Causes de la surchauffe des moteurs et solutions | Explication des mesures préventives efficaces

Les moteurs sont indispensables aux chaînes de production et aux équipements industriels, mais leur échauffement pendant le fonctionnement est un phénomène inévitable. Toutefois, un échauffement excessif réduit la durée de vie du moteur et peut, dans le pire des cas, entraîner des problèmes graves tels que des pannes ou des incendies.

La chaleur dégagée par le moteur est due à des pertes telles que les pertes dans le cuivre, les pertes dans le fer et les pertes mécaniques ; chacune de ces pertes nécessite des mesures appropriées.

Dans cet article, nous vous proposons une présentation exhaustive des informations que tout ingénieur se doit de connaître, allant du mécanisme à l’origine de la surchauffe des moteurs aux mesures à prendre en cas de surchauffe, en passant par les mesures préventives efficaces permettant d’éviter ce phénomène.

Grâce à une gestion thermique adéquate, renforcez la sécurité et la durabilité des moteurs et assurez ainsi le fonctionnement stable de vos installations.

Principales causes de surchauffe du moteur

La chaleur dégagée par un moteur provient principalement de trois types de pertes : les pertes dans le cuivre, les pertes dans le fer et les pertes mécaniques.

L’influence de ces trois facteurs varie en fonction du type de moteur, de sa conception et de son point de fonctionnement. En règle générale, sur les petits moteurs, les pertes dans le cuivre ont tendance à prédominer en raison de la résistance des enroulements, tandis qu’à haute vitesse, les pertes dans le fer ont tendance à augmenter. La compréhension des mécanismes à l’origine de ces trois types de pertes constitue la première étape vers la mise en place de mesures appropriées de gestion de la chaleur. Nous allons examiner ci-après chacune de ces pertes plus en détail.

Contenu abordé dans cette section

• Émission de chaleur due aux pertes dans le cuivre
• Émission de chaleur due aux pertes dans le fer
• Émission de chaleur due aux pertes mécaniques

Chaque type de perte obéit à un mécanisme différent, et son impact varie en fonction du type de moteur et des conditions de fonctionnement. En particulier sur les sites de développement spécialisés dans les petits moteurs, la maîtrise des pertes dans le cuivre est essentielle pour limiter l’échauffement.

Émission de chaleur due aux pertes dans le cuivre

Les pertes dans le cuivre sont des pertes de puissance dues à la résistance des enroulements du moteur et au courant qui les traverse.

Cette perte est exprimée par la loi de la puissance P = I²R (intensité au carré × résistance) et est proportionnelle au carré de l’intensité.

Par conséquent, en théorie, si l’on réduit le courant de moitié, la chaleur générée par les pertes dans le cuivre diminue d’environ un quart.

Bien que cela dépende de l’application et des conditions de conception, dans les moteurs où un courant élevé circule dans la bobine, les pertes dans le cuivre constituent souvent la principale cause d’échauffement ; il s’agit donc d’un aspect essentiel des mesures de prévention de la surchauffe.

[Méthodes de conception visant à réduire les pertes dans le cuivre]

• Augmenter le diamètre (la section) du fil
• Augmenter le taux de couverture
• Réduire la longueur du bobinage
• Optimisation de la pureté et du traitement du cuivre

En combinant ces techniques, il est possible de réduire efficacement la résistance des enroulements et de limiter la production de chaleur due aux pertes dans le cuivre. Dans le cas des petits moteurs utilisés dans les appareils médicaux et les équipements optiques, l’optimisation des enroulements dès la phase de conception permet d’améliorer les performances et de prolonger la durée de vie.

Émission de chaleur due aux pertes dans le fer

Les pertes dans le fer sont des pertes qui se produisent dans le noyau de fer sous l’effet des variations du champ magnétique ; elles se composent de pertes par hystérésis et de pertes par courants de Foucault.

Les pertes par hystérésis sont des pertes d’énergie qui se produisent à l’intérieur du noyau de fer lors de cycles répétés de magnétisation et de démagnétisation, tandis que les pertes par courants de Foucault sont dues aux courants induits dans le noyau de fer par un champ magnétique variable.

Il s’agit d’un phénomène qui se manifeste de manière notable lorsque des moteurs à noyau de fer fonctionnent à grande vitesse. Dans le cas des moteurs de taille moyenne à grande, notamment, l’utilisation de tôles d’acier laminées permet de limiter les pertes par courants de Foucault. En revanche, les moteurs sans noyau, de par leur conception dépourvue de noyau de fer, ne génèrent en principe aucune perte dans le fer, telles que les pertes par hystérésis ou les pertes par courants de Foucault.

