Quels sont les différents types de moteurs électriques industriels ?

Les applications industrielles n’ont pas toutes les mêmes contraintes. Certaines machines doivent être extrêmement précises, d’autres capables de délivrer beaucoup de force, ou encore de tourner en continu à grande vitesse le tout dans des conditions toujours différentes.

Et ces conditions, justement, sont rarement idéales. Dans une cimenterie, la poussière est partout, elle s’infiltre dans les armoires, les paliers et les moteurs. Dans une raffinerie, on travaille dans des environnements gras, avec des accumulations de dépôt et des contraintes d’étanchéité. Et en métallurgie, c’est la chaleur qui contraint les équipements qui travaillent en continu. Ces contraintes d’environnement sont notamment prises en compte par des normes internationales comme l’IEC 60529, qui définit les degrés de protection des équipements contre la poussière et l’eau (indices IP).

Pour assurer leur fiabilité dans ces environnements exigeants, les moteurs sont également conçus selon la norme IEC 60034, qui définit leurs caractéristiques, leurs performances et leurs méthodes d’essai.

C’est pour cette raison que l’on utilise différents types de moteurs afin de répondre au mieux aux contraintes de production, sur des durées longues, tout en garantissant la sécurité des installations et du personnel.

Ce tableau représente ces différentes technologies selon le type d’alimentation et les sous catégories que vous êtes les plus susceptibles de trouver sur le terrain.

Technologie moteur	Sous catégories
Moteurs asynchrones Courant alternatif (AC)	Cage d’écureuil
	Rotor bobiné
Moteurs synchrones Courant alternatif (AC)	Rotor bobiné
	Aimants permanents
	Réluctance synchrone
Courant continu (DC)	Moteur brushed
	Moteur brushless
Moteur positionnement	Moteur pas à pas
	Servomoteur

Les moteurs asynchrones

AC (Alternatif)

Parmi les moteurs nécessitant un courant alternatif, nous avons le plus commun d’entre eux qui est le moteur asynchrone. La raison pour laquelle vous allez rencontrer le plus souvent ce type de moteur est due à ses nombreux avantages. C’est une technologie simple, très accessible par rapport à certaines autres gammes que nous allons voir plus loin et demande peu d’entretien malgré les conditions de travail très contraignantes dans lesquelles on les fait travailler. On retrouve deux variantes de ce type de moteur.

Les moteurs asynchrones à cage d’écureuil

Dans ce premier cas, le rotor est dit en court-circuit car il est en 1 pièce et l’ensemble est en contact. On peut retrouver ce type de rotor en lamelles droites ou en spirale (Voir Fig 1.2). Les lamelles en spirale permettent d’améliorer le suivi du flux magnétique lui permettant d’être à la fois plus fluide dans son mouvement et lui permettant également un glissement plus faible.

Le glissement, c’est la différence de vitesse entre le flux magnétique appliqué au stator et la vitesse réelle de rotation du rotor.

On retrouve souvent ce modèle pour des applications comme les convoyeurs, les pompes, les compresseurs, les ventilateurs et d’autres machines ne demandant pas une précision de travail.

Les moteurs asynchrones à rotor bobiné

Autre cas de figure, le rotor est cette fois-ci composé d’enroulements électriques. Cette conception permet d’améliorer les performances au démarrage, notamment lorsqu’il faut mettre en mouvement des charges importantes.

Pour cette raison, on retrouve cette technologie sur certaines grues, broyeurs ou treuils. La différence avec le rotor à cage réside surtout dans sa capacité à fournir un couple élevé dès le démarrage tout en limitant l’appel de courant grâce à la résistance (rhéostat) dans le circuit rotorique.

En contrepartie, sa conception est plus complexe et nécessite davantage d’entretien. Ce qui le rend plus cher que le rotor à cage d’écureuil.

Les moteurs synchrones

Contrairement au moteur asynchrone, le moteur synchrone tourne exactement à la même vitesse que le champ magnétique créé par le stator. Le glissement est donc nul.

Cette particularité lui permet d’obtenir une vitesse de rotation très précise, même lorsque la charge varie. Là où un moteur asynchrone verra sa vitesse diminuer légèrement lorsqu’il est davantage sollicité, le moteur synchrone conserve sa vitesse nominale tant qu’il reste dans sa plage de fonctionnement.

Grâce à cette vitesse constante, on retrouve les moteurs synchrones dans des applications nécessitant un contrôle précis de la vitesse ou demandant une régulation par la position via un résolveur. On les retrouve notamment pour des machines-outils demandant de la précision, de la robotique ou encore des systèmes de coupe qui demandent à la fois de la précision et du couple.

Il existe aujourd’hui plusieurs technologies de moteurs synchrones.

Les moteurs synchrones à aimants permanents

Le rotor est équipé d’aimants permanents qui génèrent directement le champ magnétique nécessaire au fonctionnement du moteur.

L’absence d’alimentation électrique au rotor permet de simplifier sa conception et d’obtenir un excellent rendement. Ce qui leur permet par ailleurs d’avoir une densité de puissance* élevée.

Son gros défaut est financier, celui-ci étant composé de métaux magnétiques issus de terres rares qui peuvent être relativement coûteux.

*La densité de puissance est le rapport entre le volume de la machine et la puissance qu’il est capable de développer.

Les moteurs synchrones à rotor bobiné

Ici, le champ magnétique du rotor est produit par des enroulements électriques alimentés en courant continu. Cette alimentation est généralement transmise par l’intermédiaire de bagues et de balais.

