Moteur asynchrone : tout (vraiment tout) ce que vous devez savoir sur le moteur du futur

Dans le domaine de la mobilité électrique, le moteur asynchrone va très rapidement devenir incontournable. Et si vous ne me croyez pas, je compte bien vous le prouver.

Julien Vaïssette

Fanatique d'Excel, adepte de Camus & ingénieur en mécanique — Suivez la conception de mon prototype de moto électrique en cliquant ici.

Moteur asynchrone © jean charles barbe

Le moteur asynchrone est le moteur du futur.

C’est un moteur rustique, qui ne nécessite pas d’avoir un doctorat pour le faire fonctionner.

Et c’est justement l’une de ses plus grandes qualités. Sa rusticité le rend à la fois économiquement pertinent, écologiquement performant et industriellement intéressant pour les pays occidentaux qui ont perdu leur puissance industrielle.

Pourtant, c’est aussi le moteur électrique qui est le plus en perte de vitesse aujourd’hui.

Il a en effet été supplanté par son homologue synchrone dans la dernière décennie, grâce à la force de frappe industrielle chinoise.

Cette relégation du moteur asynchrone est pour moi un non-sens.

Car nous sommes entrés dans le siècle des enjeux environnementaux. Et la mobilité électrique est vue par certains comme l’initiatrice d’une 4e Révolution Industrielle, plus vertueuse.

Le choix du moteur qui équipera nos véhicules électriques est donc infiniment crucial.

Nous avons besoin d’un moteur électrique pas cher, performant et écologique ? Ce moteur existe déjà, et je vous le donne en mille : c’est le moteur à induction.

Alors voilà ce que je vous propose.

Dans cet article, je vais vous démontrer que le moteur asynchrone est réellement le moteur du futur. Que son impact écologique est bien plus favorable que celui de ses concurrents. Et qu’il n’y a aucune raison pour qu’on lui préfère le moteur synchrone.

Et à la fin de votre lecture, j’espère que vous serez autant convaincu que moi de l’espoir que représente ce moteur pour la mobilité électrique.

Qu’est-ce qu’un moteur asynchrone ?

Le fonctionnement du moteur asynchrone est très particulier.

Il exploite en effet un phénomène d’induction dans le rotor généré par le champ magnétique tournant du stator.

Si vous avez compris cette dernière phrase, félicitations.

Mais si vous n’avez pas saisi une traître mot, ne vous inquiétez pas : nous allons prendre le temps de comprendre plus précisément le fonctionnement du moteur asynchrone, en évitant de faire les malins avec des mots compliqués.

Comment marche le moteur asynchrone ?

Reprenons les bases : tout moteur électrique est forcément constitué d’un rotor et d’un stator.

Et par chance, les noms des deux composants communs à tous les moteurs électriques sont transparents. Ainsi, on comprend que le stator a pour mission de rester fixe (il est statique). Et le rotor a pour mission de tourner (il est rotation).

Mais comment procèdent-ils ?

Tout commence dans le stator, qui est recouvert en son intérieur d’électroaimants.

Les électroaimants sont simplement des bobines de fils de cuivre dont la particularité est qu’elles se polarisent magnétiquement quand elles sont traversées par un courant.

Plus simplement, ça veut dire qu’elles deviennent des aimants, avec un pôle sud et un pôle nord. Mais ce qui rend ces électroaimants si intéressants, c’est qu’ils peuvent aussi changer de polarité selon notre bon vouloir.

On peut donc inverser leur pôle nord et leur pôle sud au besoin.

C’est grâce à cette propriété que les moteurs asynchrones (et tous les autres moteurs électriques) fonctionnent. Car grâce à elle, on peut allumer les électroaimants à l’intérieur du stator d’une telle manière que si on place un aimant à l’intérieur du stator, il tournera.

On dit alors que le stator a généré un champ magnétique tournant.

C’est justement ce champ magnétique tournant qui fait fonctionner le moteur asynchrone. Il y a en effet un mécanisme miraculeux qui s’appelle « induction », et qui consiste à générer un champ magnétique dans un matériau conducteur lorsqu’il est traversé par un champ magnétique tournant.

Ce qui se produit est légèrement complexe, mais ce qu’il faut retenir est simple. Quand le rotor (qui n’est pas aimanté) est placé au milieu du stator qui produit un champ magnétique tournant, il génère un champ magnétique.

Le rotor devient donc une sorte d’aimant, sans en être un à l’origine.

La suite est alors mécanique.

