Modes de refroidissement des moteurs électriques : IC411, IC416, IC410 et influence du lieu d'installation

Un moteur de 22 kW fonctionnant à pleine charge absorbe plus de 22 kW sur le réseau. En classe IE3, pour un 4 pôles de cette puissance, le rendement minimal est de 93,0 % ; le moteur absorbe donc environ 23,7 kW et transforme la différence de 1,66 kW en chaleur. C'est comme si un petit radiateur électrique fonctionnait en permanence à l'intérieur de la carcasse. Si cette chaleur ne peut pas être transférée du bobinage, du rotor et des tôles vers la carcasse, puis de là vers l'air, la température monte et la durée de vie de l'isolation diminue.

Le mode de refroidissement décrit la façon dont cette chaleur est évacuée. Le code IC du catalogue en donne une forme abrégée. Mais le code seul ne suffit pas : c'est l'endroit où le moteur est installé qui détermine si le refroidissement fonctionnera aussi bien que sur le papier.

D'où vient la chaleur et où va-t-elle ?

Dans un moteur asynchrone, l'essentiel des pertes provient des pertes cuivre du bobinage statorique, des pertes dans la cage rotorique et des pertes fer dans les tôles. Le frottement des roulements et le ventilateur lui-même en représentent une petite part. Dans un moteur à carcasse fermée, le chemin suivi par cette chaleur est le suivant : le bobinage et les tôles transmettent la chaleur à la carcasse, les ailettes de la surface extérieure la cèdent à l'air, et le ventilateur arrière fait circuler en permanence de l'air entre ces ailettes.

Plus la classe de rendement est élevée, moins il y a de chaleur à évacuer. Sur le même moteur 4 pôles de 22 kW, le seuil IE4 est de 94,5 % et les pertes tombent à environ 1,28 kW. En IE5, avec 95,5 %, elles descendent à environ 1,04 kW. Cet écart soulage le système de refroidissement, sans le rendre superflu. Le calcul énergétique des classes de rendement est traité dans la comparaison d'investissement IE3 ou IE4.

Comment lire le code IC ?

Les chiffres qui suivent les lettres IC indiquent comment l'air circule sur le moteur et ce qui assure ce mouvement. Voici les trois codes les plus courants sur le terrain :

• IC411 : Carcasse fermée, ailettes extérieures, ventilateur en bout d'arbre arrière. L'air, guidé par le capot du ventilateur, s'écoule le long des ailettes. Comme le ventilateur tourne avec le moteur, le refroidissement dépend de la vitesse. C'est le mode de refroidissement standard des séries triphasées HEM Motor.
• IC416 : La construction de la carcasse est identique, mais le ventilateur est entraîné par un petit moteur séparé. Le débit d'air est indépendant de la vitesse du moteur principal.
• IC410 : Pas de ventilateur. La carcasse se refroidit par convection naturelle ou par le flux d'air créé par l'équipement entraîné. Cette construction est utilisée par exemple sur certains moteurs de ventilateurs axiaux placés dans le flux d'air.

Le code compte comme ligne de commande parce que la puissance nominale du moteur est donnée pour une hypothèse de refroidissement précise. La puissance du catalogue est définie, pour l'IC411, pour une température ambiante de 40 °C maximum, une altitude de 1000 m maximum et un montage où le ventilateur peut aspirer librement l'air.

Comment le lieu d'installation dégrade-t-il le refroidissement ?

Dans la plupart des cas de surchauffe que nous rencontrons sur le terrain, le code de refroidissement du moteur est correct, mais le moteur a été placé là où il ne peut pas prendre l'air. Exemples fréquents :

• Capot de ventilateur contre un mur : Pour le loger dans le châssis de la machine, le moteur est placé côté ventilateur presque au contact d'un panneau en tôle. Au lieu d'aspirer de l'air, le ventilateur brasse son propre air chaud. Il faut laisser derrière le capot du ventilateur l'espace indiqué dans la notice de montage.
• Cabine fermée : Pour réduire le bruit, le moteur est enfermé dans une cabine, mais celle-ci n'est pas ventilée. En quelques heures, l'air de la cabine monte à 50–55 °C. Le moteur ne fonctionne plus dans une ambiance de 40 °C, mais dans la chaleur qu'il produit lui-même.
• Poussière et fibres sur les ailettes : Dans les moulins, le textile, le travail du bois ou les usines d'aliments pour animaux, les espaces entre ailettes se remplissent et la surface se couvre d'une couche isolante. Le courant ne change pas, mais la température du bobinage augmente.
• Soleil direct : Une carcasse installée sur un toit ou en plein air, surtout de couleur foncée, est nettement plus chaude que l'air ambiant à midi en été.
• Proximité d'une source d'air chaud : Si la bouche d'un four, la sortie d'un compresseur ou l'air rejeté par un autre moteur est dirigé vers l'aspiration du ventilateur, la température ambiante réelle est plus élevée.

Aucune de ces situations n'apparaît sur la plaque signalétique du moteur. Le relais thermique ne remarque souvent rien non plus, car le courant est normal. Si vous souhaitez mesurer la température à l'intérieur du bobinage, une sonde PTC ou PT100 optionnelle doit être précisée à la commande.

