Types de moteurs électriques : AC-DC, asynchrone-synchrone et lequel pour quelle application ?

En regardant à l'intérieur d'une machine CNC, on peut voir trois familles de moteurs différentes sur une seule machine : un simple moteur asynchrone triphasé qui entraîne le convoyeur à copeaux, des servomoteurs qui positionnent les axes avec une précision inférieure au millimètre, et un petit moteur qui fait tourner la pompe de liquide de refroidissement. Tous convertissent l'énergie électrique en mouvement de rotation, mais ils ne sont pas interchangeables. Connaître les différences entre les types de moteurs électriques permet de transformer la question « quel est le meilleur moteur ? » en « quelle famille pour cette application ? ».

Première distinction : courant alternatif ou courant continu ?

Les moteurs se distinguent d'abord par le courant qui les alimente.

• Les moteurs DC fonctionnent en courant continu. Leur vitesse se réglant facilement par la tension, ils ont longtemps été utilisés dans les entraînements à vitesse variable, les ponts roulants et les laminoirs. Dans les modèles à balais, le collecteur et les balais s'usent et demandent un entretien régulier. Aujourd'hui, dans l'industrie, ils ont largement cédé la place aux moteurs AC pilotés par variateur de fréquence ; ils restent en revanche répandus dans les véhicules à batterie, les chariots élévateurs et les petits appareils.
• Les moteurs AC peuvent fonctionner directement sur le courant alternatif du réseau. Comme ils ne nécessitent ni balais ni collecteur, la grande majorité des moteurs industriels appartient à ce groupe.

Parmi les moteurs AC : asynchrone et synchrone

La question qui distingue réellement les moteurs à courant alternatif est de savoir si le rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique tournant.

Moteur asynchrone (à induction)

Le champ tournant produit par le stator induit un courant dans le rotor et l'entraîne à sa suite. Le rotor tourne légèrement en retard sur ce champ ; cet écart s'appelle le glissement. Selon la construction du rotor, il en existe deux types :

• À cage d'écureuil (rotor à cage) : Le rotor comporte des barres en aluminium ou en cuivre court-circuitées. Il n'a ni connexion vers l'extérieur, ni balais, ni bagues. Simple, robuste et économique, il équipe la grande majorité des applications telles que pompes, ventilateurs, compresseurs, convoyeurs et concasseurs.
• À bagues (rotor bobiné) : Les enroulements du rotor sont sortis par des bagues et des balais, ce qui permet d'ajouter des résistances dans le circuit rotorique au démarrage. Il était utilisé pour les grands entraînements à démarrage très difficile ; avec la généralisation des variateurs de fréquence et des démarreurs progressifs, il est devenu rare dans les nouveaux projets.

Moteur synchrone

Le rotor tourne exactement à la même vitesse que le champ tournant. Les modèles à aimants permanents au rotor (synchrone PM) offrent un rendement élevé et fonctionnent généralement avec un variateur. Les moteurs synchrones à réluctance, eux, tournent en synchronisme sans aimants, grâce à la forme magnétique du rotor. Dans la plupart des cas, aucun de ces deux types ne peut être raccordé directement au réseau sans variateur de fréquence ; le moteur et le variateur se choisissent donc ensemble.

La vitesse d'un moteur asynchrone dépend du nombre de pôles : sur un réseau 50 Hz, elle est d'environ 3000, 1500, 1000 et 750 tr/min pour 2, 4, 6 et 8 pôles. Les détails figurent dans notre article sur le tableau pôles-vitesse.

Selon l'alimentation : monophasé et triphasé

Les moteurs asynchrones se divisent aussi en deux groupes selon le raccordement au réseau. Les moteurs monophasés fonctionnent sur une ligne monophasée de 220 V ; ne pouvant produire seuls de couple de démarrage, ils utilisent un enroulement auxiliaire et un condensateur. On les préfère là où seul un réseau domestique est disponible, pour les petites pompes, compresseurs et machines d'atelier ; la série monophasée de HEM Motor couvre la plage 0,18–5,5 kW. Les moteurs triphasés sont alimentés par le réseau industriel triphasé, atteignent des puissances plus élevées, produisent un couple plus régulier et sont plus compacts à puissance égale. Nous avons comparé les deux dans l'article monophasé ou triphasé.

Moteurs spéciaux pour le positionnement et les mouvements de précision

Certains moteurs ne sont pas conçus pour tourner en continu, mais pour atteindre un angle donné et s'y arrêter :

• Servomoteur : Il fonctionne avec un élément de retour qui lit la position de l'arbre (codeur ou résolveur) et son propre variateur. Il est utilisé pour les mouvements rapides et précis des axes CNC, des robots et des machines d'emballage.
• Moteur pas à pas : Il tourne d'un angle déterminé à chaque impulsion. Pouvant fonctionner sans retour, il est courant dans les tâches de positionnement simples, les imprimantes 3D et les doseurs. À vitesse et charge élevées, il peut perdre des pas.
• DC sans balais (BLDC) : Ce sont des moteurs à commutation électronique, compacts et efficaces. On les rencontre souvent dans les ventilateurs, les petites pompes et les équipements portables.

