Causes électriques de la vibration d'un moteur électrique : comment les séparer de la mécanique

Le moteur gronde, une raie que le spectre ne devrait pas avoir est bien là, et on vous propose d'équilibrer le rotor. Parfois, c'est la bonne décision. Et parfois, vous y passerez une équipe pour obtenir le même niveau, parce que la vibration venait d'un entrefer irrégulier ou d'une barre de cage fissurée. On peut distinguer l'un de l'autre en un seul arrêt concerté. Voici les méthodes, les fréquences et les chiffres qui permettent de le faire directement sur site.

Mis à jour le 27 août 2026 · par AXILINE · Vila Nova de Gaia

D'où vient, chez un moteur, une vibration indifférente à la vitesse de rotation

La force par laquelle le stator attire le rotor est proportionnelle au carré de l'induction magnétique dans l'entrefer. Élevez au carré une sinusoïde à 50 Hz, vous obtenez une composante constante plus une pulsation à 100 Hz. Sur un réseau à 60 Hz, ce serait 120 Hz. Cette pulsation existe sur tout moteur en bon état, seule son ampleur varie.

Sur une machine symétrique, les forces réparties sur la circonférence de l'entrefer s'équilibrent entre elles, et presque rien ne sort à l'extérieur. Rompez la symétrie, et il reste une force non compensée, qui tire le rotor d'un côté cent fois par seconde. Trois familles de causes rompent la symétrie : la géométrie (entrefer irrégulier, stator décentré, rotor voilé), le circuit magnétique (paquet de tôles du stator desserré, barre de cage rompue, spires en court-circuit) et l'alimentation (déséquilibre entre phases, contact brûlé, coupure sur une phase).

Retenez la propriété principale de cette vibration : sa fréquence est fixée par le réseau, pas par l'arbre. Chargez le moteur, la vitesse de rotation baisse, mais la raie à 100 Hz reste exactement à sa place. Tout le reste du diagnostic repose là-dessus.

D'où deux pièges dans lesquels on tombe régulièrement. Le premier : un moteur bipolaire à 2960 tr/min donne une 1x = 49,3 Hz et une 2x = 98,7 Hz, alors que le réseau donne 100 Hz. L'écart de 1,3 Hz fait que, avec des réglages de mesure courants, ces raies se confondent en une seule. Le second : la force à 100 Hz elle-même peut être normale, et c'est une résonance du châssis ou de la patte qui la rend élevée. Vous chercherez alors un défaut d'enroulement là où il faut en réalité renforcer la structure.

• La composante électrique se tient à une fréquence multiple de la fréquence d'alimentation : 100 Hz et 50 Hz sur un réseau à 50 Hz. Elle ne se déplace pas avec la vitesse de rotation.
• La composante mécanique est liée à l'arbre : 1x, 2x, fréquence de passage des aubes, fréquences de roulement. La vitesse change, et toute l'image glisse en fréquence.
• La composante électrique augmente généralement avec la charge, parce que le courant et le champ augmentent.
• Le balourd est indifférent à la charge : la masse du rotor n'en change pas.
• La composante électrique disparaît à l'instant même où le contacteur s'ouvre. La composante mécanique perdure tant que l'arbre tourne.

Une raie élevée à 100 Hz n'est pas en soi une condamnation de l'enroulement. Elle dit seulement une chose : l'excitation est d'origine électromagnétique. La réponse de la structure à cette force peut être fortement amplifiée par une résonance du châssis ou par une patte molle, et dans ce cas la réparation du moteur ne donnera rien. Avant d'envoyer la machine à l'atelier électrique, sondez le châssis au marteau et vérifiez le serrage des pattes. Nous avons un article séparé sur la résonance et le test au choc (bump test).