Grâce à ces caractéristiques structurelles, les moteurs sans noyau de C.I. Takiron présentent l’avantage de limiter la production de chaleur due aux pertes dans le fer, même à des vitesses de rotation élevées.

Dans les applications où des mouvements rapides et de haute précision sont requis, notamment dans le domaine des équipements industriels et des appareils optiques, une structure de moteur sans pertes dans le fer constitue un choix judicieux.

Émission de chaleur due aux pertes mécaniques

Les pertes mécaniques sont des pertes dues, entre autres, aux frottements à l’intérieur du moteur et à la résistance de l’air.

Cela inclut la chaleur de frottement au niveau du point de contact entre le roulement et l’arbre, ainsi que les pertes dues au frottement aérodynamique (pertes dues à la résistance de l’air) liées à la rotation ; toutefois, leur part dans la production totale de chaleur est relativement faible.Bien que cela varie en fonction du type de moteur et des conditions de fonctionnement, cette part représente généralement entre 3 et 12 % des pertes totales. Toutefois, si le fonctionnement se poursuit alors que l’huile de lubrification ou la graisse est dégradée, la résistance au frottement risque d’augmenter brusquement, ce qui pourrait entraîner une hausse considérable de la chaleur de frottement.

Dans les applications où un fonctionnement sans entretien sur le long terme est requis, comme c’est le cas pour les équipements de sécurité et de protection, il est nécessaire de tenir compte de cette usure mécanique.

Le choix de roulements et de graisses de haute qualité, ainsi qu’un entretien régulier, permettent de réduire au minimum les dommages causés aux machines.

Les effets néfastes liés à la chaleur dégagée par le moteur

Une surchauffe excessive du moteur n’entraîne pas seulement une augmentation de la température, mais cause également de graves dommages aux composants internes du moteur.

Les effets de la chaleur sont multiples et concernent notamment les matériaux isolants, les pièces mécaniques et les caractéristiques électriques ; ils entraînent en fin de compte une réduction de la durée de vie du moteur et des pannes soudaines.

Dans le domaine des dispositifs médicaux et des équipements de sécurité, ces défaillances ayant des répercussions directes sur la sécurité des patients et du personnel, il est essentiel de bien comprendre les conséquences concrètes de la surchauffe.

Nous allons vous présenter ci-dessous les effets néfastes les plus courants liés à la fièvre.

Contenu abordé dans cette section

• Dégradation de l’isolant et de la bobine
• Dégradation des roulements et de la graisse
• Baisse des performances et perte d’efficacité

Ces effets néfastes sont étroitement liés et entraînent une dégradation en cascade, chaque problème en provoquant un autre. Une gestion adéquate de la température permettra de réduire ces risques au minimum.

Dégradation de l’isolant et de la bobine

La couche isolante qui recouvre la surface de la bobine se détériore progressivement dans un environnement à haute température.

La température admissible varie en fonction de la classe de résistance thermique (B, F, H, etc.). Plus on se rapproche de la température admissible, plus la dégradation de l’isolation a tendance à s’accélérer ; il est donc essentiel, lors de la conception, de prévoir une marge de sécurité tenant compte de la classe et de l’élévation de température.

Si la gaine isolante est endommagée, un court-circuit se produit entre les bobines, ce qui entraîne un flux de courant important au niveau local et aggrave encore davantage l’échauffement, créant ainsi un cercle vicieux. À terme, cela peut entraîner la destruction des bobines, voire un incendie ; or, les dommages risquent de s’aggraver plus facilement dans le cas des moteurs utilisés à l’intérieur de boîtiers hermétiques, car la dissipation de la chaleur y est difficile.

Dans le domaine des appareils médicaux et des équipements industriels, les arrêts soudains dus à une rupture d’isolation ont des conséquences directes sur la vie des patients ou l’arrêt des chaînes de production ; c’est pourquoi la résistance thermique des matériaux isolants et la surveillance de la température revêtent une importance capitale.

Dégradation des roulements et de la graisse

Si les températures élevées persistent, la viscosité de la graisse diminue, ce qui peut entraîner son écoulement ; à l’inverse, elle peut se durcir, ce qui réduit ses performances de lubrification et lui fait perdre son efficacité.

