Les moteurs synchrones sont fréquemment utilisés dans le domaine des moteurs électriques pour des applications nécessitant un contrôle précis de la vitesse. La fréquence de la source d’alimentation et le nombre de pôles du moteur déterminent la vitesse synchrone, ou vitesse constante, à laquelle ces moteurs fonctionnent.
Cet article propose une comparaison approfondie de ces deux types de moteurs, en soulignant leurs différences, leurs avantages, leurs inconvénients et leurs applications typiques.
Présentation des moteurs synchrones
Les moteurs électriques qui tournent à une vitesse exactement proportionnelle à la fréquence du réseau sont appelés moteurs synchrones. Contrairement aux moteurs à induction, qui nécessitent un glissement pour fonctionner, les moteurs synchrones ne subissent pas de glissement, ce qui signifie qu’ils fonctionnent à vitesse constante dans des conditions stables. Ces moteurs peuvent être excités ou non, selon la méthode d’alimentation du rotor.
Moteurs synchrones excités
Les moteurs synchrones excités sont de type traditionnel, où le rotor nécessite une excitation externe (un champ magnétique) pour fonctionner. Cette excitation est généralement fournie par un système d’excitation CC séparé, souvent à l’aide de bagues collectrices et de balais. Le moteur génère un couple en alimentant les enroulements du rotor par une source d’alimentation externe.
Moteurs synchrones non excités
À l’inverse, l’excitation externe n’est pas nécessaire pour les moteurs synchrones non excités. Ces moteurs ne nécessitent ni bagues collectrices ni source d’alimentation CC, car le rotor peut être à aimant permanent ou à réluctance. Selon la conception du rotor, ces moteurs sont également appelés moteurs synchrones à réluctance ou moteurs synchrones à aimants permanents (MSAP).
Différences clés entre les moteurs synchrones non excités et excités
La principale différence entre les moteurs synchrones non excités et excités réside dans la manière dont ils génèrent le champ magnétique du rotor. Nous comparons ci-dessous les deux moteurs selon plusieurs facteurs :
| Facteur | Moteurs synchrones non excités | Moteurs synchrones excités |
| Type de rotor | Aimant permanent ou réluctance | Rotor bobiné avec excitation externe |
| Système d’excitation | Aucune excitation externe requise | Nécessite un système d’excitation CC externe |
| Complexité | Conception plus simple | Plus complexe en raison des composants d’excitation externes |
| Rendement | Rendement plus élevé, pas de pertes dans le système d’excitation | Rendement légèrement inférieur en raison des pertes dans le système d’excitation |
| Commande | Adapté aux applications nécessitant un contrôle moins précis | Offre un contrôle précis de la vitesse et de la puissance |
| Entretien | Moins d’entretien requis | Entretien nécessaire en raison des bagues collectrices et des balais |
| Coût | Généralement moins coûteux | Plus coûteux en raison des composants supplémentaires (système d’excitation) |
| Applications | Adapté aux entraînements à vitesse variable et aux petites applications | Idéal pour les grandes applications industrielles nécessitant une haute précision |
Comparaison des systèmes d’excitation
Moteurs synchrones excités
Les moteurs synchrones excités utilisent un système d’excitation CC externe pour générer un champ magnétique dans le rotor. La puissance d’excitation est généralement fournie par une source distincte, soit par des balais et des bagues collectrices, soit par une excitatrice sans balais. Ce système nécessite une surveillance et une maintenance constantes, car les bagues collectrices et les balais peuvent s’user avec le temps. Le système d’excitation contribue également à une consommation d’énergie supplémentaire, réduisant légèrement le rendement du moteur.
Moteurs synchrones non excités
Les moteurs synchrones non excités utilisent des aimants permanents ou des rotors à réluctance, qui ne nécessitent pas de système d’excitation externe. Les moteurs à réluctance fonctionnent sur la base d’une réluctance variable, tandis que les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) nécessitent des aimants puissants intégrés au rotor. Ces conceptions éliminent le besoin d’un système d’excitation externe, ce qui réduit la complexité, les coûts de maintenance et améliore le rendement.
Rendu du moteur
Le rendement est un facteur clé dans le choix du moteur adapté à une application. Comparons l’efficacité des deux types de moteurs :
- Moteurs synchrones excités : Bien que ces moteurs soient efficaces, ils subissent des pertes au niveau du système d’excitation. Le courant continu fourni au rotor crée des pertes thermiques et augmente la consommation d’énergie. La nécessité d’un système d’excitation séparé et la présence de bagues collectrices peuvent également engendrer des pertes supplémentaires.
- Moteurs synchrones non excités : Les moteurs synchrones non stimulés sont généralement plus performants. Grâce à l’absence de système d’excitation complexe et à l’utilisation d’aimants permanents ou de rotors à réluctance, ces moteurs subissent moins de pertes d’énergie. Le couplage direct entre le rotor et le champ statorique assure un meilleur rendement.
