut généralement de courte durée et surnommé couple transitoire. Les couples transitoires se rencontrent normalement durant les démarrages, les transferts de bus ou les refermetures hors phase. Ils peuvent aussi être produits par une charge dynamique en provenance d’une pièce d’équipement menée, par fonctionnement ou par une source d’alimentation à inverseur.
Par exemple, il est possible de développer des couples d’arbre 20 fois supérieurs à ceux de moteurs sous pleine charge par un transfert de bus hors phase. Il s’avère important de consulter le fabricant au moment d’effectuer des transferts avant que la constante de temps du circuit ouvert du moteur soit écoulée. Les utilisations qui impliquent des charges dynamiques, telles que les déchiqueteuses, doivent également être mentionnées afin de prévoir une marge appropriée pour le rotor.
On peut aussi rencontrer des couples élevés dans des conditions normales de fonctionnement, s’il survient une résonance de torsion. Une telle condition se vérifie surtout dans le cas de moteurs haute vitesse. Les moteurs peuvent normalement accélérer de façon plutôt suffisante dans le premier système, mais nécessiteront une analyse plus poussée si on les utilise avec un inverseur et qu’un fonctionnement continu à différentes vitesses est possible.
B. Forces centrifuges
Normalement, un rotor est conçu pour pouvoir tourner à des vitesses excessives dans les limites de conception NEMA (20 % pour les moteurs bipolaires et 25 % pour les versions à vitesses moindres).
Même à ces vitesses, on doit faire preuve de prudence si le moteur se trouve activé dans des conditions comme l’utilisation d’un inverseur ou d’éoliennes. La raison pour se montrer prudent est que les pièces de composants comme le noyau du rotor à l’ajustement d’interférence de l’arbre doivent désormais subir à la fois des contraintes centrifuges et thermiques. En cas de perte de cet ajustement, de fortes vibrations peuvent se manifester, avec l’effet destructeur qu’on leur connaît. Évidemment, on doit aussi surveiller les forces centrifuges supérieures aux limites de survitesse car elles peuvent poser des problèmes potentiels relatifs aux contraintes exercées sur la bague d’extrémité ou sur les laminations et la retenue des pales de ventilateur ou des charges d’équilibrage.
On pourrait comparer cette situation à un clapet de retenue coincé ou défectueux dans une pompe de puits dans laquelle la charge de liquide force la pompe à refouler en sens inverse et à faire tourner le rotor à une vitesse excessive.
C. Contraintes cycliques
L’arbre du rotor peut se voir soumis à une contrainte cyclique susceptible d’aboutir à une défaillance par fatigue.
Une contrainte cyclique peut être causée par l’utilisation, comme un désalignement entre les pièces d’équipement menantes, des courroies trop serrées ou des poulies aux dimensions inappropriées dans le cas de charges déportées. Il serait préférable d’analyser les charges cycliques de cette nature, question de s’assurer que les limites de fonctionnement sécuritaire soient respectées.
Toute concentration de contrainte, comme un changement dans le diamètre de l’arbre, doit faire l’objet d’une analyse dans le but de se voir minimisée. Une détente de contraintes de l’arbre pourrait s’avérer nécessaire pour s’assurer que les contraintes relatives au soudage ou à l’usinage soient maintenues dans des limites acceptables.
CONTRAINTES ENVIRONNEMENTALES
Par souci de commodité, toute condition environnementale affectant la longévité du rotor répond à la définition de contrainte. Des corps étrangers, souvent à l’origine d’abrasion ou d’obstruction de conduits d’aération, peuvent constituer une contrainte, tout comme les produits chimiques ou l’humidité qui peuvent s’attaquer aux matériaux du rotor et les endommager. Par exemple, une forte concentration d’une solution hautement caustique qui détériore une cage de rotor en aluminium ou les vapeurs de soufre qui détruisent l’alliage brasé du rotor. Les moteurs à entrefer réduit (0,010 à 0,040 po) ont en réalité eu de l’oxydation du rotor aux laminations du stator en présence d’une grande quantité d’humidité. La corrosion s’avère aussi à l’origine du desserrement des charges d’équilibrage et d’une « élingue » dans le bobinage du stator avec des résultats très peu désirables. Lorsque les conditions environnementales se font rigoureuses, il est de bon ton de signaler au fabricant le type d’environnement auquel le moteur se verra exposé. Certains fabricants enduisent leurs
rotors d’un revêtement en vue de leur procurer une protection supplémentaire.
CONTRAINTES MÉCANIQUES
Outre les défaillances associées aux contraintes déjà mentionnées, il existe une autre grande catégorie de défaillances que l’on peut regrouper sous l’appellation contraintes mécaniques. Certaines des plus communes sont les suivantes :
1. porosité dans le coulage;
2. laminations desserrées;
3. pièces usées par la fatigue ou brisées;
4. ajustement inapproprié entre l’arbre et le noyau;
5. piètre géométrie du rotor/stator;
6. perte d’entrefer;
7. arbre de rotor courbé;
8. défaillance d’un palier;
9. désalignement;
10. matériaux inadéquats;
11. résonance des dents.
ANALYSE DES DÉFAILLANCES DE ROTORS
À partir de la même méthodologie proposée dans le cas du stator, il existe cinq points importants à retenir et à relier entre eux dans le but d’effectuer un diagnostic précis de la cause d’une défaillance de rotor. Ces points sont :
1. mode de défaillance;
2. profil de défaillance;
3. apparence;
4. utilisation;
5. dossier d’entretien.
Ce qui suit se veut une brève description de chacun des points ci-dessus.
A. Modes de défaillances
Sans tenir compte de la cause d’une défaillance, les catégories réelles de bris peuvent se regrouper comme suit :
1. arbres;
2. paliers;
3. laminations;
4. cage d’écureuil;
5. système de ventilation;
6. stator;
7. n’importe quelle combinaison des éléments ci- dessus.
Au moment d’analyser une défaillance, il s’avère ardu de déterminer lequel de ces facteurs est responsable du problème initial et lequel est sa résultante.
Illustrons ce point par un simple exemple. Un moteur de 500 HP pouvant tourner à 3 600 tr/min présente un arbre courbé qui provoque de fortes vibrations, en plus d’endommager les paliers. Il en découle une perte d’entrefer lorsque le moteur se trouve en service. Le rotor donne contre le stator, ce qui provoque une surchauffe du rotor et des laminations du stator ainsi que des bobinages primaire et secondaire. La barre d’induit en aluminium fond et se voit