Le test en roue libre : un seul arrêt au lieu de trois hypothèses

C'est la méthode de diagnostic la moins coûteuse et la plus convaincante. Vous coupez l'alimentation et observez ce qui arrive à la composante suspecte dans les premières secondes. La force électromagnétique disparaît avec le courant, en une fraction de seconde. La composante mécanique décroît progressivement, parce que l'arbre continue de tourner et perd de la vitesse peu à peu.

Condition essentielle : il faut enregistrer sans interruption à travers le moment de la coupure. Deux spectres séparés, avant et après, ne tranchent pas la question, car vous ne verrez pas comment la raie a exactement disparu.

1. 01

   Faites accepter l'arrêt

   Un arrêt non planifié est un risque pour le process et un démarrage supplémentaire pour le moteur. Obtenez l'autorisation de l'exploitant, convenez de qui appuie sur le bouton, assurez-vous que la machine redémarrera ensuite. Les grosses machines ont une limite au nombre de démarrages par heure, et elle s'applique aussi à votre test.

2. 02

   Installez la mesure et n'y touchez plus

   Capteur sur le palier du moteur, monté rigidement, sur une surface propre et plane, le plus près possible du roulement. Pointez le capteur laser de phase (le repérage angulaire de la vibration par rapport au tour de l'arbre) sur la marque réfléchissante, pour voir la vitesse de rotation au même instant. Ne changez ni le point ni la direction jusqu'à la fin du test.

3. 03

   Relevez la référence en régime de service

   Vitesse de rotation stabilisée, charge nominale, machine chaude. Un spectre avec une résolution telle que 100 Hz et 2x forment des raies séparées, plus un enregistrement du signal temporel. Fixez la vitesse réelle au tachymètre, vous en aurez besoin pour calculer le glissement.

4. 04

   Coupez l'alimentation et continuez d'enregistrer

   Démarrez l'enregistrement quelques secondes avant la coupure et ne l'arrêtez pas avant l'immobilisation complète de l'arbre. Si l'appareil enregistre des spectres par séries, réglez le temps d'accumulation au minimum, sinon le moment de la coupure sera dilué par le moyennage.

5. 05

   Dépouillez l'enregistrement

   La composante qui s'interrompt en une fraction de seconde après l'ouverture du contacteur est électrique. La composante qui glisse progressivement vers le bas en fréquence avec la vitesse est mécanique. Regardez à la fois le spectre et la forme du signal : sur l'oscillogramme, le moment de la coupure se voit généralement à l'œil, par un changement net du caractère des oscillations.

6. 06

   Si l'arrêt est impossible, changez la charge

   Relevez des spectres à deux ou trois régimes de charge, à des vitesses proches. Les composantes électromagnétiques augmentent généralement avec le courant, le balourd est indifférent à la charge. La conclusion est plus faible que celle du test en roue libre, mais aucun arrêt n'est nécessaire, et il n'y a aucun risque.

Un variateur de fréquence peut fausser ce test si l'on ne surveille pas le mode d'arrêt. La commande « stop » de la plupart des variateurs déclenche un freinage contrôlé : le moteur reste sous courant, seule la fréquence de sortie baisse. La composante électromagnétique ne disparaît alors nulle part, elle glisse simplement vers le bas avec la fréquence, et vous obtenez une fausse conclusion « mécanique ». Le test exige un mode de ralentissement libre (coast to stop) ou une coupure du circuit en sortie du variateur.

Bandes latérales et fréquence de glissement : calculez avant de chercher

Le rotor d'un moteur asynchrone est toujours en retard sur le champ tournant du stator. Cet écart, c'est le glissement, et il engendre un second ensemble de signes, bien plus informatif qu'une simple raie isolée à 100 Hz.

Calculez avec des chiffres concrets. Un moteur tétrapolaire sur un réseau à 50 Hz a une vitesse synchrone de 1500 tr/min. Le tachymètre indique 1480 tr/min, donc la fréquence de rotation f_rot = 24,67 Hz, le glissement s = 20/1500 = 0,0133, la fréquence de glissement f_s = s · 50 = 0,67 Hz. La fréquence de passage des pôles F_p = f_s · P = 0,67 · 4 = 2,67 Hz, où P est le nombre de pôles. C'est exactement avec ce pas que se positionnent les bandes latérales autour de la 1x en cas de défaut de la cage rotorique.

