Si vous souhaitez approfondir la technologie des moteurs à combustion interne, vous devez être prêt à être bombardé de nombreux concepts différents. Moteurs atmosphériques, moteurs turbocompressés, injection directe, injection indirecte, ou les deux injections directe et indirecte ! Essence, diesel, GNC, GPL, cycle Atkinson, cycle Miller, cycle Budack, cycle Diesel et Otto (Voir moteur Mazda Skyactiv-X), turbo à géométrie fixe, turbo à géométrie variable, turbo à double volute, calage variable des arbres à cames… la liste est longue.
La question qui se pose presque automatiquement est la suivante : pourquoi avons-nous autant de conceptions et de concepts de moteurs à combustion interne ? La réponse est simple : aucun d’entre eux n’est suffisamment performant du point de vue de l’efficacité. Dans le but d’améliorer l’efficacité, de nombreux modèles ont été introduits tout au long de l’histoire de l’automobile par les ingénieurs. Cette variété de conceptions est-elle également pertinente pour les moteurs électriques ? Combien de types de moteurs avons-nous dans l’e-mobilité ? La réponse est seulement 3 principales. Faisons connaissance avec eux.
Moteur asynchrone - Brève leçon d'histoire
Le moteur à induction asynchrone n’est pas quelque chose de nouveau. Il a été inventé par deux chercheurs indépendants : le seul et unique Nikola Tesla et Galileo Ferraris. Même si apparemment l'inventeur italien a développé ce moteur pour la première fois en 1885, Nikola Tesla a été le premier à déposer le brevet en 1888.
L’invention du moteur à induction est sans aucun doute l’une des plus grandes réalisations dans l’exploitation de l’électricité pour alimenter nos vies. L’adoption de ce type de moteur est si répandue de nos jours qu’il est très difficile d’imaginer la vie quotidienne sans lui. De nombreux appareils électriques utilisent ces moteurs et la grande majorité des moteurs industriels sont de type asynchrone à induction.
Comment fonctionne un moteur à induction asynchrone ?
Tous les moteurs électriques comportent deux parties principales. Une pièce statique est appelée stator et une pièce rotative est appelée rotor. Commençons par le stator – généralement un cylindre en acier avec des fentes et des bobines de cuivre tissées selon une géométrie spécifique. Ces bobines sont alimentées par un courant alternatif triphasé qui a été converti du courant continu (fourni par la batterie) dans l'électronique de puissance. Ce courant crée un champ magnétique tournant dans le stator et la vitesse de ce champ magnétique tournant est appelée vitesse synchrone.
Essentiellement, voici comment fonctionne ce type de moteur : une tension alternative est appliquée aux bobines (ou enroulements) de cuivre et, par conséquent, nous obtenons un champ magnétique tournant, ce champ induit une tension dans le rotor qui, à son tour, fait circuler le courant. Ce flux de courant produit son propre champ magnétique tournant dans le rotor, qui est en retard sur le champ magnétique du stator. La force entre les deux champs magnétiques qui finit par déplacer le rotor est appelée force de Lorentz. Le mouvement du rotor est ensuite transféré aux roues de la voiture grâce à la réduction appropriée.
Ce moteur est dit asynchrone car les champs magnétiques tournants du rotor et du stator ne sont pas synchronisés. La partie induction provient du champ magnétique tournant, de la tension et du courant induits par le stator. Lorsque nous appuyons sur la pédale d’accélérateur, le champ magnétique du rotor est un peu en retard par rapport à celui du stator. Lorsque nous décélérons et que le moteur fonctionne en générateur (freinage par récupération), alors le champ magnétique tournant du rotor est en avant du stator. Cette différence dans les champs magnétiques tournants est appelée « glissement » et peut généralement atteindre 5 % selon la conception du moteur.
Le rendement typique d'un moteur à induction asynchrone triphasé utilisé dans l'industrie automobile est d'environ 90 %. En raison de sa robustesse, de sa simplicité, de sa longévité et de l’absence de matériaux exotiques, ce moteur est utilisé presque exclusivement dans les processus industriels. De plus, ses bonnes caractéristiques de surcharge en font un moteur parfait à la demande et c’est pourquoi il est souvent utilisé comme moteur avant dans les voitures électriques à traction intégrale.
Certaines des voitures utilisant les moteurs à induction asynchrones sont : les SUV Audi e-Tron, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, 3, les essieux avant XandYon et les voitures MEB du groupe VW les utilisent également sur les essieux avant.
Moteur synchrone à aimant permanent
La différence fondamentale entre les moteurs à induction asynchrones et les moteurs synchrones à aimants permanents réside dans la manière dont les champs magnétiques tournants dans le rotor et le stator sont produits et interagissent. Dans les moteurs synchrones à aimants permanents, il existe un champ magnétique rotatif natif, créé par des aimants permanents (d'où le nom du moteur) dans le rotor. Les champs magnétiques tournants du rotor et du stator de ces moteurs sont verrouillés et il n'y a pas de glissement.
Les aimants permanents du rotor sont l'un des éléments clés qui augmentent la densité de puissance et améliorent l'efficacité du moteur. La densité de puissance accrue signifie une puissance élevée dans un faible volume, c'est pourquoi les moteurs à aimants permanents sont utilisés exclusivement dans les PHEV. Le moteur électrique de ces véhicules est logé dans la boîte de vitesses et l’espace est limité.
Les aimants permanents sont fabriqués à partir de matériaux de terres rares, la Chine contrôlant la majorité d'entre eux. Des questions se posent quant aux aspects éthiques du processus d'exploitation minière et c'est pour cette raison que de nombreux fabricants tentent de réduire l'utilisation de ces matériaux dans leurs moteurs. Néanmoins, le moteur synchrone à aimant permanent est le roi du rendement - il peut atteindre jusqu'à 94-95 % et lorsqu'il n'y a qu'un seul moteur dans la voiture, alors c'est le type de moteur utilisé.
Des moteurs à aimant permanent sont utilisés dans les Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X et Y sur les essieux arrière. Les voitures MEB du groupe VW les utilisent également sur les essieux arrière, la Jaguar i-pace, l'Audi e-tron GT et la Porsche Taycan, pour n'en nommer que quelques-unes.
Moteur synchrone excité électriquement
Les moteurs synchrones à aimant permanent offrent le rendement le plus élevé, mais leur dépendance aux terres rares suscite des inquiétudes. Pour résoudre ce problème, des constructeurs tels que BMW, RenaultGroupe et Smart se sont tournés vers une architecture de moteur hybride, c'est-à-dire des moteurs synchrones qui ne dépendent pas d'aimants de terres rares.
Comment fonctionnent ces machines ? Au lieu d'utiliser des aimants permanents dans le rotor pour générer du flux, ils utilisent des balais et des bagues collectrices. Selon BMW, ce type de moteur offre un rendement allant jusqu'à 93 %, ce qui est très proche du rendement des moteurs à aimants permanents. Bien que le concept semble prometteur, l’inclusion des balais signifie qu’ils devront éventuellement être remplacés. Espérons que les fabricants développant ce type de moteur sélectionneront des balais ayant une durée de vie suffisamment longue.
Cette conception de moteur est utilisée dans les BMW iX3, iX et i4 ; la Renault MéganeE‑TECH ; et le Smart EQ.