Au-delà de 40 °C et 1000 m

Les valeurs nominales du catalogue sont valables pour une température ambiante comprise entre −15 °C et +40 °C et une altitude jusqu'à 1000 m. Avec l'altitude, l'air se raréfie et le même ventilateur évacue moins de chaleur. Lorsque la température ambiante dépasse 40 °C, l'écart de température entre l'air et le bobinage diminue. Dans les deux cas, il existe deux options : charger le moteur en dessous de sa puissance nominale ou choisir un moteur de puissance supérieure. La bonne solution dépend du profil de charge. Les ambiances supérieures à 40 °C doivent être signalées avant la commande. Le rôle de la classe d'isolation et du matériau de carcasse en ambiance chaude et poussiéreuse est expliqué dans l'article sur le choix d'un moteur pour ambiance chaude et poussiéreuse.

Quand une ventilation forcée est-elle nécessaire ?

Sur un moteur IC411, le ventilateur tourne à la même vitesse que le moteur. Pour un moteur alimenté directement par le réseau, ce n'est pas un problème. Mais si la vitesse est longtemps réduite par un variateur de fréquence alors que le couple de charge reste constant, le courant reste lui aussi presque identique ; en revanche, l'air déplacé par le ventilateur diminue nettement. Le convoyeur, l'extrudeuse et la pompe volumétrique en sont des exemples typiques. Dans une telle application, un ventilateur à alimentation séparée, c'est-à-dire une construction IC416, peut être nécessaire ; cette option doit être demandée à la commande. Sur les pompes centrifuges et les ventilateurs, en revanche, le couple chute rapidement avec la vitesse et le problème ne se pose généralement pas. Cette distinction selon le type de charge est détaillée dans la comparaison couple constant / couple variable, et le choix du code de refroidissement à bas régime dans l'article sur les codes de refroidissement IC411 et IC416.

Un contrôle rapide avant le montage

1. Un panneau ou un mur gêne-t-il la circulation de l'air derrière le capot du ventilateur et autour des ailettes ?
2. Si le moteur est dans une cabine, l'entrée et la sortie d'air de la cabine ont-elles été prévues ?
3. L'air aspiré provient-il d'une autre source de chaleur ?
4. La température ambiante dépasse-t-elle 40 °C en été, ou l'altitude 1000 m ?
5. L'ambiance contient-elle de la poussière ou des fibres susceptibles de colmater les ailettes ? Si oui, la fréquence de nettoyage figure-t-elle dans le plan de maintenance ?
6. Le moteur fonctionnera-t-il sur variateur, à couple constant et longtemps à bas régime ?

En montage vertical, en particulier arbre vers le bas et ventilateur vers le haut, des débris ou de l'eau tombant sur le capot du ventilateur peuvent aussi obstruer l'entrée d'air. Ces situations doivent être traitées avec la forme de montage.

Conclusion

Pour choisir un mode de refroidissement, la question à se poser est moins « quel code IC ? » que « où ira, à cet endroit, la chaleur produite par ce moteur ? ». La construction standard IC411 couvre un large éventail d'applications tant qu'elle trouve de l'air devant et derrière elle. Les conditions comme la cabine, le soleil, la poussière et le bas régime sont en revanche à discuter avant la commande. Pour les ambiances sévères, on peut envisager les moteurs électriques à carcasse en fonte. Si vous nous communiquez votre lieu d'installation et vos conditions de fonctionnement, nous pourrons définir ensemble la construction adaptée.

Questions fréquentes

Un moteur dont la carcasse est trop chaude pour être touchée est-il défectueux ?

Pas toujours. La carcasse d'un moteur à pleine charge peut facilement atteindre 60–70 °C, valeur inférieure à la température du bobinage. Pour juger, comparez avec vos mesures précédentes à charge identique ; en cas d'augmentation nette, contrôlez les ailettes, le capot du ventilateur et la charge.

Retirer le capot du ventilateur et faire tourner le moteur à découvert améliore-t-il le refroidissement ?

Non, cela le réduit. Le capot du ventilateur dirige l'air entre les ailettes ; sans capot, l'air se disperse et n'atteint pas la majeure partie de la carcasse. De plus, un ventilateur tournant à découvert représente un risque sérieux pour la sécurité au travail.

Que faire pour un moteur placé dans une cabine fermée ?

Il faut prévoir pour la cabine une entrée et une sortie d'air qui évacuent l'air chaud, et faire en sorte que l'air aspiré par le moteur provienne de l'extérieur de la cabine. Si ce n'est pas possible, il faut mesurer la température réelle dans la cabine et choisir le moteur en conséquence, avec déclassement ou une puissance au-dessus.

Un moteur IC410 sans ventilateur peut-il être utilisé partout ?

Non. Un moteur sans ventilateur est conçu pour tirer le refroidissement nécessaire d'un flux d'air extérieur. Sans ce flux d'air, il ne peut pas fournir en continu la puissance d'un moteur ventilé de même carcasse.