ESSAI DES ROTORS À CAGE D`ÉCUREUIL

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NOTE TECHNIQUE NO. 23
ESSAI DES ROTORS À CAGE D’ÉCUREUIL
Préparé par le Comité des services techniques
INTRODUCTION
Les procédures décrites dans la présente fiche technique
traitent des méthodes et des équipements de base nécessaires
aux essais des rotors à cage d’écureuil. Elles se répartissent en
deux sections : les procédures d’essai lorsque le moteur est
démonté et les procédures d’essai lorsque le moteur est
assemblé.
• du matériel d’imagerie magnétique
• un testeur de perte dite ‘dans le fer’
• un thermomètre ou une caméra à infrarouges
• un ohmmètre à faible résistance doté d’une échelle en
microohms
Une fois le rotor retiré du stator, il faut le nettoyer à fond et
l’inspecter minutieusement.
FABRICATION DU ROTOR À CAGE D’ÉCUREUIL
Presque tous les rotors à cage d’écureuil possèdent des
lames et des bagues d’extrémité en cuivre ou en aluminium. Les
rotors à lames en cuivre (ou en alliage de cuivre) sont
habituellement soudés — c’est-à-dire que les lames et les
bagues d’extrémité du rotor sont assemblées par brasage ou
soudage. Relativement peu de rotors en cuivre sont dotés de
lames coulées.
En revanche, les rotors en aluminium sont habituellement
moulés sous pression — c’est-à-dire que les lames et les
bagues d’extrémité sont formées en une seule et même
opération machine. Les machines plus grosses (dépassant en
général le châssis NEMA) constituent des exceptions, car elles
sont munies de lames d’aluminium ouvré (habituellement
extrudé) soudées aux bagues d’extrémité.
Les procédures présentées ici peuvent servir à détecter les
défauts des rotors à cage d’écureuil en cuivre ou en aluminium
soudés ou moulés.
INSPECTION
Inspectez le rotor avec soin, en recherchant les bagues
d’extrémité fissurées et les bagues d’extrémité disjointes des
tôles (ce qui indique un bris de lame). Dans les sections
fissurées ou cassées, l’écoulement du courant est entravé par
une résistance accrue; prenez soin de noter l’emplacement de
ces défauts sur la fiche de contrôle.
Recherchez des indications de température élevée du rotor
ayant pu faire fondre l’alliage de la cage d’écureuil — par
exemple la présence de particules de métal fondu projetées à
partir des encoches du rotor. Avec les rotors en aluminium coulé,
les traces de métal fondu peuvent signifier que la dimension des
lames du rotor a changé, ce qui diminue l’intensité de courant
admissible. Notez tous les écarts sur la fiche de contrôle.
Ensuite, inspectez attentivement toutes les lames du rotor
afin d’y détecter d’éventuels signes d’échauffement localisé. Si le
rotor a été peint, ces signes prennent souvent l’aspect de taches
noires là où le courant d’arc a traversé la couche de peinture.
Ces marques de brûlure révèlent la présence d’un joint de haute
résistance ou un bris dans la cage du rotor.
Une lame cassée fait parfois en sorte que le courant se
propage par arcs aux lames adjacentes, brûlant au passage une
série de tôles. Dans les cas graves, le courant d’arc peut
traverser en brûlant la partie supérieure de l’encoche et amener
la lame du rotor à frotter contre le noyau du stator.
FIGURE 1 : ROTOR À CAGE D'ÉCUREUIL
TÔLES
LAMES DU
ROTOR
BAGUE
D'EXTRÉMITÉ
ARBRE
INSPECTION ET ESSAI DU ROTOR — MOTEUR DÉMONTÉ
PRÉPARATION
Voici les équipements et matériaux qui peuvent servir à
tester le rotor lorsque le moteur est démonté :
• un détecteur de courts-circuits entre spires de taille adéquate
• de la limaille de fer fine et une feuille de papier
• une lame de scie à métaux ordinaire
ESSAIS ÉLECTRIQUES
Lorsque le moteur est démonté, les essais suivants peuvent
servir à détecter les lames cassées dans les rotors soudés ou
les vides dans les cages de rotor moulées. Dans ces essais,
suivez les mesures de sécurité habituelles relatives à l’outillage
électrique. Pour détecter les points chauds, utilisez un appareil
de mesure et non les mains.
