Choisir un moteur électrique pas à pas : des deux lignes de données machine à la ligne de commande

Une usine d'aliments pour animaux installe un nouveau mélangeur horizontal. Les informations fournies par le concepteur de la machine tiennent en deux lignes : l'arbre du mélangeur tournera à 45 tr/min et, cuve pleine, il faudra environ 1600 Nm de couple sur l'arbre. Le responsable maintenance ne dispose ni de la puissance moteur, ni de la vitesse, ni de la forme de montage. Dans cet article, nous partons de ces deux lignes pour arriver à la spécification moteur complète à inscrire sur la commande, en montrant comment chaque décision influence la suivante.

L'exemple est un mélangeur, mais la logique est la même pour un convoyeur, une pompe ou un ventilateur : d'abord ce que demande la machine, puis à quelle vitesse et avec quelle puissance le moteur le fournira, ensuite la compatibilité électrique et mécanique, et enfin l'environnement et la documentation.

Ce que demande la machine : vitesse, couple et nature de la charge

La première question du choix d'un moteur n'est pas « combien de kW ? », mais « quel couple la machine demande-t-elle sur son arbre, et à quelle vitesse ? ». La puissance découle de ces deux valeurs. La formule générale est P (kW) ≈ M (Nm) × n (tr/min) / 9550. Pour le mélangeur, on obtient 1600 × 45 / 9550 ≈ 7,5 kW. C'est la puissance demandée par l'arbre du mélangeur, et non celle que le moteur doit fournir.

À ce stade, il faut aussi noter la nature de la charge. Un mélangeur est une charge à couple constant : même si la vitesse baisse, le couple demandé diminue peu. De plus, après une coupure de courant, il peut devoir redémarrer cuve pleine. Ces deux informations détermineront plus loin à la fois la marge de puissance et le mode de démarrage. Nous expliquons avec des exemples comment déterminer la puissance demandée sur l'arbre d'une pompe, d'un ventilateur et d'un convoyeur dans l'article sur le calcul de la puissance moteur.

Le lien entre la vitesse du moteur et celle de la machine

Aucun moteur asynchrone ne tourne à 45 tr/min ; l'écart est comblé par un réducteur, une transmission poulies-courroies ou une combinaison des deux. C'est ici qu'intervient le choix du nombre de pôles. Sur un réseau 50 Hz, un moteur 4 pôles tourne à une vitesse synchrone d'environ 1500 tr/min et un moteur 6 pôles à environ 1000 tr/min ; la vitesse réelle en charge est légèrement inférieure.

• Avec un moteur 4 pôles, en retenant une vitesse nominale d'environ 1460 tr/min, le rapport de réduction nécessaire est d'environ 1460 / 45 ≈ 32,4.
• Avec un moteur 6 pôles et une vitesse nominale d'environ 970 tr/min, le rapport descend à environ 21,6.

À puissance égale, le moteur 6 pôles est plus volumineux et généralement plus cher ; le moteur 4 pôles constitue la série la plus courante et se remplace facilement. La décision se prend le plus souvent côté réducteur : le nombre de pôles du moteur est adapté au rapport standard disponible dans la gamme de réducteurs retenue. Nous avons traité séparément le choix du rapport, du couple de sortie et du type de réducteur dans le guide de sélection des réducteurs. Pour cet exemple, poursuivons avec un moteur 4 pôles et un réducteur à engrenages hélicoïdaux.

Choisir le palier de puissance

Aux 7,5 kW de l'arbre du mélangeur, il faut ajouter les pertes du réducteur. Le rendement des réducteurs hélicoïdaux est généralement élevé ; en retenant 95 % pour simplifier, il faut environ 7,9 kW sur l'arbre moteur. Les paliers de puissance standard étant 7,5 et 11 kW, un moteur de 7,5 kW est insuffisant, même sur le papier.