Autrement dit, il ne faut pas chercher « quelque chose autour de 24,7 Hz », mais des raies précises à 22,0 et 27,3 Hz. L'écart entre elles et la 1x n'est que de 2,67 Hz, et c'est justement là que les réglages de mesure habituels font défaut.

La résolution du spectre est égale à la Fmax (borne supérieure du spectre) divisée par le nombre de lignes, et le temps d'accumulation d'un enregistrement est égal à l'inverse de la résolution. Une Fmax de 1000 Hz sur 400 lignes donne 2,5 Hz par ligne : les bandes ne peuvent physiquement pas se séparer, vous verrez une seule bosse large. Une Fmax de 200 Hz sur 1600 lignes donne 0,125 Hz et demande 8 secondes d'accumulation. Avec de tels réglages, les bandes sont visibles. Nous avons un article séparé sur le choix de la Fmax, du nombre de lignes et des fenêtres.

La seconde exigence est la plage dynamique : la capacité de la mesure à montrer des raies faibles à côté de raies fortes. Les bandes latérales dues à une barre fissurée se situent 30 à 50 dB en dessous de la 1x, si bien que le moyennage sur plusieurs enregistrements n'est pas un luxe mais une condition pour les extraire du bruit. Sur un moteur peu chargé, le glissement est faible, les bandes se plaquent contre la 1x, et il devient encore plus difficile de les séparer. La conclusion est simple : relevez le spectre en charge de service, pas à vide.

• Bandes autour de la 1x, espacées de F_p : rupture ou fissure d'une barre de cage, défaut d'un anneau de court-circuit, portée desserrée des barres.
• Bandes autour de 100 Hz, espacées de F_p : excentricité dynamique, c'est-à-dire un entrefer qui varie au fil de la rotation du rotor.
• Bandes autour de la fréquence d'encoches du rotor (nombre de barres multiplié par f_rot), espacées de 100 Hz : les mêmes défauts de cage, mais le signe se situe dans la zone du kilohertz, et une mesure de vitesse vibratoire dans la bande 10–1000 Hz ne le voit tout simplement pas.
• Bandes autour de la fréquence d'encoches du stator (nombre d'encoches multiplié par f_rot), espacées de 100 Hz : desserrage du paquet de tôles du stator, entrefer irrégulier.
• Modulation de la 1x elle-même, à cause de laquelle l'amplitude et la phase flottent avec une période 1/F_p (dans notre exemple, 0,37 s) : encore la cage rotorique ou l'excentricité dynamique. Équilibrer dans cet état n'a aucun sens, les relevés ne se répètent pas.

Sources : ISO 13373-3:2015

Fréquence et signe, cause électrique probable, comment vérifier

Le tableau donne des hypothèses, pas un diagnostic. On ne choisit pas une réparation sur la seule raie à 100 Hz : elle a au moins quatre origines différentes, chacune demandant sa propre confirmation indépendante. La règle de travail est la suivante : d'abord le test en roue libre, pour séparer l'électrique du mécanique, ensuite le courant et la température, pour resserrer le champ des possibles, et seulement après, le démontage.

Six défauts électriques, un par un

Le variateur de fréquence : ce qu'il ajoute et ce qu'il perturbe dans le diagnostic

Le variateur change les règles de calcul. Pour le moteur, la fréquence d'alimentation n'est plus 50 Hz, mais la fréquence de sortie du variateur, et la pulsation électromagnétique se tient à son double. Le variateur fonctionne à 35 Hz, cherchez la raie à 70 Hz, pas à 100 Hz. Calculez aussi le glissement et la fréquence de passage des pôles à partir de la fréquence de sortie, sinon les bandes latérales ne seront pas là où vous les attendez.