Essai de détection d’un court-circuit entre spires. On
peut effectuer un essai de base pour détecter les défauts du
rotor à l’aide d’un détecteur (figure 2) de taille appropriée. Notez
que le détecteur doit recouvrir au moins le tiers de la surface du
rotor et le tiers de sa longueur. S’il est trop gros, les lignes de
force passeront au-dessus du rotor. S’il est trop petit, le nombre
de lignes de force traversant le rotor sera insuffisant. Dans un
cas comme dans l’autre, les résultats seront faussés.
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Note technique no. 23
Méthode de la limaille de fer. Pour effectuer cet essai,
posez le rotor sur le détecteur et placez un morceau de papier
sur la partie du rotor recouverte par le détecteur. (Remarque : le
papier sert à empêcher la limaille de fer d’adhérer au rotor
durant et après l’essai de détection d’un court-circuit entre
spires. On peut tout aussi bien placer la limaille de fer dans un
sac de plastique refermable.)
Mettez ensuite le détecteur sous tension et répandez sur la
feuille de papier une fine couche de limaille de fer. À mesure que
la feuille de papier se déplace d’une lame à l’autre, la limaille
s’aligne selon le champ magnétique induit par le détecteur dans
chaque lame intacte. À l’endroit où une lame du rotor est
coupée, la limaille ne s’aligne pas normalement.
Marquez toutes les lames défectueuses pour réparation ou
essai plus poussé, et consignez leur emplacement sur la fiche
de contrôle.
FIGURE 2 : LE DÉTECTEUR
FLUX
MAGNÉTIQUE
ROTOR
FER DU
DÉTECTEUR
BOBINE DU
DÉTECTEUR
TENSION
ALTERNATIVE
Méthode de la lame de scie à métaux. L’essai de détection
d’un court-circuit entre spires peut se faire avec une lame de
scie à métaux ordinaire plutôt qu’avec une feuille de papier et de
la limaille de fer. Pendant que le détecteur est alimenté, on
déplace la lame sur les lames à tester. Si la lame vibre, elle est
en bon état; sinon, elle est coupée.
Méthode de l’imagerie magnétique. On peut également
utiliser du matériel d’imagerie magnétique au lieu de la limaille
de fer ou de la lame de scie à métaux. Disponible auprès de
certains fournisseurs de matériel d’enroulement, ce matériel
produit une image des lames du rotor au moment où celui-ci est
alimenté. Même si l’image obtenue persiste une fois le courant
coupé, on peut réutiliser ce matériel, car il produit une nouvelle
image à chaque nouvelle mise sous tension de la machine.
La procédure est la même, quelle que soit la méthode
utilisée. Marquez le point de départ et tournez le rotor de
manière à tester chaque lame. Selon la taille du rotor et la force
du champ magnétique induit par le détecteur, il peut être
nécessaire d’éteindre le détecteur pour faire tourner le rotor.
Détecteur manuel. On peut également détecter les défauts
des rotors à l’aide d’un détecteur manuel qu’on place sur le rotor
de façon à ce qu’il recouvre la lame à tester. Alimentez le
détecteur et testez toutes les lames comme il est décrit plus
haut, en utilisant une feuille de papier et de la limaille de fer, une
lame de scie à métaux ou du matériel d’imagerie magnétique.
Défauts attribuables à l’expansion thermique.
L’expansion thermique provoque parfois une coupure des lames
du rotor à la température de fonctionnement et leur fermeture au
moment du refroidissement. Si ces défauts ne sont pas détectés,
ils peuvent affaiblir le moteur dans des conditions de charge et
affecter son rendement. Les rotors qui sont d’abord soumis à
l’essai de détection d’un court-circuit entre spires doivent être
amenés à la température de fonctionnement avant d’être testés
de nouveau. Pour ce faire, laissez le rotor sur le détecteur
alimenté ou mettez le dans un four.