Lorsqu’il y a rupture du film lubrifiant, les métaux entrent en contact direct, ce qui entraîne une augmentation de la résistance au frottement, générant à son tour davantage de chaleur de frottement et provoquant une élévation de la température, créant ainsi un cercle vicieux. Dans le pire des cas, le roulement peut griller, ce qui bloque l’arbre et entraîne l’arrêt complet du moteur.

Dans les applications exigeant un fonctionnement continu et une longue durée de vie, telles que les serrures électroniques des équipements de sécurité ou les mécanismes d’entraînement des appareils médicaux, il est indispensable de prendre des mesures pour prévenir la dégradation thermique des roulements et de la graisse.

Le choix d’une graisse de haute qualité capable de conserver ses performances même dans des environnements à haute température, ainsi qu’un entretien régulier comprenant des remplacements périodiques, contribuent à prolonger la durée de vie des roulements.

Baisse des performances et perte d’efficacité

La chaleur entraîne une augmentation de la résistance électrique de la bobine, ce qui entrave la circulation du courant et entraîne donc une baisse du couple de sortie.

La résistance d’un fil de cuivre présente la particularité d’augmenter avec la température ; ainsi, chaque augmentation de 10 °C entraîne une hausse de la résistance d’environ 4 %. Par ailleurs, dans les moteurs à aimants permanents, la force magnétique s’affaiblit en raison de la démagnétisation thermique lorsque la température augmente, ce qui entraîne une baisse considérable des performances du moteur.

La température admissible des aimants en néodyme varie en fonction de leur qualité ; pour les aimants de qualité standard, une démagnétisation permanente peut survenir à partir d’environ 80 °C. Les aimants en ferrite résistent relativement bien aux températures élevées ; une valeur indicative se situe autour de 250 °C. La résistance des composants électroniques augmente également avec la température, ce qui entraîne une hausse de la consommation électrique et une baisse du rendement.

Dans le cas des moteurs d’entraînement de lentilles pour équipements optiques ou des outils industriels, cette baisse de performances ayant une incidence directe sur la précision des produits et l’efficacité du travail, il est nécessaire de prendre pleinement en compte, dès la phase de conception, les variations de performances dues à la production de chaleur.

Mesures et méthodes de prévention visant à limiter la surchauffe des moteurs

Pour limiter l’échauffement des moteurs, il existe trois approches : la mise en place d’un système de refroidissement, l’optimisation des conditions de fonctionnement et le choix d’un moteur adapté.

Pour les moteurs existants, il est efficace de renforcer la dissipation thermique à l’aide de ventilateurs de refroidissement ou de dissipateurs thermiques ; il est également possible de réduire considérablement la production de chaleur en revoyant les méthodes d’exploitation.

Lors de la conception d’un nouveau modèle ou d’un changement de modèle, il est possible d’apporter une solution à la source en choisissant une structure de moteur générant peu de chaleur.

Nous allons vous expliquer ci-dessous en détail chacune de ces mesures.

Contenu abordé dans cette section

• Amélioration de la dissipation thermique grâce au système de refroidissement
• Optimisation des conditions d’exploitation
• Remplacement par un moteur générant moins de chaleur

Ces mesures ne doivent pas seulement être mises en œuvre individuellement ; c’est en les combinant que l’on obtient les meilleurs résultats. En particulier dans les systèmes existants où la surchauffe constitue un problème, la mise en place progressive de ces mesures permettra de procéder à des améliorations tout en limitant les risques.

Amélioration de la dissipation thermique grâce au système de refroidissement

Le refroidissement forcé par ventilateur ou l’installation d’un dissipateur thermique favorisent efficacement la dissipation de la chaleur provenant du moteur.

Dans le domaine des machines industrielles, l’utilisation de moteurs équipés de ventilateurs de refroidissement permet d’éviter toute surchauffe lors d’un fonctionnement prolongé.

Le remplacement de la plaque de fixation par une plaque en aluminium offrant une meilleure dissipation thermique ou l’augmentation de son épaisseur constituent également des moyens efficaces d’améliorer la dissipation thermique.

En cas d’utilisation à l’intérieur d’un boîtier hermétique, il est possible de créer une circulation d’air en équipant le boîtier lui-même d’ailettes de dissipation thermique ou en y ajoutant un petit ventilateur.

Dans les applications où le silence est essentiel, telles que les appareils médicaux ou les équipements optiques, le refroidissement naturel par caloduc constitue également une option envisageable. Toutefois, l’ajout d’un système de refroidissement entraînant un gain d’espace et une augmentation des coûts, il est nécessaire de l’étudier de manière approfondie dès la phase de conception.