Comparaison d’efficacité :
| Type de moteur | Rendement (%) |
| Moteurs synchrones excités | 85–92 % |
| Moteurs synchrones non excités | 92–98 % |
Coût et complexité
Moteurs synchrones excités
Les moteurs synchrones excités sont généralement plus coûteux en raison des composants supplémentaires nécessaires au système d’excitation. La nécessité de balais, de bagues collectrices et d’une alimentation CC externe augmente le coût initial et le coût d’exploitation. De plus, la complexité du moteur implique un plus grand nombre de pièces potentiellement défaillantes, ce qui entraîne des besoins de maintenance plus élevés.
Moteurs synchrones non excités
Les moteurs synchrones non excités sont plus faciles à développer et à produire, à moindre coût. L’absence de bagues collectrices ni de systèmes d’excitation externes rend ces moteurs moins coûteux à produire et à entretenir. L’utilisation d’aimants permanents ou de rotors à réluctance élimine le besoin d’une alimentation supplémentaire pour le rotor, réduisant ainsi encore le coût.
Applications
Moteurs synchrones excités
Les applications nécessitant un contrôle précis de la vitesse et du couple, telles que les générateurs synchrones, les centrales électriques et les grandes machines industrielles, utilisent fréquemment des moteurs synchrones excités.
Ils sont parfaits pour les applications à grande échelle, telles que les pompes, les compresseurs et les entraînements de grande taille, qui nécessitent un couple de démarrage élevé et une vitesse constante sous des conditions de charge variables.
Moteurs synchrones non excités
Les applications exigeant un rendement élevé et des systèmes plus simples utilisent des moteurs synchrones non excités, notamment les moteurs synchrones à aimants permanents (MSAP).
Ces moteurs sont largement utilisés en robotique, dans les applications automobiles (comme les véhicules électriques), les systèmes CVC et les petites applications industrielles. Les MSAP sont particulièrement adaptés aux variateurs de vitesse grâce à leur rendement élevé et leur compacité.
Comparaison des applications :
| Type de moteur | Applications courantes |
| Moteurs synchrones excités | Grandes machines industrielles, centrales électriques, générateurs synchrones, pompes, compresseurs |
| Moteurs synchrones non excités | Robotique, véhicules électriques, systèmes CVC, applications industrielles à petite échelle, machines de précision |
Avantages et inconvénients
Avantages des moteurs synchrones excités :
- Couple de démarrage élevé : Les moteurs à excitation élevée sont adaptés aux applications à forte charge, car ils peuvent produire un couple de démarrage élevé.
- Contrôle précis de la vitesse : Ils sont parfaits pour les applications où une gestion précise de la vitesse est cruciale, car ils offrent un contrôle exceptionnel de la vitesse.
- Fiabilité pour les applications de grande envergure : Leur capacité à fonctionner sous des charges variables sans perte de synchronisation les rend fiables pour les opérations à grande échelle.
Inconvénients des moteurs synchrones excités :
- Complexité : La nécessité de bagues collectrices, de balais et d’un système d’excitation externe les rend plus complexes.
- Maintenance : Une maintenance régulière du système d’excitation externe est nécessaire, ce qui augmente les coûts d’exploitation et les temps d’arrêt.
- Rendement inférieur : Le système d’excitation externe entraîne des pertes d’énergie, réduisant ainsi le rendement global.
Avantages des moteurs synchrones non excités :
- Rendement élevé : Sans excitation externe, les moteurs sans excitation ont tendance à être plus efficaces.
- Maintenance réduite : Les besoins de maintenance sont réduits grâce à la suppression des balais et des bagues collectrices.
- Simplicité : Grâce à leur facilité de développement et d’utilisation, ces moteurs sont plus rentables à long terme.
Inconvénients des moteurs synchrones non excités :
- Couple de démarrage plus faible : Les moteurs non excités ont généralement un couple de démarrage plus faible que les moteurs synchrones excités.
- Contrôle limité : Ces moteurs peuvent ne pas offrir le même niveau de contrôle de vitesse précis que les moteurs excités dans certaines applications.
- Limitations de taille : En raison de leur dépendance aux aimants permanents ou aux rotors à réluctance, les moteurs non excités peuvent être limités en taille et en puissance de sortie.
Conclusion
Les moteurs synchrones, qu’ils soient excités ou non, ont leur place dans les applications industrielles modernes. Les moteurs synchrones excités sont privilégiés pour les opérations à couple élevé et à grande échelle, nécessitant un contrôle précis et une vitesse constante sous des charges variables. Cependant, ces moteurs s’accompagnent de coûts plus élevés, d’une complexité accrue et de besoins de maintenance plus importants.
Les moteurs synchrones non excités, en particulier les moteurs synchrones à aimants permanents, offrent un rendement élevé, une conception plus simple et des coûts de maintenance réduits. Ils sont parfaits pour les applications à petite échelle ou celles nécessitant un contrôle de vitesse variable avec une attention moindre portée au couple de démarrage.
En fin de compte, le choix entre moteurs synchrones excités et non excités dépend des besoins spécifiques de l’application, notamment le coût, le rendement, le couple, la précision de contrôle et les exigences de maintenance. Comprendre les différences entre ces deux types de moteurs permet de choisir le moteur le mieux adapté à la tâche, d’optimiser les performances et de réduire les coûts d’exploitation.