Essais d’alimentation c. a. de haute intensité. Il existe
deux façons de détecter les défauts des rotors en utilisant un
courant alternatif de haute intensité : la méthode de la limaille de
fer et la méthode des points chauds. Certains testeurs à perte
dite dans le fer possèdent une intensité de courant suffisamment
élevée pour effectuer ces essais.
Méthode de la limaille de fer. Raccordez une source
d’alimentation c. a. de haute intensité à chaque extrémité de
l’arbre du rotor, puis appliquez suffisamment de courant pour
induire un champ magnétique dans le rotor. Déposez une feuille
de papier au sommet d’une lame du rotor et répandez une fine
couche de limaille de fer, selon la méthode décrite dans l’essai
de détection d’un court-circuit entre spires. La limaille de fer
s’alignera sur la lame du rotor, sauf si celle-ci est coupée. Faites
tourner le rotor et répétez la procédure jusqu’à ce que la totalité
de la surface du rotor ait été testée.
Remarquez que cet essai peut également être effectué avec
une lame de scie à métaux ou du matériel d’imagerie
magnétique. Suivez les mêmes procédures que pour l’essai de
détection d’un court-circuit entre spires.
Méthode des points chauds. Pour localiser les points
chauds sur un rotor, connectez un fil d’une génératrice c. a. de
haute intensité à chaque extrémité de l’arbre du rotor et
appliquez une tension. Si les lames ou bagues d’extrémité ne
sont pas coupées, le rotor devrait monter en température
lentement et uniformément. Une lame affaiblie ou coupée se
manifeste habituellement par un point chaud. On peut se servir
d’un thermomètre ou d’une caméra à infrarouges pour repérer
les points chauds (remarque : certains dispositifs à infrarouges
peuvent être affectés par un champ magnétique et produire des
résultats erronés).
Essai de l’ohmmètre à faible résistance. Un ohmmètre à
faible résistance est également utile pour vérifier la continuité du
matériau dans les encoches et détecter des fissures dans les
lames du rotor soudées ou des soufflures (cavités) dans le métal
coulé. Pour réaliser cet essai, mesurez la résistance en
microohms à travers chaque lame, en vous assurant de tester
les deux extrémités de la même lame.
Pour obtenir des résultats fiables, prenez toutes les mesures
à égale distance sur chacune des lames. Pour vous donner un
repère, entourez le rotor à chacune de ses extrémités d’une
bande de ruban de masquage. Un ruban de masquage peut
également servir à repérer les lames défectueuses.
Pour vérifier la présence d’une soufflure ou d’une fissure
dans une bague d’extrémité, vérifiez la résistance de chacune
des bagues en passant d’une lame à l’autre. Pour détecter les
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défauts liés à l’expansion thermique, reprenez l’essai sur le rotor
amené à température de fonctionnement. Chauffez le rotor de la
façon décrite plus haut.
FIGURE 4 : LAMES DE ROTOR
ESSAI DU ROTOR — MOTOR ASSEMBLÉ
L’équipement qui peut servir pour tester les défauts du rotor
lorsque le moteur est assemblé, comprend :
• une alimentation électrique à tension variable
• une pince ampèremétrique
• des voltmètres
• un analyseur de vibrations
Dispositifs spéciaux
• un analyseur de spectre/de transformation de Fourier rapide
• un transformateur de courant
• une bobine détectrice de flux de dispersion
MÉTHODE STATIQUE
Essai de rotor monophasé. On applique le quart de la
tension alternative nominale à deux phases d’un moteur à
induction tout en faisant tourner lentement le rotor à la main. Une
pince ampèremétrique permet de mesurer toute variation de
courant.
Une variation de courant dépassant trois pour cent
(maximum de trois pour cent pour un rotor usagé et de un pour
cent pour un rotor neuf) indique habituellement une lame cassée
et se manifeste chaque fois que cette lame passe sous un pôle
alimenté. Des variations inférieures à un pour cent indiquent que
le rotor est en bon état.