Optimisation des conditions d’exploitation

En réduisant le courant de fonctionnement, il est possible de diminuer considérablement les pertes dans le cuivre, qui sont proportionnelles au carré du courant.

Si le cycle de fonctionnement du moteur le permet, réglez un temps d’arrêt plus long afin de garantir un temps de refroidissement suffisant pour le moteur.

Il est également important, pour limiter la production de chaleur, d’éviter les situations de surcharge et de veiller à ce que le fonctionnement s’effectue toujours dans les limites du couple nominal.

Dans le domaine des outils industriels et des produits de loisirs, l’optimisation du cycle de service (rapport entre la durée de fonctionnement continu et la durée d’arrêt) en fonction des modes d’utilisation permet de maintenir les performances requises tout en limitant la production de chaleur.

Le réglage de la tension d’alimentation à une valeur appropriée constitue également une mesure fondamentale permettant de réduire les courants inutiles et de limiter la production de chaleur.

Si le circuit de commande dispose d’une fonction de régulation du courant, il est possible de réduire encore davantage la production de chaleur en optimisant le courant en fonction de la charge.

Effectuer régulièrement des contrôles de fonctionnement et des mesures de température afin de détecter rapidement tout signe d’échauffement anormal constitue également un moyen efficace d’assurer un fonctionnement stable à long terme.

Remplacement par un moteur générant moins de chaleur

Les moteurs sans balais ne présentent pas de pertes par frottement des balais et constituent une solution permettant d’atteindre facilement un rendement élevé. En revanche, leur capacité de dissipation thermique dépend fortement de facteurs de conception tels que la structure à rotor interne ou externe, la forme du boîtier, les conditions de montage et les voies de dissipation thermique (chemins thermiques).

Les moteurs sans noyau ne présentant pas de noyau en fer, ils ne génèrent pas de pertes dans le fer, ce qui permet un fonctionnement à haut rendement et à faible dégagement de chaleur.

Grâce à ces caractéristiques structurelles, les moteurs sans noyau de C.I. Takiron sont utilisés dans des applications exigeant une grande précision, telles que les appareils médicaux et les équipements optiques. Par ailleurs, les moteurs sans balais de cette société se distinguent par leur longue durée de vie et leur faible niveau de vibrations (silencieux), ce qui leur permet d’être utilisés avec succès dans des équipements industriels et des dispositifs de sécurité.

Si l’espace le permet, le fait d’utiliser un moteur de plus grande taille permet, à puissance égale, de réduire l’intensité du courant et de limiter ainsi la production de chaleur.

Lors de la conception de nouveaux systèmes ou de la modernisation de systèmes existants, le fait d’envisager le passage à ce type de moteurs à faible dégagement de chaleur permet de simplifier le système de refroidissement et de réduire la fréquence des opérations de maintenance.

Résumé

La chaleur dégagée par un moteur provient de trois types de pertes : les pertes dans le cuivre, les pertes dans le fer et les pertes mécaniques ; celles-ci entraînent des conséquences graves, telles que la dégradation de l’isolation, la destruction des roulements et une baisse des performances.

Parmi les mesures à prendre, la mise en place d’un système de refroidissement, l’optimisation des conditions de fonctionnement et le passage à des types de moteurs générant moins de chaleur s’avèrent efficaces. Les moteurs sans noyau et les moteurs sans balais, en particulier, permettent de limiter la production de chaleur de par leur conception et contribuent également à prolonger leur durée de vie.

Chez C.I. Takiron, nous proposons des moteurs sans noyau, sans pertes dans le fer, ainsi que des moteurs sans balais dotés d’une excellente dissipation thermique, et nous vous proposons la solution la mieux adaptée à vos applications.

Grâce à une gestion adéquate de la chaleur, renforcez la sécurité et la fiabilité des moteurs et assurez ainsi le fonctionnement stable de vos produits.

Informations sur les produits et demandes de renseignements

Pour plus d’informations sur les micromoteurs de C.I. Takiron, veuillez consulter le site Web suivant.

• Site du produit : https://cik-ele.com/
• Moteurs sans noyau : https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
• Moteur sans balais : https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
• Moteurs à engrenages : https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
• Codeur : https://cik-ele.com/products/list/encoder/

Si vous rencontrez des difficultés pour choisir un petit moteur dans le cadre du développement de vos produits, n’hésitez pas à nous contacter via le formulaire de contact. Nos techniciens vous écouteront pour comprendre votre application et vos exigences, puis vous proposeront la solution la mieux adaptée.

• Contact : https://cik-ele.com/contact/