Une autre raison justifie le passage à 11 kW : le démarrage cuve pleine. Au démarrage, cette charge peut exiger du moteur un couple supérieur à son couple nominal. Le couple nominal d'un moteur 4 pôles de 11 kW est d'environ 9550 × 11 / 1460 ≈ 72 Nm. On vérifie que le couple de démarrage est suffisant en comparant le rapport de couple de démarrage indiqué dans le catalogue du moteur avec le besoin au démarrage communiqué par le constructeur de la machine. Vous trouverez la relation entre couple de démarrage et mode de démarrage dans l'article sur les classes de couple et le couple de démarrage.

Lors du choix de la marge de puissance, l'excès inverse est aussi une erreur. Choisir 15 kW « pour être tranquille » fait fonctionner le moteur en permanence à faible charge ; le rendement et le facteur de puissance baissent, l'armoire électrique et les câbles sont inutilement surdimensionnés.

Classe de rendement : selon les heures de fonctionnement

Le mélangeur fonctionnera en deux postes par jour, soit environ 4000 heures par an. Pour un moteur 4 pôles de 11 kW, les seuils de rendement de la norme IEC 60034-30-1 sont de 91,4 % en IE3, 93,3 % en IE4 et 94,6 % en IE5. Avec un moteur travaillant à environ 8 kW de charge, l'écart entre IE3 et IE4 sur cette durée de fonctionnement représente, en calcul approximatif, 700 à 1000 kWh par an ; il est moins marqué que pour un ventilateur fonctionnant en trois postes. La décision se prend en tenant compte de l'écart de prix et des objectifs énergétiques du site. Les séries triphasées de HEM Motor étant proposées en IE3, IE4 et IE5 sur le même système de carcasses, le choix de la classe de rendement ne modifie pas les cotes mécaniques.

Compatibilité électrique : tension, couplage et démarrage

Le réseau du site est en 400 V. Selon les informations du catalogue, sur un réseau 400 V, les moteurs de 3 kW et moins sont couplés en étoile, et ceux de 4 kW et plus en triangle ; le moteur de 11 kW fonctionnera donc en triangle. Il faut alors regarder l'armoire électrique :

• Si l'armoire est équipée d'un démarreur étoile-triangle, le moteur doit impérativement être bobiné pour fonctionner en triangle sous 400 V, c'est-à-dire porter une plaque 400/690 V. Un moteur bobiné en 230/400 V ne peut pas démarrer correctement avec cette armoire.
• Si un démarreur progressif ou un variateur de fréquence est utilisé, la tension du bobinage doit toujours correspondre au réseau, mais le couplage reste fixe dans la boîte à bornes.

La charge étant lourde au démarrage, le démarrage étoile-triangle doit ici être évalué avec prudence : en étoile, le couple du moteur tombe à environ un tiers et peut ne pas suffire à entraîner la cuve pleine. Dans cet exemple, une méthode permettant de régler le couple de démarrage (démarreur progressif ou variateur) est un choix plus sûr. Pour les détails de raccordement, consultez le schéma de couplage étoile-triangle.

Compatibilité mécanique : forme de montage, carcasse et arbre

Si le moteur est accouplé directement au réducteur, c'est le réducteur qui impose la forme de montage. Un moteur raccordé à la bride d'entrée IEC d'un réducteur hélicoïdal à pattes est généralement à bride B5 ; le moteur n'a pas de pattes propres, son poids est porté par le réducteur. Si le moteur repose sur un socle séparé et est relié par un accouplement, on choisit un moteur à pattes B3. Si les pattes et la bride sont toutes deux nécessaires, on envisage un B35.

Selon les tableaux IEC, un moteur 4 pôles de 11 kW est généralement en carcasse 160 ; le numéro de carcasse indique la hauteur d'axe de l'arbre par rapport à la base, en millimètres. Le diamètre de l'arbre moteur, la clavette et la taille de la bride doivent correspondre exactement à l'alésage d'entrée du réducteur. Cette correspondance se vérifie en comparant côte à côte les plans d'encombrement du réducteur et du moteur ; il ne suffit pas de dire « carcasse 160 B5 ».