L’avantage principal est de pouvoir ajuster le niveau d’excitation du rotor afin d’adapter le comportement du moteur aux besoins de l’application. Cette souplesse de réglage est particulièrement appréciée sur les machines de forte puissance.

En contrepartie, la présence des bagues et des balais augmente les besoins de maintenance par rapport aux autres technologies synchrones. Ceux-ci doivent être changés de manière périodique.

Les moteurs à réluctance synchrone

Plus récents et encore relativement peu présents, les moteurs à réluctance synchrone fonctionnent selon un principe différent. Leur rotor ne comporte ni aimants permanents ni enroulements alimentés.

C’est sa géométrie un peu particulière qui guide naturellement le flux magnétique créé par le stator et l’oblige à s’aligner avec celui-ci.

Cette conception permet d’obtenir une machine sans balais et sans aimants permanents. Ce qui corrige à la fois le problème de la maintenance régulière et le coût des matériaux. Elle offre également des rendements énergétiques les faisant passer à des moteurs de catégorie IE5 voire IE6.

Moteur DC (Continu)

Bien que nous soyons confrontés en très grande majorité à des moteurs fonctionnant en courant alternatif, nous sommes parfois aussi confrontés à des technologies fonctionnant en courant continu.

En effet, malgré les nombreux avantages des moteurs à courant alternatif, ceux fonctionnant en DC peuvent avoir des particularités qui les rendent avantageux dans certaines applications.

On retrouve principalement les moteurs dit Brushed et les Brushless.

Moteur Brushed

Comme son nom l’indique, le moteur brushed est équipé de balais en carbone qui transmettent le courant au collecteur situé sur le rotor. Ce contact mécanique permet de piloter très simplement le couple et la vitesse en faisant simplement varier la tension d’alimentation.

L’un de ses principaux avantages est justement cette simplicité. Il ne nécessite pas d’électronique de commande complexe, comme un variateur, pour fonctionner. Sa simplicité le rend particulièrement économique à l’achat et facile à contrôler, tout en offrant un excellent couple de démarrage.

En contrepartie, les balais sont des pièces d’usure. Ils génèrent des frottements, des étincelles et nécessitent une maintenance régulière, ce qui augmente les coûts d’exploitation sur le long terme. Son rendement énergétique est aussi inférieur à celui des technologies plus récentes, ce qui explique qu’il soit progressivement remplacé dans de nombreuses applications.

Il reste néanmoins très présent sur les chariots élévateurs, les treuils, les petits actionneurs, les machines de chantier ou encore les applications mobiles comme les véhicules électriques légers et les outils électroportatifs.

Moteur Brushless

Le moteur brushless, ou moteur sans balais, repose sur une architecture inversée par rapport au moteur brushed. Les enroulements sont placés sur le stator, tandis que le rotor est équipé d’aimants permanents. La commutation du courant ne se fait donc plus mécaniquement, mais de manière électronique via un variateur.

Cette absence de contact mécanique entre les parties en mouvement supprime les principales sources d’usure. Le moteur gagne ainsi en durée de vie, en fiabilité et en rendement énergétique. Il offre également une très bonne densité de puissance, un fonctionnement plus silencieux et une meilleure maîtrise des vitesses élevées.

En contrepartie, cette technologie nécessite une électronique de commande plus avancée, ce qui augmente le coût global du système et complexifie légèrement l’intégration. Le pilotage dépend entièrement du variateur, qui devient un élément central de la performance.

On retrouve aujourd’hui les moteurs brushless dans de nombreuses applications où la performance et la durabilité sont prioritaires : véhicules électriques, drones, robotique, machines industrielles modernes ou encore outils électroportatifs haut de gamme.

Moteur de positionnement

Toutes les applications n’ont pas uniquement besoin de faire tourner un arbre en continu sur plusieurs milliers de tours. Certaines machines doivent également être capables de déplacer un axe avec des niveaux de précision plus ou moins élevés, de répéter toujours le même mouvement ou de s’arrêter exactement à la position demandée.

Pour répondre à ce besoin, on utilise des moteurs de positionnement. Les deux technologies les plus répandues sont le moteur pas à pas et le servomoteur. Bien qu’ils aient le même objectif, leur fonctionnement, leurs performances et leurs domaines d’application sont très différents.

Ces technologies étant très utilisées dans l’industrie, elles méritent un article dédié afin de comprendre leur principe de fonctionnement, leurs avantages et les critères permettant de choisir l’une ou l’autre selon l’application.

Glossaire

Composants

• Rotor : Partie tournante d’un moteur électrique.
• Stator : Partie fixe d’un moteur électrique, souvent équipée d’enroulements pour créer le champ magnétique.
• Aimants permanents : Matériaux magnétiques capables de générer un champ magnétique constant sans nécessiter d’alimentation électrique.
• Balais (ou charbons) : Pièces conductrices assurant la liaison électrique entre la partie fixe (stator) et la partie tournante (rotor)
• Variateur : Électronique de commande permettant de piloter la vitesse et le couple des moteurs, essentielle pour les modèles brushless.

Termes techniques

• Couple : Force de rotation générée par le moteur, essentielle pour entraîner des charges lourdes.
• Densité de puissance : Rapport entre la puissance développée par le moteur et son volume physique. Une densité élevée signifie un moteur compact et performant.
• Glissement : Différence de vitesse entre le flux magnétique tournant du stator et la vitesse réelle de rotation du rotor.

Normes

• IEC 60034 : Norme internationale définissant les caractéristiques, performances et méthodes d’essai des moteurs électriques.
• IEC 60529 (Indices IP) : Norme internationale classant les degrés de protection des équipements contre l’intrusion de corps solides (poussières) et de liquides (eau).

FAQ