Différences entre moteur asynchrone et synchrone : usages, avantages, choix

Les moteurs électriques synchrones et asynchrones sont des éléments incontournables de l'industrie moderne, des transports et des appareils ménagers. Le moteur électrique asynchrone ou synchrone est présent dans les convoyeurs, pompes, compresseurs, ventilateurs, tours, ascenseurs, machines à laver et même dans les systèmes de traction des véhicules électriques. Malgré une diversité de conceptions, la plupart de ces moteurs appartiennent à deux grandes familles : asynchrone et synchrone.

Les deux grands types de moteurs électriques

Ces deux catégories fonctionnent selon des principes différents, présentent des caractéristiques, coûts et rendements distincts, et sont dédiées à des usages variés. Les moteurs asynchrones, plébiscités pour leur simplicité et leur fiabilité, dominent l'industrie et l'équipement domestique. Les moteurs synchrones, quant à eux, sont réservés aux applications exigeant précision, efficacité énergétique et vitesse constante.

Pour choisir le moteur adapté à chaque utilisation, il est essentiel de comprendre leur structure, principe de fonctionnement et principales différences.

Qu'est-ce qu'un moteur électrique asynchrone ?

Le moteur asynchrone est le type de moteur à courant alternatif le plus répandu. Il fonctionne grâce à la différence de fréquence entre le champ magnétique tournant du stator et la vitesse réelle du rotor, appelée glissement - d'où son nom d'asynchrone.

Sa conception simple et robuste explique son succès industriel et domestique. Il comporte deux parties principales :

• Stator : partie fixe avec enroulements produisant le champ magnétique tournant, alimenté en courant alternatif (mono ou triphasé).
• Rotor : partie mobile au centre du stator, généralement de type " cage d'écureuil " (barres d'aluminium ou de cuivre moulées et court-circuitées par des anneaux).

Lorsque le stator génère un champ magnétique tournant, il induit des courants dans le rotor. Les forces électromagnétiques qui en résultent font tourner le rotor, qui tente de suivre le champ. Mais il n'atteint jamais exactement sa vitesse : s'il y parvenait, l'induction cesserait et le moteur perdrait tout couple. Le glissement, donc, est indispensable.

Les moteurs asynchrones sont appréciés pour leur fiabilité, leur simplicité, leur coût modéré et leur résistance aux surcharges. Ils nécessitent peu d'entretien et fonctionnent parfaitement dans des environnements poussiéreux, humides ou difficiles, ce qui les rend omniprésents, des petits ventilateurs aux machines industrielles lourdes.

Principe de fonctionnement du moteur asynchrone

Son fonctionnement repose sur l'interaction entre le champ magnétique tournant du stator et le champ magnétique induit du rotor. L'alimentation triphasée du stator crée un champ qui tourne à une vitesse fixe (dite synchronique, déterminée par la fréquence du réseau, généralement 50 Hz).

Ce champ traverse le rotor, y induisant des courants (loi de Faraday). Ces courants génèrent à leur tour un champ magnétique, et l'interaction entre les deux champs crée le couple moteur.

Point crucial : le rotor ne tourne jamais à la même vitesse que le champ du stator. Il est toujours légèrement en retard - c'est le glissement. Sans glissement, plus d'induction, donc plus de couple : un écart minimal est indispensable au fonctionnement.

En cas de surcharge, le rotor ralentit, augmentant le glissement, ce qui renforce le courant induit et donc le couple développé. Ainsi, les moteurs asynchrones supportent bien les surcharges momentanées et les variations de charge.

Au démarrage, le glissement est maximal, générant de forts courants induits et un couple important. Cette caractéristique explique les courants d'appel élevés au lancement, un point à prendre en compte dans les installations industrielles.

Grâce à cette simplicité, le moteur asynchrone est idéal pour les applications standards ne nécessitant pas une vitesse de rotation parfaitement constante.

Qu'est-ce qu'un moteur électrique synchrone ?

Le moteur synchrone est un moteur à courant alternatif dont le rotor tourne exactement à la même vitesse que le champ magnétique tournant du stator. Contrairement au moteur asynchrone, il n'y a pas de glissement : le rotor est parfaitement synchronisé avec le champ.