Ces moteurs sont vendus sous forme de système avec leur propre variateur et ne remplacent pas un moteur asynchrone industriel ; l'inverse est également vrai.

Les variantes du moteur asynchrone industriel

Une fois le moteur triphasé à rotor à cage retenu, la diversité ne s'arrête pas : elle se déplace simplement vers d'autres critères. Dans le catalogue, les différentes versions d'un même moteur de base se distinguent par les caractéristiques suivantes :

• Classe de rendement : IE3, IE4 et IE5. Les pertes de moteurs de même puissance diffèrent ; par exemple, pour un moteur 4 pôles de 7,5 kW, les rendements limites sont respectivement de 90,4 %, 92,6 % et 94,0 %. Nous avons calculé comment l'écart d'investissement est amorti dans l'article IE3 ou IE4.
• Matériau de carcasse : La carcasse en fonte est préférée pour l'industrie lourde et les environnements sévères, la carcasse en aluminium pour sa légèreté sur certaines petites puissances.
• Forme de montage : À pattes (B3), à bride (B5, B14) ou les deux (B35, B34) ; pour un fonctionnement vertical, des positions telles que V1, V5.
• Indice de protection : IP55 en standard ; IP44, IP56 ou IP65 selon l'environnement.
• Versions spécifiques à l'application : Moteurs pour service sévère pour les charges exigeant un couple de démarrage élevé comme les concasseurs et les broyeurs, moteurs vibrants produisant des vibrations sur les cribles et les alimentateurs, motoréducteurs là où une faible vitesse de sortie est nécessaire.

Le comportement au démarrage est également un critère de distinction. Deux moteurs à rotor à cage de même puissance peuvent offrir des couples de démarrage différents selon la conception des barres du rotor. Nous avons traité ce sujet dans l'article sur les classes de couple.

Quelle application, quelle famille de moteurs ?

La correspondance ci-dessous n'est pas une règle absolue, mais une première orientation :

• Charge tournant en continu à vitesse constante (pompe, ventilateur, compresseur, convoyeur) : moteur asynchrone triphasé à cage d'écureuil.
• Charge à vitesse fréquemment variable (pompe à débit réglable, convoyeur à vitesse variable) : moteur asynchrone triphasé piloté par variateur de fréquence ; pour un objectif de rendement élevé, moteur PM ou à réluctance avec son variateur adapté.
• Démarrage difficile et à chocs (concasseur, broyeur) : moteur asynchrone pour service sévère à couple de démarrage élevé.
• Mouvement lent à couple élevé (mélangeur, tambour) : motoréducteur ou moteur et réducteur séparés.
• Position précise et arrêts-démarrages rapides (robot, axe CNC) : système servo.
• Réseau monophasé uniquement (petit atelier, agriculture) : moteur monophasé.

Conclusion

Si les types de moteurs électriques semblent nombreux au premier abord, la majorité des applications industrielles revient au moteur asynchrone triphasé à rotor à cage ; le véritable choix se fait entre les options de puissance, de vitesse, de rendement, de carcasse et de montage de ce moteur. Les moteurs spéciaux liés au positionnement et au variateur doivent, eux, être considérés comme un système à part. Vous pouvez découvrir la version adaptée à votre application sur notre page moteurs électriques triphasés.

Questions fréquentes

Quel moteur électrique est le plus utilisé dans l'industrie ?

Le type le plus répandu est le moteur asynchrone triphasé à cage d'écureuil. Dépourvu de pièces d'usure comme les balais et les bagues, il demande peu d'entretien et équipe la grande majorité des applications telles que pompes, ventilateurs, compresseurs et convoyeurs.

Quelle est la différence entre un moteur asynchrone et un moteur synchrone ?

Dans un moteur asynchrone, le rotor tourne légèrement en retard sur le champ magnétique tournant et produit du couple grâce à ce glissement. Dans un moteur synchrone, le rotor tourne exactement à la vitesse du champ ; ces moteurs fonctionnent le plus souvent avec un variateur de fréquence.

Peut-on utiliser un moteur asynchrone à la place d'un servomoteur ?

Pour les applications à rotation continue sans exigence de précision de position, un moteur asynchrone suffit. Pour les axes qui doivent atteindre rapidement un angle donné et s'y arrêter, il faut le retour et le variateur d'un système servo ; un moteur asynchrone ne peut pas assurer cette tâche avec la même précision.

Les moteurs DC ne sont-ils plus utilisés ?

Dans les entraînements industriels à vitesse variable, les moteurs AC pilotés par variateur de fréquence ont largement remplacé les moteurs DC. Ils restent cependant très utilisés dans les applications disposant d'une source de courant continu, comme les véhicules à batterie, les chariots élévateurs et les petits appareils.