Nous suivre Industrie Techno

12 moteurs électriques synchrones et asynchrones

ANTOINE CAPPELLE redaction@industrie-technologies.com
Dans l'industrie, les moteurs électriques sont partout. Tous les mouvements sont alimentés par l'électricité. Toutes les machines en contiennent au moins un, pour tourner, pousser, ouvrir, positionner... Certains fonctionnent en continu, à vitesse constante, d'autres ont des usages plus dynamiques. Bien que le principe de base reste le même, les variantes possibles sont nombreuses.

Tant par leur taille que par leurs fonctions, les moteurs électriques sont très diversifiés. Bien que tous basés sur le même principe physique, de nombreux paramètres interviennent dans le choix d'un tel produit. On distingue deux principales technologies de moteurs : synchrones et asynchrones. Leurs caractéristiques les destinent à des usages différents. Les moteurs asynchrones sont généralement utilisés pour des fonctions simples, où ils doivent tourner de façon continue, en variant peu leur vitesse. C'est avec cette technologie que sont la plupart du temps motorisés les convoyeurs ou les systèmes d'aération. « Les asynchrones représentent 70 % des moteurs dans l'industrie », estime Fabrice Vandenbrouck, chef de produit pour les moteurs synchrones chez Siemens.

Le choix de la technologie est fonction des contraintes

Les machines-outils, en revanche, ont des mouvements plus rapides, et nécessitent une excellente précision. « Pour répartir les bouteilles sur nos chaînes de convoyage, nous avons besoin de moteurs capables de donner des impulsions de 50 millisecondes toutes les secondes », détaille Stéphane Meyer directeur de VSM Automation. Pour ces applications, les moteurs synchrones, plus dynamiques, sont tout indiqués.

La frontière entre ces deux technologies est poreuse. Souvent, plusieurs solutions sont possibles. Le choix de la technologie revient au fabricant, selon ses contraintes de coût et de précision. C'est un problème d'ingénierie.

Les moteurs ne fonctionnent pas seuls : ils sont une partie du système d'entraînement. On peut y trouver également des variateurs, des réducteurs et de l'électronique. Le choix de ces éléments se fait conjointement à celui du moteur.

Le variateur alimente le moteur en courant alternatif. Il sert à faire varier la vitesse en changeant la fréquence du courant. Dans certains cas, les moteurs asynchrones peuvent s'en passer : un variateur est inutile pour un convoyeur fonctionnant toute la journée à la même vitesse. Les moteurs synchrones, en revanche, sont toujours pilotés par un variateur. Cet élément peut être programmable et associé à des capteurs, pour réagir en fonction des paramètres extérieurs. Pour une application mobile, le moteur peut ainsi automatiquement ralentir, s'arrêter ou redémarrer en sens inverse en fonction de l'avancement du trajet. Cette intelligence peut servir à faire communiquer entre eux plusieurs variateurs, dans les cas où une même machine utilise différents moteurs.

Le variateur est soit placé dans une armoire électrique éloignée parfois jusqu'à plusieurs dizaines de mètres, soit il est décentralisé, c'est-à-dire rapproché du moteur, voire installé sur le moteur lui-même dans certains cas. L'intérêt d'une solution décentralisée est qu'elle réduit la taille de l'armoire électrique, et ainsi son échauffement, ce qui peut engendrer des économies sur le système de refroidissement.

Le réducteur est l'équivalent d'une boîte de vitesse, avec une vitesse unique. « Dans 95 % des cas, on utilise un réducteur en sortie du moteur pour optimiser la puissance », estime Olivier Anacker, responsable du support client chez Sew Usocome. Par un jeu d'engrenages de différents diamètres, ce composant transforme le mouvement de rotation du moteur en un mouvement plus lent. La vitesse de rotation en sortie peut ainsi être divisée, par deux ou plusieurs milliers, selon le réducteur.

Enfin, pour mieux le piloter, on peut adjoindre au moteur un codeur, destiné à calculer la position de la partie en mouvement du moteur, l'arbre. Selon les applications, il existe différents types de codeurs offrant plus ou moins de précision.

L'efficacité énergétique, un argument à prendre en compte

Depuis le 16 juin 2011, en application d'un règlement européen, une nouvelle norme est entrée en vigueur au sujet de l'efficacité énergétique. Elle définit trois classes de rendement : IE1, rendement standard ; IE2, haut rendement ; et IE3, rendement premium. Ces chiffres sont définis selon la puissance et le nombre de pôles des moteurs. Les asynchrones sont concernés par ce changement : « De par leur conception, les moteurs synchrones ont des rendements plus élevés. Tandis que pour les asynchrones, c'est d'abord le prix qui était mis en avant », explique Fabrice Vandenbrouck. De plus, les applications fonctionnant en continu offrent le plus gros gisement d'économies.

Cette nouvelle contrainte peut être vue comme une opportunité : les moteurs les plus avancés technologiquement pourront faire valoir leur rendement face à l'argument du coût. Aujourd'hui, une partie des moteurs électriques mis sur le marché doit correspondre à la classe IE2. En 2015, puis 2017, le champ d'application sera étendu, et certains moteurs auront l'obligation de répondre aux rendements de la classe IE3.