Le côté où se trouvera la boîte à bornes se précise également à ce stade. Si le mélangeur est installé près d'un mur, l'entrée de câble ne doit pas être orientée vers le mur.

Environnement : poussière, température et nettoyage

L'usine d'aliments contient de la poussière de farine et de son, le mélangeur se trouve dans un bâtiment fermé et la température du local atteint 35 °C en été. La série triphasée standard est conçue sur la base d'un indice de protection IP55 et d'une température ambiante comprise entre −15 °C et +40 °C ; ces conditions restent dans les limites standard. Deux points doivent néanmoins être notés sur la commande :

• Si la poussière s'accumule entre les ailettes de la carcasse et sur le capot de ventilateur, le refroidissement diminue. Le plan de nettoyage fait partie du choix du moteur.
• Si la température ambiante dépasse 40 °C ou si le site se trouve à plus de 1000 m d'altitude, un déclassement ou une puissance supérieure peut être nécessaire ; cette information doit être fournie avant la commande.

Si une zone à atmosphère explosive a été définie sur le site en raison de poussières combustibles, un moteur standard ne peut pas y être utilisé. Un moteur Ex est un produit certifié distinct, et ce besoin doit être discuté séparément avec l'équipe technique.

La spécification inscrite sur la commande

À l'issue de ces décisions, la ligne de commande ressemble à ceci : 11 kW, 4 pôles (≈1500 tr/min), IE3, 400/690 V (triangle sous 400 V), 50 Hz, bride B5, carcasse 160, IP55, classe d'isolation F, S1, boîte à bornes côté droit ; plan d'encombrement de la bride d'entrée et de l'alésage du réducteur joint. On précise également dans la description que le moteur fonctionnera avec un démarreur progressif ou un variateur et que le démarrage pourra se faire cuve pleine.

Nous avons rassemblé les informations à transmettre impérativement lors d'une demande de devis dans l'article informations à fournir pour une demande de devis, et les exemples de commandes incomplètes fréquemment rencontrés sur le terrain dans l'article points à vérifier lors de l'achat d'un moteur.

Conclusion

Choisir un moteur ne consiste pas à remplir un formulaire, mais à enchaîner des décisions liées entre elles : le couple et la vitesse de la machine déterminent le rapport de réduction, le rapport de réduction le nombre de pôles, les conditions de démarrage la puissance et le mode de démarrage, et l'entrée du réducteur la forme de montage. Si les deux informations en tête de chaîne sont justes, le reste se calcule. Pour les applications avec réducteur, vous pouvez consulter les réducteurs hélicoïdaux à pattes de la série M-HEM et préciser la spécification de votre application avec notre équipe technique.

Questions fréquentes

Comment choisir le moteur si le constructeur de la machine n'indique que les kW ?

Demandez, en plus des kW, la vitesse requise sur l'arbre de la machine ; les deux ensemble donnent le couple. Un moteur acheté uniquement sur la base des kW, sans connaître la vitesse, fera tourner la machine à une mauvaise vitesse si le rapport du réducteur ou des poulies ne correspond pas.

Si la puissance calculée se situe entre deux paliers, lequel choisir ?

On choisit généralement le palier supérieur, en particulier pour les charges à démarrage difficile ou à chocs. En revanche, choisir un moteur nettement plus puissant que la valeur calculée réduit le rendement et le facteur de puissance en raison du fonctionnement à faible charge.

Faut-il choisir un moteur 4 pôles ou 6 pôles ?

Si la machine tourne lentement, les deux options sont possibles avec un réducteur. Le moteur 4 pôles est l'option la plus courante, plus compacte et facile à remplacer ; le moteur 6 pôles, lui, réduit le rapport du réducteur. La décision se prend le plus souvent en fonction des rapports standard du réducteur.

Si le moteur est accouplé à un réducteur, qui détermine la forme de montage ?

C'est le type d'entrée du réducteur. Avec une entrée à bride IEC, le moteur est généralement à bride B5 ou B14 ; la bride et la dimension d'arbre nécessaires se lisent sur le plan d'encombrement du réducteur.