Car on sait que les champs magnétiques ont toujours tendance à s’aligner. Pensez à deux aimants côte à côte, ils s’alignent. Le rotor va donc se mettre à suivre la rotation du champ magnétique du stator, ce qui le fera tourner.

C’est ainsi que fonctionne le moteur asynchrone.

Mais pour résumer mieux qu’avec des mots obscurs, je vous ai conçu un schéma. L’objectif, c’est de vous aider à percevoir son stator parcouru d’électroaimants (les arcs de cercles rouge et bleus) et son rotor qui a généré un champ magnétique par induction.

Et grâce à lui, vous voyez le fonctionnement du moteur asynchrone :

fonctionnement moteur asynchrone

On voit très bien le rotor tourner en même temps que le champ magnétique du stator.

Néanmoins, aussi pratique soit-il pour comprendre le fonctionnement du moteur asynchrone, ce schéma comporte une erreur. J’aurais bien aimé ne pas la faire. Mais mes compétences limitées en graphisme m’ont empêché de coller réellement à la réalité.

Car sur ce schéma, le rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique du stator.

Or dans un moteur asynchrone, ce n’est pas possible.

Pourquoi dit-on qu’il est asynchrone ?

On décrit ce moteur comme « asynchrone » car le rotor du moteur asynchrone ne tourne jamais aussi vite que le champ magnétique du stator.

Et la raison est simple : si c’était le cas, le rotor s’arrêterait de tourner.

En effet, le mécanisme d’induction qui génère le champ magnétique du rotor l’oblige à tourner moins vite. Cette contrainte s’explique par le mécanisme qui fait tourner le rotor du moteur asynchrone, et que j’ai évoqué juste avant.

En effet, je vous ai montré qu’un champ magnétique était créé dans le rotor lorsqu’il se trouvait en plein milieu du champ magnétique tournant du stator. Mais la condition de l’apparition de cette aimantation du rotor, c’est qu’il perçoive le champ magnétique du stator comme tournant.

Or si le rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique du stator, le rotor aura l’impression que le champ magnétique du stator est immobile.

Note : de même que, lorsqu’on roule à la même vitesse que la voiture qu’on double, on a l’impression qu’elle est immobile.

Et c’est justement en ça que le rotor ne peut pas tourner à la même vitesse.

Car comme le champ magnétique du stator ne lui apparaît plus comme tournant, le phénomène d’induction disparaît alors instantanément, enlevant au rotor sa magnétisation. Il n’est plus qu’une pièce d’acier qui n’a plus aucune raison de tourner. Il n’est donc plus entraîné en rotation.

Autrement dit, il faut que le rotor du moteur asynchrone tourne légèrement moins vite que le champ magnétique du stator pour qu’il puisse être entraîné en rotation.

On comprend donc pourquoi on le décrit comme « asynchrone ».

Pour vous faire une idée de cette différence de vitesse, elle est généralement de quelques pourcents. C’est un phénomène qui est donc loin d’être négligeable. Il représente d’ailleurs l’une des faiblesses des moteurs asynchrones face aux moteurs synchrones.

Car ça leur coûte quelques pourcents de pertes énergétiques.

Et c’est peut-être un détail pour vous, mais pour Elon Musk, ça veut dire beaucoup.

D’ailleurs, si on décrit le moteur asynchrone ainsi, c’est par opposition au moteur synchrone. Et si vous avez certainement votre petite idée de ce qui différencie ces deux moteurs, j’aimerais faire un petit point sur leurs différences majeures.

Vous verrez ainsi qu’il n’y a pas que la synchronicité du rotor et du champ magnétique du stator qui entrent en jeu.

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

Tout est (presque) dans le nom :

  • les moteurs asynchrones voient leur rotor tourner moins vite que le champ magnétique de leur stator (rotation asynchrone donc),
  • tandis que le rotor des moteurs synchrones tourne à la même vitesse (rotation synchrone).

Pour autant, cette simple différence dans les termes entraîne d’autres différences majeures, plus intéressantes à traiter.

Par exemple, la plupart des moteurs synchrones nécessitent l’usage d’aimants permanents dans leur rotor (comme le fameux moteur brushless). Seul le moteur à réluctance variable et le moteur à rotor bobiné en sont dispensés. Alors qu’à l’inverse, aucun moteur asynchrone n’a besoin d’aimants permanents.

Et si ça vous paraît être anecdotique, ça ne l’est vraiment pas.

Car aujourd’hui, tous les aimants permanents qu’on utilise dans les moteurs sont garnis de terres rares (du néodyme). Et même si leur nom porte à débat, il y a un débat sur lequel nous sommes tous d’accord : les terres rares ne sont pas toujours nos meilleures amies.