La raie à 100 Hz peut néanmoins rester en place : la pulsation du bus continu vient du réseau et se propage dans la tension de sortie. Sur une machine sous variateur, vous verrez donc les deux raies à la fois, et il ne faut pas les confondre.

La fréquence porteuse de la MLI (modulation de largeur d'impulsion, avec laquelle le variateur forme la tension de sortie) se situe généralement entre 2 et 16 kHz. Elle donne un bruit de magnétostriction et une vibration à la porteuse elle-même, à ses multiples et à ses bandes latérales espacées de la fréquence de sortie. Une mesure classique de vitesse vibratoire dans la bande 10–1000 Hz ne l'atteint pas, et c'est normal : vous entendrez la porteuse comme un sifflement caractéristique avant de la voir dans le spectre. Elle se corrige par les paramètres du variateur et par un filtre de sortie, pas par des masses sur le rotor.

Sujet à part : les courants de palier. Le variateur induit une tension sur l'arbre, elle se décharge à travers le roulement, des décharges en étincelles rongent les pistes, et des cannelures apparaissent. Le calcul de durée de vie d'un roulement selon l'ISO 281 se fonde sur la charge, la géométrie et la lubrification, et l'électroérosion n'entre absolument pas dans ce modèle. C'est pourquoi un roulement censé, d'après le calcul, tenir des années, tombe en panne en une saison sur une machine sous variateur sans bague de terre. La protection est constructive : roulement isolé, bague de mise à la terre sur l'arbre, câble blindé avec une mise à la terre correcte.

• Avantage : avec un variateur, vous changez la vitesse de rotation progressivement et vérifiez honnêtement la résonance sans toucher à la mécanique.
• Avantage : vous amenez la machine à la vitesse de rotation voulue pour la mesure et la maintenez stable d'un démarrage à l'autre, or une vitesse stable est la condition d'une mesure de phase reproductible.
• Inconvénient : la plage de consignes inclut presque certainement des vitesses où la fréquence de rotation ou la fréquence de passage des aubes tombe en résonance. La machine sera calme à 42 Hz et se mettra à trembler à 47 Hz, et l'équilibrage n'y changera rien.
• Inconvénient : tant que vous n'avez pas déterminé le mode d'arrêt, le test en roue libre ne prouve rien.
• Inconvénient : sans bague de mise à la terre, vous obtiendrez un défaut de roulement qui ressemble à une usure ordinaire, mais qui se reproduira aussi sur un roulement neuf.

Sources : ISO 281:2007

Courant et température : deux confirmations sans démontage

La vibration dit que la symétrie est rompue. Où exactement, la vibration ne le dit pas. Deux mesures indépendantes comblent cet écart, et toutes deux se font sur la machine en fonctionnement.

Le spectre du courant est, au fond, une méthode économique de diagnostic électrique du moteur. Placez une pince ampèremétrique sur une phase, reliée à un analyseur, et relevez un spectre avec la même haute résolution que pour la vibration. En cas de défaut de la cage rotorique, des bandes apparaissent autour de la fréquence d'alimentation à f_réseau · (1 ± 2s). Dans notre exemple avec un glissement de 0,0133, on obtient 2s · f = 1,33 Hz, donc des bandes à 48,67 et 51,33 Hz. On évalue en dB la profondeur des bandes par rapport à la raie principale. À titre indicatif : plus de 50 dB est considéré comme normal, 40–45 dB comme suspect, moins de 40 dB comme une rupture probable. Les seuils varient selon les méthodologies, traitez donc ce chiffre comme un motif de vérification, pas comme un verdict.