« Nous avons depuis quelques années une équipe qui travaille sur les économies d'énergie, témoigne Stéphane Meyer. Nous convainquons parfois les clients de choisir des machines dotées de moteurs plus performants, mais cela représente un plus gros investissement pour eux. » L'argument pour cela : calculer le retour sur investissement en estimant le gain sur la facture d'électricité. « Nous avons des calculs théoriques, mais la mesure est primordiale, ajoute Francis Broglé, responsable de l'achat des machines chez Rector Lesage, fabricant d'éléments de construction en béton. Nous commençons à installer des systèmes de mesure capables de donner la consommation des différentes machines, pour analyser les possibilités d'économies. »

Les paramètres à prendre en compte pour le choix d'un moteur sont nombreux, ce qui en fait une question complexe à étudier dès la conception d'une machine. Les vendeurs doivent dialoguer avec le client, et parfois avec l'utilisateur final, pour cerner leurs besoins et évaluer le produit le plus adapté. Car les moteurs électriques ne sont pas des produits standards, et sont généralement assemblés avec tout le système d'entraînement en fonction des applications particulières de chaque client.

MESURE

La nouvelle classification du rendement des moteurs est soumise à une méthodologie de mesure plus stricte que la précédente.

Synchrone ou pas ?

Dans un moteur asynchrone, le rotor et le stator sont constitués par des bobinages. Quand ils sont traversés par un courant électrique, un champ magnétique se crée, et fait tourner le rotor. Mais l'apparition du champ magnétique prend quelques microsecondes, voire millisecondes selon la taille du bobinage. À l'inverse, dans un moteur synchrone, le rotor contient des aimants. Ainsi, une partie du champ magnétique est permanent. Les moteurs synchrones sont donc plus dynamiques. On les qualifie également de brushless, car ils remplacent aujourd'hui la plupart des moteurs à courant continu. Ces moteurs, également dynamiques, nécessitent plus de maintenance car ils contiennent des balais métalliques qui doivent être régulièrement changés.

LE SYNCHRONE LE PLUS SPÉCIALISÉ

MOVIGEAR DE SEW-USOCOME Movigear est un système d'entraînement comprenant un moteur, un réducteur et l'électronique associée. Il se destine à tout type de convoyeur : pour bacs, fûts, palettes, à bande, à rouleaux ou aérien. Généralement, des moteurs asynchrones sont utilisés pour ce type d'application. Movigear utilise un moteur synchrone, ce qui confère au système un meilleur rendement énergétique. De taille réduite, il convient aux installations où l'encombrement est une contrainte importante. Il est adapté aux environnements aseptiques, et évite les projections de germes et poussières. FICHE TECHNIQUE Puissance non applicable Couple 200 Nm ou 400 Nm Vitesse 2 000 tr/min

LE PLUS ATYPIQUE

WQUATTRO DE WEG Ce moteur est une technologie hybride : son rotor est équipé à la fois d'un bobinage de moteur asynchrone et d'aimants permanents. Il peut démarrer sans variateur de vitesse, en étant alimenté par le réseau, comme un asynchrone. Mais une fois sa vitesse nominale atteinte, il tourne en utilisant ses aimants : cela réduit les pertes énergétiques induites par le bobinage. Le moteur bénéfice donc d'un rendement élevé, qui devrait être supérieur à celui défini par la future classe IE4. Il est interchangeable avec un asynchrone classique, car son ratio entre puissance et taille de la carcasse est le même. Utilisé avec un variateur de vitesse, il se comporte comme un moteur synchrone habituel. FICHE TECHNIQUE Puissance 0,55 à 7,5 kW Couple 47,8 Nm à pleine charge, pour 7,5 kW Vitesse 1 000 et 1 500 tr/min

LE PLUS PETIT ASYNCHRONE

L-FORCE MF DE LENZE Ce moteur asynchrone fonctionne à une fréquence de 120 Hz, au lieu de 50 habituellement. Il doit ainsi obligatoirement être couplé à un variateur de vitesse. Mais il est jusqu'à deux fois plus compact, à puissance équivalente, que les moteurs asynchrones ordinaires. De par sa taille réduite, l'inertie de son rotor est plus faible : il est donc plus dynamique et mieux adapté aux changements de vitesse. Ce moteur est un intermédiaire entre moteurs asynchrones classiques, et moteurs synchrones, plus compacts et plus dynamiques. FICHE TECHNIQUE Puissance 0,25 à 22 kW Couple Jusqu'à 240 Nm Vitesse Jusqu'à 3500 tr/min

« Choisir un moteur synchrone est plus technique »

STÉPHANE MEYER DIRECTEUR DE VSM AUTOMATION

« Nous fabriquons des chaînes de convoyage pour bouteilles. Chaque fonction, faire avancer la chaîne ou dévier les bouteilles par des impulsions, nécessite un moteur différent. Pour les mouvements continus, nous utilisons des moteurs asynchrones. La puissance est choisie en fonction de la taille et de la quantité des objets à convoyer. Nous avons parfois besoin de modèles avec frein. Pour les mouvements plus rapides et précis, nous utilisons des moteurs synchrones. Dans ce cas, les critères de choix sont plus vastes et plus techniques. Ils concernent notamment les contraintes d'accélération et de décélération. De façon générale, dans le secteur agroalimentaire, il faut que les moteurs soient faciles à nettoyer. Enfin, le service est important : le fournisseur doit pouvoir nous livrer rapidement si nous devons remplacer des pièces. »

vous lisez un article d'Industries & Technologies N°0939

Découvrir les articles de ce numéro Consultez les archives 2011 d'Industries & Technologies

Bienvenue !

Vous êtes désormais inscrits. Vous recevrez prochainement notre newsletter hebdomadaire Industrie & Technologies

Nous vous recommandons

Imprimantes codes-barres industrielles

Imprimantes codes-barres industrielles

Polyvalente, cette gamme d'imprimantes codes-barres industrielles fournit une solution à toutes sortes d'applications, avec des variantes de[…]

Mosfet miniature pour l'automobile

Mosfet miniature pour l'automobile

Système polyvalent de vision industrielle

Système polyvalent de vision industrielle

Une tablette pour les théâtres de guerre

Une tablette pour les théâtres de guerre

  • Nous suivre