En effet, elles ont aujourd’hui un impact écologique, géopolitique et social assez discutable.

J’en ai parlé plus en détail dans un article. Mais ce qu’il faut en retenir est simple : dans la mesure du possible, il serait préférable d’éviter les terres rares. Au moins le temps qu’elles se refassent une conscience.

L’impact environnemental est donc à l’avantage des moteurs asynchrones.

Mais si les constructeurs de moteurs synchrones ont accepté en leur âme et conscience d’utiliser les terres rares, c’est que les aimants permanents permettent à ces moteurs d’afficher un meilleur rendement que celui des moteurs asynchrones.

Ça se joue à quelques pourcents.

Mais c’est assez pour justifier la lente disparition des moteurs asynchrones de certains champs d’application (comme dans la mobilité électrique).

Note : sans compter que ces derniers affichent aussi une plus faible densité de puissance, ce qui leur vaut d’être plus lourds que leurs homologues à puissance égale. Dans certains cas, on peut observer une différence de poids de plusieurs dizaines de pourcents à puissance égale.)

Mais par chance, il n’y a pas que les performances dans la vie.

Il y a aussi le prix, pour lequel les moteurs asynchrones remportent la palme grâce à leur simplicité de fabrication, et à la non-rareté des matières premières qui le composent.

À noter néanmoins que ce prix inférieur n’est pas une règle absolue. Car en jouant sur les effets de volume, certains moteurs synchrones arrivent à coûter moins cher.

Outre leur prix, on peut aussi compter sur la robustesse des moteurs asynchrones. Ils ne subissent en effet aucune démagnétisation, puisqu’ils n’ont pas d’aimants. Et ils ont une durée de vie plus importante que celle de leurs homologues synchrones.

Enfin, ça peut paraître anecdotique, mais les moteurs asynchrones sont plus faciles à contrôler.

Ils ne nécessitent qu’un seul contrôleur de fréquences, tout ce qu’il y a de plus simple. Alors qu’à l’inverse, les moteurs synchrones s’échinent à récupérer à tout instant la position du rotor grâce à des capteurs complexes, ce qui rend leur contrôle plus laborieux.

En somme, les moteurs asynchrones ont leurs avantages (impact écologique, prix, robustesse, pilotage), et leurs inconvénients (rendement, puissance) face aux moteurs synchrones.

Pour choisir entre les deux, il faut donc renoncer à certains axes, aussi importants les uns que les autres.

Maintenant que nous connaissons toutes les considérations théoriques des moteurs asynchrones, je vous propose de passer à la pratique.

Nous allons dresser une liste de toutes les technologies de moteurs asynchrones qui existent.

Grâce à cette liste, on va aller dans le détail des moteurs asynchrones disponibles sur le marché.

On va comprendre leurs spécificités et leurs différences, pour aboutir à la fin à une vue d’ensemble des solutions qui nous sont offertes.

Et puis, vous allez voir que les moteurs asynchrones méritent bel et bien la palme de la simplicité.

Car à l’inverse de leurs cousins synchrones, le nombre de technologies existantes se compte sur les doigts d’une seule main.

Quels sont les différents types de moteurs asynchrones ?

Parmi ces différentes technologies de moteurs asynchrones, deux grandes familles se distinguent :

  1. Le moteur asynchrone monophasé,
  2. Et le moteur asynchrone triphasé.

Cette différenciation s’explique par l’alimentation des électroaimants du stator. Dans le moteur asynchrone monophasé, les électroaimants ne sont constitués que d’un seul fil. On dit donc que le stator n’a qu’une phase – « monophasé ».

Et vous l’aurez deviné, les électroaimants du moteur asynchrone triphasés sont fabriqués à partir de 3 fils. Ils ont donc 3 phases – « triphasé ».

Les moteurs asynchrones monophasés

Les moteurs asynchrones monophasés sont ceux qu’on utilise majoritairement pour des usages domestiques, où les prises ne fournissent pas un courant triphasé. Ils ne sont donc pas utilisés dans l’industrie et dans la mobilité, mais plutôt dans les lave-linges.

Quoi qu’il en soit, ce n’est pas une raison pour les dénigrer. Voici donc à quoi ils ressemblent :

moteur asynchrone monophase

Le stator ressemble à tous les autres moteurs électriques qu’on a l’habitude de voir, avec ses bobinages entremêlés. Et sur cette image, il est difficile de distinguer que ce moteur est un moteur monophasé, constitué d’un seul et même fil.

