SynRM vs PMSM : moteurs à réluctance synchrone et à aimants permanents expliqués

Presque tous les gains de rendement moteur au-dessus d'IE4 proviennent de deux technologies : le moteur à réluctance synchrone (SynRM) et le moteur synchrone à aimants permanents (PMSM). Tous deux laissent derrière eux le moteur asynchrone à cage classique, tous deux atteignent IE5 et dans certains cas IE6, et tous deux partagent une chose souvent négligée : ils ne fonctionnent pas sur le réseau, mais uniquement avec un variateur de fréquence. Cet article explique comment ils diffèrent, pourquoi cette différence compte, et quand choisir quelle technologie.

Asynchrone vs synchrone : les bases

Un moteur asynchrone classique (moteur à cage) tourne toujours légèrement plus lentement que le champ tournant du stator : cette différence, le glissement, est nécessaire pour induire dans le rotor un courant qui génère le couple. Ce courant rotorique induit provoque des pertes, et ce sont précisément ces pertes qui forment la limite supérieure du rendement qu'un moteur asynchrone peut atteindre. En pratique, IE4 constitue à peu près ce plafond.

Un moteur synchrone tourne exactement en synchronisme avec le champ tournant, sans glissement. Aucun courant n'est induit dans le rotor, de sorte que les pertes associées disparaissent. C'est exactement pourquoi le SynRM et le PMSM, tous deux à principe synchrone, peuvent dépasser IE4. La différence entre les deux réside dans la manière dont le rotor est entraîné en synchronisme.

Qu'est-ce qu'un SynRM (réluctance synchrone) ?

Un moteur à réluctance synchrone possède un rotor sans enroulements et sans aimants : seulement un paquet de tôles d'acier astucieusement façonné avec des évidements (barrières de flux). Le rotor suit le champ tournant car le flux magnétique cherche toujours le chemin de moindre résistance (réluctance). Le champ tournant entraîne pour ainsi dire le rotor le long de l'axe de réluctance minimale.

Le grand avantage : pas d'aimants et pas de courant rotorique signifie un rotor froid et robuste, sans dépendance aux terres rares. Le rotor s'intègre en outre dans le même carter qu'un moteur asynchrone standard, ce qui simplifie le remplacement à l'identique. ABB commercialise cette technologie sous le nom SynRM, associée à un variateur adapté.

L'inconvénient : un SynRM a un facteur de puissance et une densité de puissance légèrement inférieurs à ceux d'un PMSM, et ne fournit son meilleur rendement qu'en combinaison avec un variateur bien réglé. Pour la plupart des applications de pompes, ventilateurs et compresseurs, cela est largement suffisant.

Qu'est-ce qu'un PMSM (aimants permanents) ?

Un moteur synchrone à aimants permanents possède des aimants dans ou sur le rotor (généralement néodyme-fer-bore). Ces aimants fournissent un champ rotorique constant qui tourne en synchronisme avec le champ tournant du stator. Comme le champ rotorique est fourni par les aimants et n'a pas besoin d'être induit, le PMSM est très efficace, compact et offre un couple élevé.

Les moteurs PMSM atteignent généralement la densité de puissance la plus élevée et le meilleur facteur de puissance de tous les types de moteurs, ce qui en fait le premier choix là où l'espace ou le poids est critique, ou là où un très haut rendement à charge partielle compte. Ils sont également courants dans les applications servo et la traction.

Les inconvénients : les aimants rendent le moteur plus sensible aux températures élevées (risque de démagnétisation) et dépendant du prix et de la disponibilité des terres rares. En cas de coupure réseau, un PMSM en rotation peut en outre renvoyer de la tension, ce qui requiert une attention lors de la conception.