Un moteur synchrone comprend :

• Stator : identique à celui du moteur asynchrone, produisant un champ magnétique tournant.
• Rotor : il existe deux types principaux :
  • rotor à aimants permanents (PMSM), très utilisé dans les véhicules électriques, servomoteurs et robotique ;
  • rotor à bobinage d'excitation, alimenté pour créer un champ magnétique contrôlable.

La particularité du moteur synchrone est de maintenir une vitesse parfaitement stable, déterminée par la fréquence du réseau (ou d'un variateur de fréquence). Tant que le moteur reste synchronisé, la vitesse est invariable, même si la charge change : un atout majeur pour les applications de précision.

Le démarrage d'un moteur synchrone pose cependant un défi, car il ne peut pas lancer son rotor " à froid ". Plusieurs solutions existent : cage asynchrone intégrée au rotor, moteurs auxiliaires ou variateurs de fréquence. Une fois à la bonne vitesse, le rotor " s'accroche " au champ tournant et tourne en parfaite synchronisation.

Les moteurs synchrones sont privilégiés lorsque la stabilité, la précision et le rendement énergétique sont cruciaux, de la robotique à la traction électrique.

Principe de fonctionnement du moteur synchrone

Le moteur synchrone fonctionne grâce à l'interaction entre le champ magnétique tournant du stator et le champ magnétique propre au rotor (créé par des aimants permanents ou par excitation). À la différence du moteur asynchrone, le rotor tourne exactement à la vitesse du champ statorique : il n'y a aucun glissement.

En alimentant le stator en courant alternatif triphasé, on génère un champ magnétique tournant, dont la vitesse dépend de la fréquence :

• 50 Hz → 3000 tours/min (machine bipolaire),
• 25 Hz → 1500 tours/min, etc.

La vitesse exacte dépend du nombre de pôles du moteur.

Le rotor possède son propre champ magnétique (par aimants ou excitation). Lorsqu'il atteint une vitesse proche de la synchronique, une " liaison magnétique " s'établit : le rotor est entraîné par le champ tournant et tourne en phase, sans retard ni avance. C'est l'état de synchronisme.

En synchronisme, le moteur offre :

• une vitesse indépendante de la charge,
• un contrôle précis du couple,
• aucune perte par glissement,
• un rendement élevé.

Le démarrage reste cependant une contrainte, car la synchronisation n'est possible que lorsque le rotor approche la vitesse du champ. D'où le recours à une cage asynchrone, un moteur auxiliaire ou un variateur pour accompagner la montée en vitesse.

Une fois synchronisé, le moteur synchrone combine précision, couple élevé à bas régime et efficacité supérieure aux moteurs asynchrones.

Moteur asynchrone vs synchrone : quelles différences ?

Au-delà des principes de fonctionnement, moteurs synchrones et asynchrones diffèrent par leurs comportements sous charge, leur rendement, leur complexité et leurs domaines d'application. Ces distinctions orientent le choix des ingénieurs.

1. Glissement
   Le moteur asynchrone fonctionne avec glissement (retard du rotor sur le champ statorique). Le synchrone tourne, lui, strictement à la vitesse du champ. Cela influence la stabilité de vitesse et le rendement.
2. Vitesse de rotation
   Vitesse variable sous charge pour l'asynchrone (plus la charge est élevée, plus le glissement augmente). Vitesse parfaitement stable pour le synchrone, tant que le synchronisme est maintenu.
3. Rendement
   Les moteurs synchrones affichent souvent un rendement supérieur (92-98 %), contre 85-93 % pour les asynchrones. L'absence de pertes par glissement explique cet avantage.
4. Démarrage
   Les moteurs asynchrones offrent un couple de démarrage élevé, idéal pour pompes et compresseurs. Les synchrones nécessitent un dispositif de lancement ou un variateur.
5. Complexité de construction
   L'asynchrone est plus simple : rotor cage, peu de composants, grande fiabilité. Le synchrone est plus complexe : aimants ou excitation, capteurs de position, électronique avancée.
6. Coût
   L'asynchrone est moins cher à fabriquer et à entretenir. Le synchrone coûte plus cher, du fait des aimants et de l'électronique de contrôle.
7. Pilotage
   L'asynchrone fonctionne directement sur le réseau ou via un variateur. Le synchrone nécessite presque toujours une gestion électronique, surtout en version PMSM.
8. Domaines d'application
   L'asynchrone est universel et robuste ; le synchrone, précis, performant et économe en énergie.