La thermographie répond à d'autres questions. Elle repère instantanément un contact faible dans la boîte à bornes et sur les cosses de câble, montre un déséquilibre d'échauffement entre les phases du démarreur, détecte une surchauffe locale du carter au-dessus d'un court-circuit entre spires et une surchauffe du palier. Sa limite est honnête : la caméra thermique voit la surface, alors que la cage rotorique est cachée à l'intérieur de la machine et refroidie par le flux d'air. Prenez la thermographie après un fonctionnement en charge, pas une minute après le démarrage, et comparez avec des images antérieures du même moteur dans le même régime.

• Tensions et courants de phase aux bornes, déséquilibre calculé en pourcentage, pas estimé à l'œil.
• Spectre du courant avec une résolution d'au moins 0,1 Hz, bandes à f_réseau · (1 ± 2s) trouvées ou clairement absentes.
• Thermographie de la boîte à bornes, du démarreur et des cosses de câble.
• Thermographie du carter du stator et des deux paliers après un fonctionnement en charge.
• Résistance d'isolement et résistance des enroulements par phase, si 100 Hz a augmenté sans cause géométrique évidente.
• Vitesse de rotation réelle relevée au tachymètre, pas prise sur la plaque signalétique. Tout le calcul de glissement repose sur ce chiffre, et une erreur de 5 tr/min décale les bandes là où on ne les trouve plus.

Le Balanset-1A mesure la vibration, la vitesse de rotation et la phase, affiche le niveau global et la 1x, construit le spectre et le signal temporel sur deux voies, tient un historique des mesures et des rapports. Il ne mesure ni le courant, ni la résistance d'isolement, ni la température, et ne prétend pas le faire. La vibration montre que la cause est électrique ; laquelle exactement se détermine à la pince ampèremétrique, à la caméra thermique et au mégohmmètre, avec un électricien.

Sources : Manuel d’utilisation Balanset-1A

Pourquoi l'équilibrage ne corrige pas l'électrique, et comment finit une tentative

L'équilibrage n'agit que sur une masse, et seulement à la fréquence de rotation. L'appareil pose une masse d'essai, observe comment l'amplitude et la phase de la 1x ont changé, et en tire un coefficient d'influence, c'est-à-dire la réaction du système concret « rotor, paliers, socle » à une masse ajoutée connue. Il résout ensuite le problème inverse et donne une masse et un angle de correction.

La raie à 100 Hz n'entre absolument pas dans ce schéma. Elle n'est pas sur la 1x, elle n'est pas multiple de la vitesse de rotation, sa source n'est même pas une masse. Quelle que soit la masse posée, rien ne change dans l'entrefer. L'appareil réduira honnêtement la 1x jusqu'à la valeur cible fixée et affichera « dans la tolérance », mais le niveau global — en mm/s RMS (valeur efficace) dans la bande 10–1000 Hz — restera presque identique, parce que la contribution principale venait de la raie à 100 Hz. Le client verra le même chiffre qu'avant et demandera, à juste titre, ce qu'il a payé.

Pire encore, quand la 1x est réellement élevée, mais gonflée par une excentricité dynamique ou un défaut de cage. L'amplitude et la phase de la 1x flottent alors avec une période 1/F_p, un peu plus d'un tiers de seconde dans notre exemple, et dérivent plus lentement avec la charge et la température. La mesure ne se répète pas d'un démarrage à l'autre. Le coefficient d'influence calculé à partir d'une telle mesure n'est pas valable : il décrit non pas le système, mais l'instant fortuit où vous avez appuyé sur le bouton.

• L'appareil donnera une masse qui se posera à un angle en pratique arbitraire. La vibration a environ autant de chances d'augmenter que de diminuer.
• Vous ajouterez un vrai balourd mécanique pour compenser une force électromagnétique. Cette force dépend de la charge, la masse non. À un autre régime, la machine tremblera plus fort qu'à votre arrivée.
• Vous perdrez une équipe de travail et trois ou quatre démarrages supplémentaires sur un moteur qui a peut-être déjà une fissure dans la cage. Chaque démarrage est un choc thermique de plus sur cette même fissure.
• Vous perdrez du temps. Une rupture de barre et un court-circuit entre spires ne restent pas immobiles, ils évoluent, et le coût de la réparation augmente avec eux.
• Un rapport avec la mention « dans la tolérance » créera l'impression fausse que la machine est réglée, et la personne suivante repartira de zéro dans un mois.

