Rotor et stator : les deux parties d'une machine électrique

Toutes les machines électriques tournantes — moteur asynchrone, machine synchrone, alternateur de voiture — sont construites sur le même duo : une partie fixe, le stator, et une partie tournante, le rotor. Comprendre qui fait quoi dans ce duo, c’est comprendre la moitié du fonctionnement de n’importe quel moteur.

Le stator : la partie fixe qui crée le champ

Le mot vient du latin stare, « rester immobile » (comme « statique » ou « station »). Le stator, c’est tout ce qui ne bouge pas :

• La carcasse : l’enveloppe extérieure en fonte ou en aluminium, avec ses ailettes de refroidissement, ses pattes de fixation et la boîte à bornes.
• Le circuit magnétique : un empilage de fines tôles d’acier isolées les unes des autres (on dit « feuilleté »). Pourquoi des tôles et pas un bloc massif ? Pour limiter les courants de Foucault, ces courants parasites induits dans le fer qui le feraient chauffer inutilement.
• Les enroulements : des bobines de fil de cuivre émaillé, logées dans des encoches à l’intérieur du circuit magnétique. C’est ici qu’arrive le courant du réseau.

Dans un moteur asynchrone triphasé, les trois enroulements du stator, décalés de 120°, créent le fameux champ tournant (voir le moteur asynchrone triphasé). Le stator est donc l’inducteur : c’est lui qui impose le champ magnétique et sa vitesse de rotation, la vitesse de synchronisme (détails dans vitesse de synchronisme et paires de pôles).

Le rotor : la partie tournante qui fournit le mouvement

Le rotor (de rotare, « tourner ») est monté sur l’arbre du moteur, guidé par deux roulements logés dans les flasques. Entre rotor et stator : l’entrefer, un espace d’air de quelques dixièmes de millimètre seulement. Plus il est mince, mieux le champ magnétique passe du stator au rotor.

Le rotor, c’est la sortie mécanique de la machine : c’est son arbre qui entraîne la pompe, le ventilateur ou le réducteur. Dans le moteur asynchrone, il est le siège des courants induits par le champ tournant — c’est ce qui crée le couple (le mécanisme complet est dans le moteur asynchrone expliqué simplement).

Pour le moteur asynchrone, il existe deux grandes technologies de rotor.

La cage d’écureuil : simple et incassable

Le rotor à cage équipe l’immense majorité des moteurs asynchrones. Sa partie électrique ressemble vraiment à une cage cylindrique, d’où son nom :

• des barres conductrices (aluminium coulé, parfois cuivre) logées dans les encoches d’un empilage de tôles ;
• deux anneaux de court-circuit aux extrémités, qui relient toutes les barres entre elles.

Pas de fil, pas d’isolant fragile, pas de connexion vers l’extérieur : les courants induits circulent en boucle fermée dans les barres et les anneaux. Conséquences :

• robustesse maximale : rien ne s’use à part les roulements ;
• aucun entretien électrique : pas de balais à changer ;
• coût mini : le rotor est moulé en série.

Petite finesse de construction : les barres sont légèrement inclinées (vrillées) par rapport à l’axe, pour rendre la rotation plus régulière et plus silencieuse.

En contrepartie, une cage ne se règle pas : ses caractéristiques de démarrage sont figées par construction. Pendant longtemps, c’était un vrai défaut ; aujourd’hui le variateur de vitesse le compense entièrement.

Le rotor bobiné : réglable, mais plus fragile

Le rotor bobiné porte, comme le stator, un vrai bobinage triphasé en fil de cuivre. Ses trois extrémités sont reliées à trois bagues en bronze fixées sur l’arbre, sur lesquelles frottent des balais en graphite. On peut ainsi accéder électriquement au rotor pendant qu’il tourne.

À quoi ça sert ? À insérer des résistances extérieures dans le circuit rotorique au démarrage : le courant de démarrage baisse et le couple de démarrage augmente — idéal pour lancer des charges très dures (concasseurs, ponts roulants…). On élimine ensuite les résistances progressivement.

Son prix à payer : bagues et balais s’usent et demandent de l’entretien, la machine coûte plus cher et est moins étanche. Le rotor bobiné a donc presque disparu des installations neuves, remplacé par le duo cage + variateur. Tu le rencontreras surtout sur des machines anciennes encore en service.

Et dans la machine synchrone ?

Le duo stator/rotor existe aussi dans la machine synchrone, mais les rôles électriques changent : le rotor n’attend pas des courants induits, il crée son propre champ grâce à des aimants permanents ou un électroaimant alimenté en courant continu. Résultat : il s’accroche au champ tournant et tourne exactement à la vitesse de synchronisme, sans glissement. Même squelette mécanique, principe différent.

Questions fréquentes

Comment reconnaître un rotor à cage d’un rotor bobiné sans démonter ?

Cherche les bagues et les balais : un moteur à rotor bobiné possède un compartiment supplémentaire (souvent à l’arrière) avec des porte-balais et trois bornes rotoriques (souvent repérées K, L, M). Un moteur à cage n’a que sa boîte à bornes stator à 6 bornes.

Pourquoi l’entrefer est-il si petit ?

L’air est un très mauvais « conducteur » du champ magnétique. Plus l’entrefer est grand, plus il faut de courant magnétisant pour faire passer le champ du stator au rotor, et plus le cos φ et le rendement se dégradent. On le réduit donc au minimum mécaniquement possible.

Le stator est-il toujours l’inducteur ?

Dans le moteur asynchrone et la plupart des machines synchrones industrielles, oui côté champ tournant. Mais dans l’alternateur de voiture, par exemple, c’est le rotor qui est l’électroaimant inducteur et le stator qui fournit le courant induit. Le duo stator/rotor est universel, la répartition des rôles dépend de la machine.

Qu’est-ce qui s’use en premier dans un moteur à cage ?

Les roulements, presque toujours. Le rotor et le stator eux-mêmes sont quasi inusables tant que le moteur ne surchauffe pas — une surchauffe détruit le vernis isolant des bobinages (voir moteur qui chauffe).