Avantages et inconvénients du moteur asynchrone

Largement utilisé pour sa simplicité, son faible coût et sa robustesse, le moteur asynchrone est le plus courant au monde, aussi bien en industrie qu'à la maison. Mais il présente aussi quelques limites.

Avantages du moteur asynchrone

1. Conception simple
   Le rotor cage et l'absence de pièces complexes rendent ce moteur extraordinairement fiable. Pas de balais, d'anneaux ou d'excitation : seulement un stator et un rotor.
2. Fiabilité et longévité
   Il supporte les charges prolongées, les vibrations, la poussière, l'humidité et les variations de température.
3. Prix abordable
   La simplicité de fabrication réduit considérablement les coûts.
4. Bonnes performances au démarrage
   Le couple initial élevé convient parfaitement aux pompes, compresseurs et systèmes à inertie.
5. Entretien minimal
   Pas de maintenance complexe à prévoir, hormis le contrôle des roulements.

Inconvénients du moteur asynchrone

1. Glissement et vitesse variable
   La vitesse de l'arbre est inférieure à la fréquence synchronique et chute encore sous charge, ce qui limite la précision.
2. Rendement inférieur au synchrone
   Les pertes dues au glissement et à l'induction réduisent l'efficacité.
3. Courants d'appel élevés
   Au démarrage, la consommation peut atteindre 5 à 7 fois le courant nominal, sollicitant fortement le réseau.
4. Contrôle limité
   Pour une régulation précise du couple et de la vitesse, un variateur est nécessaire.

Avantages et inconvénients du moteur synchrone

Le moteur synchrone s'impose là où précision, rendement et vitesse constante sont des exigences. Grâce à son rotor à aimants ou à excitation, il offre des performances inaccessibles aux moteurs asynchrones, mais présente aussi certaines contraintes.

Avantages du moteur synchrone

1. Vitesse de rotation parfaitement stable
   La vitesse ne varie pas avec la charge, atout crucial pour les machines-outils, la robotique, les entraînements précis.
2. Rendement élevé
   Jusqu'à 98 % d'efficacité, grâce à l'absence de pertes par glissement - particulièrement avantageux pour une utilisation prolongée.
3. Couple élevé à bas régime
   Les aimants permanents permettent de délivrer un couple important dès les basses vitesses, idéal pour les véhicules électriques et les entraînements lourds.
4. Correction du facteur de puissance
   Avec bobinage d'excitation, le moteur peut fonctionner avec un courant déphasé, améliorant le cos φ du système.
5. Contrôle précis
   Associé à un variateur, il permet des systèmes de positionnement avancés.

Inconvénients du moteur synchrone

1. Démarrage complexe
   Impossible de démarrer seul : une cage asynchrone, un moteur auxiliaire ou un variateur sont nécessaires.
2. Coût plus élevé
   Aimants, excitation et capteurs de position augmentent significativement le prix.
3. Électronique de commande plus sophistiquée
   Contrôleurs, capteurs de position et réglages fins du courant sont requis pour un fonctionnement optimal.
4. Sensibilité aux surcharges
   En cas de dépassement de la charge admissible, le moteur peut perdre le synchronisme et s'arrêter.
5. Entretien plus exigeant
   Présence d'aimants ou d'excitation impose une surveillance et un soin accrus.

Où utiliser un moteur asynchrone ?

Le moteur asynchrone, universel et résistant, s'est imposé comme la norme pour la plupart des applications industrielles et domestiques. Sa robustesse et son faible coût le rendent idéal pour tout type de charge mécanique.