Quant au rotor, c’est un rotor typique en cage d’écureuil, comme nous allons le voir un peu plus loin.

La question qui vous brûle les lèvres doit alors certainement être la suivante :

« Mais quelles sont les différentes technologies de moteurs asynchrones monophasés ? »

Vous avez raison de vous poser cette question.

Et si vous ne vous la posez pas, vous devriez vous poser des questions. Dans tous les cas, que vous vous posiez cette question ou que vous ne vous la posiez pas (alors que vous devriez vous questionner), je vais y répondre.

Mais je vais vous épargner quelques détails dispensables.

Ces différentes technologies se concentrent sur des subtilités de branchement des électroaimants, ou sur l’ajout de bobines auxiliaires. Des détails un peu trop techniques pour un article qui cherche à faire un état des lieux de cette technologie.

La liste des différents moteurs asynchrones monophasés est donc la suivante :

  • D’abord, le moteur à phase auxiliaire,
  • Ensuite, le moteur à pôle fendu,
  • Puis, le moteur à induction à condensateur,
  • Le moteur à induction à démarrage par condensateur,
  • Et enfin, le moteur à induction à condensateur permanent.

Si vous avez envie d’en savoir plus sur ces différents moteurs asynchrones monophasés, vous trouverez votre bonheur dans cet article.

Il est en anglais, et demande des compétences électriques sérieuses. Mais en résumé, il montre que chacune des technologies de moteur asynchrone monophasé est en réalité une manière de répondre au plus gros défaut de ce moteur.

Et ce défaut est terrible, puisqu’il est incapable de démarrer sans l’aide d’un artéfact extérieur (comme une phase auxiliaire).

Les moteurs asynchrones triphasés

Les moteurs asynchrones triphasés sont ceux qu’on retrouve dans les pompes industrielles ou dans certains véhicules électriques.

Nous l’avons vu plus haut, ils ont de nombreux avantages pour ces usages. Leur prix et leur robustesse par exemple. Mais quand on parle de moteur asynchrone triphasé, on parle en réalité de deux technologies différentes :

  • le moteur à induction à cage d’écureuil,
  • et le moteur à rotor bobiné.

Voici à quoi ils ressemblent.

Le moteur à induction à cage d’écureuil

Voilà à quoi ressemble un moteur asynchrone triphasé à cage d’écureuil :

moteur asynchrone cage d'écureuil

La première remarque qu’on peut faire en observant cette image, c’est qu’elle ressemble comme deux gouttes d’eau à l’image du moteur asynchrone monophasé qu’on a vue juste avant.

La seule différence qui nous fait penser que ce moteur est bien triphasé, c’est qu’on observe bien 3 fils au-dessus du moteur (le jaune, le rouge et le vert).

La deuxième remarque, c’est que ce rotor en cage d’écureuil porte un nom bien énigmatique.

Car je ne sais pas ce qu’il en est de votre lecture de la chose, mais en regardant ce rotor, je suis à mille lieux de distinguer une cage d’écureuil.

Pourquoi l’appeler de cette manière dans ce cas ?

Simplement : il suffit de retirer des couches d’acier laminé pour voir apparaître une cage d’aluminium, qui nous fait penser en bonne et due forme à celle où on fait courir les écureuils qui débordent d’énergie.

La preuve en image :

cage d'écureuil

En effet, le rotor en cage d’écureuil est constitué d’une cage comme on peut voir à droite, parcourue de barres en aluminium qui conduisent l’électricité. Et entre ces barres, on a inséré des petits disques d’acier qui servent à conduire plus efficacement le champ magnétique.

Voilà donc la raison de ce nom pour le moins original.

D’ailleurs, si vous êtes fans de Tesla, ce moteur doit forcément vous rendre nostalgiques. Car c’est avec ce moteur que Tesla est devenu le constructeur qu’on connaît aujourd’hui, puisqu’il équipait les Modèles S et X.

Mais les temps ont bien changé.

Aujourd’hui, Tesla utilise un moteur synchrone (pour les raisons que j’ai évoquées plus haut).

Quant aux intérêts du moteur asynchrone à cage d’écureuil, j’ai rédigé un article très complet sur le sujet. Je vous conseille donc d’aller le voir directement pour connaître les détails techniques, économiques et environnementaux de ce moteur.

Mais attention, je dois vous prévenir.