FIGURE 3 : ESSAI DE ROTOR MONOPHASÉ
BASSE TENSION
ALIMENTATION C.A.
AMPÈREMÈTRE
L’équipement requis comprend une alimentation électrique
adéquate et une pince ampèremétrique.
Les données prennent la forme d’observations visuelles de
la variation du courant.
Cet essai est une des méthodes les plus simples, les
moins coûteuses et les plus fiables pour vérifier l’intégrité des
lames d’un rotor. De plus, on peut souvent l’effectuer sur le lieu
de travail.
Ce rotor possède une structure particulière dans laquelle les
lames sont droites mais décalées au milieu du rotor. C’est
l’équivalent d’un hélicoïdal correspondant à une moitié
d’encoche de rotor.
Remarque : Dans un rotor à double cage, une des cages
peut masquer un défaut de l’autre cage. Au lieu de l’hélicoïdal,
certains fabricants utilisent le décalage qui donne l’impression de
deux cages de rotor complètes réunies en leur milieu. L’essai à
l’ampèremètre statique monophasé ne détecte pas toujours une
coupure dans une extrémité du rotor.
MÉTHODES DYNAMIQUES
Les techniques suivantes permettent de détecter des défauts
dans une cage de rotor pendant le fonctionnement du moteur.
Méthode de l’analyseur de vibrations. Un analyseur de
vibrations permet de mesurer les fréquences de vibration d’un
moteur en fonctionnement et aide à déterminer si un problème
est de nature électrique ou mécanique. Une fréquence de
vibration causée par les problèmes électriques, par exemple une
cage de rotor coupée, équivaut habituellement à deux fois la
fréquence du secteur, c’est-à-dire à 7 200 cycles par minute
pour un courant de 60 Hz. Un rotor excentré, un défaut
d’alignement du rotor et du stator (écartement inégal), un noyau
de stator elliptique ou un enroulement coupé ou court-circuité
donnent les mêmes résultats.
Pour déterminer si le problème est de nature électrique ou
mécanique, éteignez le moteur. Si les vibrations cessent lorsque
le moteur est mis hors tension, le problème est probablement de
nature électrique. Un moteur dont une lame de rotor est coupée
tire habituellement plus de courant que la charge nominale et
fonctionne un peu plus lentement que son régime nominal. Il
peut également faire vibrer l’aiguille d’un ampèremètre
analogique. Les vibrations causées par les problèmes
électriques augmentent habituellement avec la charge.
Méthodes spéciales. Les deux méthodes suivantes de
détection de lames de rotor cassées et d’autres défauts du
moteur en marche exigent un équipement spécial et une
formation analytique.
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Bobine détectrice de flux de dispersion. On peut fixer une
bobine circulaire spéciale servant à mesurer le flux de dispersion
à l’extérieur d’un moteur pour surveiller les conditions qui influent
sur ses caractéristiques électriques. La bobine est
habituellement montée de façon concentrique par rapport à
l’arbre, à l’extérieur et à l’extrémité du rotor. La tension ou le
courant en provenance de la bobine est affiché et analysé à
l’aide d’un analyseur de spectre.
Système de surveillance du courant du moteur. Un
système de surveillance du courant du moteur qui détecte les
courants du moteur induits dans les enroulements du stator
fonctionne de façon très semblable au moniteur de flux. Un
transformateur de courant sur la ligne du moteur fournit un signal
qui est affiché et analysé par un analyseur de spectre.
Les résultats fournis par la bobine détectrice de flux de
dispersion et le système de surveillance du courant du moteur
sont analysés et interprétés de la même façon. Les fréquences
révélant des défauts prennent la forme de bandes latérales
supérieures et inférieures correspondant à des harmoniques
particulières de la vitesse du rotor. Pour détecter les lames
cassées, il faut mesurer les changements d’amplitude d’une ou
de plusieurs bandes latérales et les comparer à la composante
de la fréquence de la ligne.
Remarque : Cet article a été publié pour la première fois en juillet
1996.
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