Il existe aussi le biais inverse, qu'on oublie. Un défaut électrique et un balourd cohabitent tranquillement, en particulier sur un moteur à demi-accouplement ou à poulie. En trouvant du 100 Hz, ne jetez pas l'hypothèse du balourd : éliminez d'abord la cause électrique, remesurez ensuite, et décidez alors seulement si un équilibrage est nécessaire. Choisissez la norme de balourd résiduel selon la classe G de la partie applicable de l'ISO 21940, et évaluez l'état de la machine selon la vibration globale et les zones de l'ISO 20816, en vérifiant la partie applicable et l'édition pour votre machine.

Sources : ISO 21940-11:2016 · ISO 20816-1:2016

À qui confier la tâche, et ce que nous apportons

Les appareils Balanset sont conçus et fabriqués par des ingénieurs qui partent eux-mêmes équilibrer avec eux. D'où le cadre pratique de cet article : prouvez d'abord que la vibration vient d'un balourd, et seulement ensuite posez des masses. Le Balanset-1A donne tout le nécessaire pour cette preuve : deux voies sur les paliers, un capteur laser de phase par marque réfléchissante, l'amplitude et la phase de la 1x, la vitesse de rotation, le spectre et le signal temporel, un historique des mesures et un rapport où figurent les chiffres avant et après.

Si la 1x se confirme, le même appareil vous permet de l'éliminer : équilibrage en un ou deux plans par la méthode des coefficients d'influence, positions fixes au lieu d'un rapporteur, calcul de perçage, report des masses sur d'autres plans, coefficients d'influence sauvegardés pour un équilibrage de finition rapide lors de la prochaine maintenance. Il existe une version Balanset-1A OEM sans mallette, pour intégration dans des machines-outils et des bancs d'essai. Si la 1x ne se confirme pas, vous avez économisé une équipe de travail et plusieurs démarrages, et c'est aussi un résultat.

AXILINE se déplace sur site avec cet équipement : mesure, séparation de la vibration en composantes, recherche de la cause, équilibrage sur place dans les paliers propres de la machine, rapport avec les chiffres. Si le tableau part vers l'électrique, nous le disons franchement et transmettons la tâche à un électricien, plutôt que de poser des masses sur le rotor. Sur l'appareil lui-même, nous offrons un accompagnement-conseil : réglages de mesure et interprétation du spectre.

• À la mécanique : la raie à 100 Hz est amplifiée par une résonance du châssis, il y a une patte molle ou affaissée, le bâti est déformé, un roulement est détérioré et a fait dériver l'entrefer. C'est un réglage et un serrage, souvent sur place et le jour même.
• À l'électricien sur site : déséquilibre des courants et tensions de phase, contact faible dans la boîte à bornes ou le démarreur, questions sur les paramètres du variateur, absence de bague de terre sur l'arbre. Le groupe de causes le moins coûteux, il est raisonnable de commencer par lui.
• À l'atelier électrique : rupture d'une barre de cage, court-circuit entre spires, desserrage du paquet de tôles du stator, excentricité statique due à des portées usées. C'est un démontage, pas un réglage, et cela se règle par un arrêt et un remplacement ou une réparation du moteur.
• Au diagnosticien vibratoire : les signes se contredisent, l'arrêt ne peut pas être accepté, il faut un spectre haute résolution et un enregistrement correct de la roue libre, ou bien une 1x élevée subsiste après l'élimination de la cause électrique et il faut l'éliminer.

Sources : Spécifications fabricant Balanset-1A

Questions fréquentes

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