Industrie et production

On le retrouve partout où une motorisation fiable et modérément précise est requise :

• convoyeurs et transporteurs,
• rectifieuses,
• machines-outils,
• broyages,
• ventilateurs industriels.

Sa longévité et ses faibles besoins d'entretien sont très appréciés.

Pompes et compresseurs

Domaines d'application majeurs :

• pompes de circulation,
• pompes de puits,
• compresseurs,
• groupes frigorifiques.

Le couple de démarrage élevé et la résistance aux charges en font une option optimale.

Ventilation et climatisation

Utilisés dans :

• ventilateurs domestiques et industriels,
• climatiseurs,
• purificateurs d'air,
• systèmes de ventilation centralisée.

Silencieux, simples et fiables, ils répondent aux exigences les plus variées.

Appareils ménagers

Présents dans :

• anciennes machines à laver,
• pompes domestiques,
• hottes,
• robots de cuisine,
• compresseurs de réfrigérateur.

Ils tolèrent bien les variations de tension et offrent une grande longévité.

Transports et levage

Dans certains systèmes de transport et de levage, leur robustesse et leur capacité à supporter des conditions extrêmes sont précieuses :

• ascenseurs,
• monte-charges,
• escaliers mécaniques.

Le moteur asynchrone est un " cheval de trait " fiable, économique et endurant, parfait pour les équipements devant fonctionner longtemps sans surveillance complexe.

Où utiliser un moteur synchrone ?

Le moteur synchrone s'impose là où une précision extrême, une efficacité optimale et un couple élevé à faible vitesse sont nécessaires. Sa technologie à aimants ou excitation le rend incontournable dans les systèmes les plus exigeants.

Entraînements de précision et machines-outils

Grâce à leur vitesse constante, les moteurs synchrones sont idéaux pour :

• lignes robotisées,
• servomoteurs,
• machines CNC,
• systèmes de positionnement,
• imprimantes et emballeuses industrielles.

L'absence de glissement garantit la stabilité requise pour les tâches de haute précision.

Véhicules électriques et hybrides

La majorité des véhicules électriques modernes utilisent des moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM), notamment chez Tesla, BMW, Toyota ou BYD. Les raisons :

• rendement très élevé (jusqu'à 98 %),
• couple maximal dès zéro tr/min,
• compacité,
• faibles pertes thermiques.

Traction et entraînements industriels

Utilisés dans :

• locomotives électriques,
• chariots élévateurs,
• lignes de convoyage lourdes,
• systèmes de levage puissants.

Leur efficacité et leur couple élevé permettent de réduire la consommation énergétique et d'augmenter la productivité.

Générateurs et production d'énergie

Les machines synchrones servent aussi de générateurs :

• centrales hydroélectriques,
• centrales thermiques,
• éoliennes,
• groupes électrogènes de secours.

Le générateur synchrone garantit la stabilité de la fréquence et de la tension dans les réseaux électriques.

Compresseurs, pompes et froid industriel

Dans les systèmes industriels à haut rendement, les moteurs synchrones remplacent peu à peu les asynchrones, surtout avec variateurs de fréquence.

Automatisation et robotique

Les servomoteurs synchrones sont indispensables en :

• robotique,
• manipulateurs,
• appareils médicaux,
• imprimantes 3D,
• installations de laboratoire.

Rapides, précis et économes en énergie, ils sont la clé de l'automatisation moderne.

Conclusion

Les moteurs électriques synchrones et asynchrones sont les deux piliers de la motorisation à courant alternatif qui propulse l'industrie, les transports et la vie quotidienne. Le moteur asynchrone, grâce à sa simplicité et son faible coût, est omniprésent là où fiabilité et endurance priment sur la précision. Le moteur synchrone, plus coûteux et sophistiqué, assure une vitesse et une efficacité inégalées, essentielles à la robotique, aux véhicules électriques, aux machines CNC et à la production d'énergie.

Complémentaires, ces technologies permettent de répondre à l'ensemble des besoins : l'une pour la robustesse universelle, l'autre pour la performance et la précision. Les connaître, c'est donner aux ingénieurs, automaticiens et utilisateurs les clés pour sélectionner la solution optimale à chaque application.