Si vous le lisez, vous risquez de ne plus regarder du même oeil les véhicules électriques disponibles sur le marché. Vous vous demanderez à chaque instant pourquoi les constructeurs s’entêtent à ne pas l’utiliser de manière plus vaste.

C’est la vie, la connaissance est parfois une rude malédiction.

À vous de choisir !

Le moteur à induction à rotor bobiné

Le moteur à induction à rotor bobiné est équipé d’un rotor bien particulier :

En le voyant, on comprend parfaitement son nom. Car à la place des barres en aluminium qui donnaient l’impression de voir tourner une cage d’écureuil, le moteur à rotor bobiné est parcouru de bobines de fils.

L’un des avantages de cette technologie, c’est qu’elle garantit une courbe de couple un peu plus nerveuse que son homologue à cage d’écureuil.

Du reste, ce moteur ressemble beaucoup au moteur à cage d’écureuil, dans ses caractéristiques comme dans son fonctionnement. Si vous voulez le découvrir plus en profondeur, l’article que j’ai rédigé sur les moteurs à induction vous sera donc utile.

Sans compter qu’il est probable que la lecture de cet article vous donne un aperçu du futur de la mobilité électrique. Car on n’est pas à l’abri que les constructeurs se mettent à faire des choix intelligents.

Attention : ne pas confondre le moteur à induction à rotor bobiné, et le moteur synchrone à rotor bobiné

Le moteur à induction à rotor bobiné n’est pas la même technologie de moteur que le moteur synchrone à rotor bobiné utilisé par Renault. J’ai longtemps confondu les deux, pensant bien faire, mais ce sont deux moteurs différents.

Et c’est Pascal Caumon, qui s’est occupé des moteurs des premières Zoé qui m’a rappelé à l’ordre.

J’ai donc prévu de rédiger un article sur le moteur Renault, pour clarifier les choses.

Le moteur asynchrone est-il le moteur du futur ?

Si on fait le résumé de cet article, et qu’on ajoute les conclusions de l’article sur le moteur à induction que j’ai cité plus haut, voilà ce qu’on doit retenir :

  • Le moteur asynchrone est le moteur électrique le plus simple, ce qui lui donne un avantage concurrentiel évident dans la période de tension énergétique qui nous attend.
  • Le moteur asynchrone est par la même occasion le moteur le moins cher, ce qui le rend particulièrement pertinent pour laisser plus de liberté aux constructeurs de véhicules électriques afin d’exploiter les technologies de batteries moins nocives pour l’environnement.
  • Et le moteur asynchrone n’exige l’utilisation que de minerais abondants dans notre sol (ou de métaux que nous savons recycler à grande échelle), ce qui lui permet de faire face à l’explosion de la mobilité électrique sans nous enchaîner à tel ou tel minerai rare.

Alors quoi ?

Doit-on se contenter de ce constat érudit que nous venons de faire, en nous targuant d’avoir reconnu avant les autres le moteur du futur ?

Bien sûr que non !

Car dans cette période instable d’adaptation aux grands changements environnementaux, chaque seconde compte. On ne peut donc pas se permettre de jouer à ceux qui savaient avant tout le monde. On doit agir, et convaincre autant de monde que possible qu’il est temps de changer de cap.

Le tout-technologique et l’ère des grands slogans marketing est révolu.

Maintenant, on doit réfléchir à chaque milligramme des produits qu’on conçoit. L’objectif final étant que chacun sur cette planète ait la place de vivre sa vie confortablement sans subir les choix des autres.

Ça passe alors par une réinvention des moyens de mobilité qui font notre quotidien :

  • les vélos,
  • les voitures,
  • mais aussi les bus,
  • et bien sûr les motos.

Mais parmi ces moyens de transport, c’est la moto électrique qui va exploser de la manière la plus éclatante. Car comme les vélos et les voitures ont eu leur révolution respectivement au début et au milieu du 20ème siècle, je crois que le 21ème siècle est le siècle des motos électriques.

Et je vais tout faire pour participer à leur avènement, tellement je crois en leur pertinence.

Si vous êtes aussi convaincus que moi (ou que vous demandez à voir), le journal que je rédige quotidiennement risque de vous intéresser.

J’y partage en effet toutes mes pensées, mes découvertes et mes apprentissages sur la moto électrique que je suis en train de concevoir. Et le moins qu’on puisse dire, c’est qu’elle sera en rupture totale avec ce qui existe aujourd’hui.

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On se retrouve de l’autre côté !

P.S. : si vous souhaitez découvrir la moto électrique sur laquelle je travaille en ce moment, soyez attentif au paragraphe ci-dessous.

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