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Les secrets des moteurs des voitures électriques

La rédaction

Si tous les moteurs électriques se ressemblent, les choix de technologies et d'architectures de conception conduisent à des différences notables en fonction de l'application envisagée. De plus, les critères de coût de fabrication et de fiabilité ont un impact fort sur les solutions développées par les constructeurs automobiles.

L'arrivée de la voiture électrique dans nos rues concrétise un vieux rêve dont les premières réalisations remontent déjà à la fin du XIXe siècle. En effet, la « Jamais contente », bolide propulsé par deux moteurs Postel-Vinay de 25 kW, fut en 1899 le premier véhicule à dépasser les 100 km/h. Mais il faudra tout de même attendre plus d'un siècle pour voir arriver la démocratisation et la diffusion à plus grande échelle des voitures électriques et ceci dans de nombreux segments, de la Twizy biplace de Renault à la berline de luxe de Tesla-Motors. Cet intérêt pour la traction électrique automobile est principalement dû aux performances des moteurs électriques (fort rendement, réversibilité, maîtrise du couple...), qu'il s'agisse des technologies classiques (MCC, MS et MAS) ou plus confidentielles (RV).

 

Déjà reconnus depuis plus d'un siècle pour leur très bon rendement et pour leur réversibilité énergétique, les machines électriques tournantes possèdent une autre propriété très intéressante pour l'application à la traction automobile : la facilité de maîtrise de leur couple sur une très large plage de vitesses. En effet, dans le domaine de la traction automobile, que la motorisation soit thermique, électrique ou hybride, on souhaite disposer à basse vitesse d'un couple maximal, puis au-delà du point de fonctionnement nominal, on doit pouvoir augmenter le régime, tout en gardant la puissance constante (Fig. 1).

Alors que ces propriétés, et particulièrement la première à basse vitesse, sont très contraignantes pour un moteur thermique, elles apparaissent comme presque « naturelles » pour les moteurs électriques. Pour comprendre cet « avantage concurrentiel », il est primordial de savoir comment on génère un couple moteur à partir de l'énergie électrique.

 

1. LA MACHINE À COURANT CONTINU

 

La caractéristique de la traction idéale

 

La première approche est basée sur la découverte de Pierre Simon de Laplace (1749-1827) concernant la production d'une force mécanique par interaction entre un courant électrique et un champ magnétique (Fig. 2). Cette force de Laplace permet de comprendre le fonctionnement des machines à courant continu (MCC).

Les MCC sont constituées d'un stator portant le circuit inducteur (un bobinage parcouru par un courant ou un aimant permanent) qui génère le champ magnétique constant, d'un rotor sur lequel est bobiné le circuit induit parcouru par le courant et d'un système balais-collecteur permettant l'inversion du courant (Fig. 3). L'effet du champ magnétique sur chacune des spires de l'induit crée des couples de forces entraînant sa rotation. C'est la somme des moments des couples de forces qui constitue le moment du couple électromagnétique (Ce) de la MCC. Celui-ci s'exprime par la formule Ce = K?i où : K est un coefficient de proportionnalité qui dépend du nombre de paires de pôles magnétiques, du nombre de conducteurs, et du nombre de voies d'enroulement ; ? est le flux magnétique créé par l'inducteur, il est donc constant lorsque l'inducteur est à aimant permanent et dépend du courant d'excitation lorsque l'inducteur est bobiné ; i est l'intensité du courant traversant l'induit. Une seconde relation, E = K??, permet de manière symétrique de lier la force électromotrice (tension à vide) E à la vitesse de rotation angulaire du rotor ?. Ces deux relations permettent de comprendre pourquoi les moteurs électriques conviennent pour décrire la caractéristique de traction idéale. En effet, pour obtenir le fonctionnement à basse vitesse (voire nulle), il « suffit » de maîtriser le champ magnétique inducteur d'une part (et donc le flux), et l'intensité du courant induit d'autre part pour obtenir le couple voulu et ceci indépendamment de la vitesse du rotor qui est pilotée par la tension d'alimentation. En haute vitesse, on peut aussi travailler à puissance constante en diminuant le flux inducteur. En effet, si E est maintenu constant, une diminution du flux ? entraîne une augmentation de la vitesse angulaire ?. On parle alors de défluxage.

La simplicité du pilotage de la vitesse des MCC a naturellement été exploitée dans les premières applications industrielles de traction électrique (automobile, ferroviaires...). Toutefois, deux handicaps majeurs ont rendu cette technologie obsolète. Tout d'abord, le système balais-collecteur est le siège d'arcs électriques d'autant plus importants que la puissance de la machine augmente. Il est par ailleurs fragile et limite la vitesse de fonctionnement de ces moteurs. De plus, la puissance de ces machines étant principalement liée à l'intensité des courants d'induit, une augmentation de la puissance implique un accroissement de la masse de cuivre et donc du poids du rotor. La puissance massique de la MCC est donc beaucoup plus faible que celle de ses concurrentes directes, à savoir, les Machines synchrones (MS) et asynchrones (MAS).

 

2. LES MACHINES À COURANT ALTERNATIF

 

Les machines synchrones et asynchrones triphasées sont les plus fréquemment utilisées dans les applications de traction électrique moderne que ce soit en mode tout électrique (Twizy, Zoé, Leaf, e-Golf ...) ou hybrides (Prius, BMW i8, Mercedes-Benz S500 Plug-In Hybrid...). Le couple électromagnétique est obtenu par l'interaction d'un champ inducteur généré dans le stator par un système de courants triphasés et d'un champ magnétique porté par le rotor qui peut être soit constant (machine synchrone à rotor bobiné ou à aimant permanent), soit induit (machine asynchrone).

 

a. Obtention du couple dans une machine synchrone

La génération du couple dans une machine synchrone peut se comprendre simplement. Plaçons un aimant de moment magnétique M, libre de tourner autour d'un axe, dans un champ magnétique uniforme B. Le moment magnétique est alors soumis à un couple électromagnétique dont le moment est Ce = M?B (Fig. 4).

On peut alors déduire aisément que : le moment du couple électromagnétique est maximal pour ? = ?/2, le champ magnétique est alors perpendiculaire à l'axe magnétique de l'aimant ; si la direction de B est fixe, l'aimant s'aligne sur la direction de B et le mouvement s'arrête ; pour entraîner l'aimant en rotation continue, il faudra produire un champ magnétique tournant. Si de plus on veut conserver le couple constant il faudra conserver l'angle ? constant, autrement dit : l'aimant et le champ tournant doivent tourner à la même vitesse.

Dans un moteur synchrone (Fig. 5), le rotor porte des aimants permanents (MSAP) ou un inducteur bobiné (MSRB) et tient le rôle de l'aimant dans l'expérience précédente. Le stator porte trois bobines décalées de 2?/3 dans l'espace et alimentées par trois courants triphasés équi-librés qui créent un champ tournant[…]

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