SynRM vs PMSM : la comparaison

En bref : choisissez le SynRM pour la robustesse, un rotor froid, l'absence de dépendance aux aimants et un remplacement à l'identique simple dans les applications industrielles de pompes et ventilateurs. Choisissez le PMSM là où la densité de puissance maximale, le rendement le plus élevé ou le plus petit volume d'encombrement sont déterminants, et où la température est maîtrisable.

Les deux technologies atteignent IE5. Avec une conception optimisée, le PMSM peut évoluer vers IE6. Le SynRM offre en pratique le coût total de possession le plus bas pour les applications industrielles standard, tandis que le PMSM excelle dans les applications compactes, très dynamiques ou critiques en poids.

Comment ils atteignent IE5 et IE6

Les classes de rendement IE1 à IE6 sont définies dans la norme IEC 60034-30-1 (IE1 à IE4) et la norme ultérieure IEC TS 60034-30-2 (IE5 et au-delà). Chaque palier de classe représente environ 20% de pertes en moins que le précédent. Là où un bon moteur asynchrone plafonne à IE4, le SynRM et le PMSM atteignent IE5, et avec le PMSM, IE6 est réalisable dans des versions spécifiques.

Pour traduire le rendement en euros : en fonctionnement continu, chaque palier de classe représente rapidement des centaines d'euros par an et par moteur. Calculez votre propre situation avec notre calculateur d'économies d'énergie, qui convertit la différence entre les classes IE en kWh, euros et temps de retour.

Pourquoi un variateur de fréquence est requis

C'est le point qui provoque le plus souvent des surprises en pratique : ni un SynRM ni un PMSM ne peuvent démarrer directement sur le réseau. Un moteur asynchrone démarre de lui-même grâce au glissement ; un moteur synchrone non, car le rotor ne peut pas rattraper depuis l'arrêt le champ statorique tournant soudainement à pleine vitesse. Les deux types nécessitent donc toujours un variateur de fréquence qui augmente progressivement la fréquence à partir de zéro.

Ce n'est pas un inconvénient mais souvent un avantage : le variateur assure une régulation de vitesse continue, un démarrage progressif et, dans les applications de pompes et ventilateurs à charge variable, des économies d'énergie supplémentaires au-delà du gain du moteur lui-même. Cela signifie toutefois que vous devez spécifier le moteur et le variateur comme un seul système. Pour en savoir plus sur le choix et les aspects CEM, lisez notre article sur les variateurs de fréquence.

Quand choisir lequel ?

Pour une pompe, un ventilateur ou un compresseur standard en fonctionnement continu, où vous souhaitez économiser de l'énergie tout en restant proche d'un remplacement à l'identique : SynRM. Robuste, froid, sans aimants et disponible chez ABB dans des carters familiers.

Pour les applications compactes, la haute dynamique, le servo, la traction ou là où chaque pourcent de rendement à charge partielle compte : PMSM. Là où vous exploitez actuellement un moteur IE3 et où l'installation possède déjà ou recevra un variateur de fréquence, le passage à un SynRM ou PMSM IE5 vaut presque toujours la peine d'être calculé.

Indécis entre conserver votre moteur asynchrone actuel ou changer ? Notre base de connaissances traite ce compromis séparément dans réparer ou remplacer et dans classes de rendement IE.

Recommandations pratiques

Spécifiez toujours le moteur et le variateur de fréquence ensemble comme un système, pas séparément. Pour une demande IE5/IE6, demandez le rendement à votre point de fonctionnement réel, pas seulement à pleine charge ; c'est précisément à charge partielle que les technologies divergent. Avec le PMSM, tenez compte de la température maximale de bobinage et du comportement de réinjection en cas de coupure réseau. Et avant de remplacer, faites calculer le temps de retour sur la base de vos heures de fonctionnement et du prix de l'électricité.

Van Bodegraven fournit à la fois des solutions ABB SynRM et PMSM, avec des variateurs ABB adaptés, et conseille sur le bon choix pour votre application. Nous livrons depuis le stock UE d'ABB avec de courts délais.

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