Le moteur à induction synchrone à rotor bobiné (excitation externe)

Dernière modification : 20/03/20252

Les moteurs électriques évoluent généralement peu dans leur architecture mais il reste malgré tout quelques avancées récentes, et les moteurs synchrones à excitation externe par induction sont l'une des dernières manières de les concevoir. Cette technologie permet de se passer des terres rares, tout en offrant un excellent rendement, notamment sur autoroute. Mais comment fonctionne ce type de moteur et en quoi est-il différent des autres ? Voici une explication simplifiée.

Un moteur synchrone… mais sans aimants ni balais !

Dans la plupart des voitures, les moteurs synchrones utilisent des aimants permanents fixés sur le rotor pour générer le champ magnétique nécessaire à leur fonctionnement. Il existe aussi les moteurs synchrones à rotor bobinés qui utilisent des balais et des bagues (contacts mobiles) pour alimenter l'électro-aimant du rotor, et c'est ce moteur qui se rapproche le plus de celui qu'on parle dans cet article. En gros il existe deux types de moteurs synchrones : un où le rotor est un aimant et l'autre où le rotor est un électro-aimant. Le dernier type est le moteur asynchrone à induction.

A lire : les différents types de moteur électriques

Les versions à aimant permanent, qui sont les plus répandus sur le marché, sont à base de terres rares (comme le néodyme et le dysprosium), et ils posent plusieurs problèmes : coût élevé, impact environnemental et dépendance vis-à-vis de la Chine, qui contrôle une grande partie de leur production.

Les moteurs synchrones à excitation externe fonctionnent sans aimants et sans balais, mais restent pourtant synchrones, c'est-à-dire que leur rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique du stator (et ceux contrairement aux moteur à induction) . Cela est rendu possible grâce à un élément clé : le transformateur rotatif.

Une technologie étudiée depuis plusieurs années

Si cette technologie semble émerger aujourd’hui, le principe de l’excitation externe sans balais n’est pas nouveau. Un document technique coréen sur cette technologie datant de 2015 prouve que cette approche a été étudiée depuis plusieurs années avant d’être mise en œuvre à grande échelle.

Plusieurs équipementiers se sont penchés sur cette solution :

• ZF, un équipementier allemand, a développé un moteur synchrone sans aimants basé sur l’excitation externe.
• Valeo a récemment mis en avant un moteur similaire, mettant en avant une réduction de l’empreinte carbone et une meilleure densité de puissance.
• Bosch et d’autres acteurs du secteur s’intéressent également à cette alternative pour répondre aux enjeux économiques et environnementaux liés aux terres rares.

Comment transmettre l’électricité au rotor sans balais ni contacts ?

Dans un moteur synchrone classique à rotor bobiné, l’alimentation du rotor se fait via des balais et des bagues collectrices, qui assurent un contact mécanique pour transmettre l’électricité. Mais ces composants s’usent avec le temps et nécessitent un entretien régulier.

Les moteurs à excitation externe utilisent une solution sans contact mécanique : un transformateur rotatif. Voici comment il fonctionne :

1. Le stator contient un enroulement primaire alimenté en courant alternatif.
2. Le rotor intègre un enroulement secondaire, qui capte cette énergie grâce à l’induction électromagnétique.
3. Le courant alternatif reçu par le rotor est ensuite redressé via un pont de diodes pour produire un courant continu.
4. Ce courant continu alimente les bobinages du rotor, générant ainsi un champ magnétique contrôlable.

Grâce à ce système, l’excitation du rotor est entièrement maîtrisée sans contact physique, évitant ainsi l’usure et la maintenance des balais.

Explication des schémas

Les schémas associés à cette technologie illustrent deux aspects essentiels du fonctionnement du moteur :

1. Le premier schéma représente le principe du transformateur rotatif. On y voit l’enroulement primaire, côté stator, qui génère un champ magnétique variable. Ce champ est capté par l’enroulement secondaire, côté rotor, permettant ainsi d’induire un courant alternatif sans contact direct entre les deux parties.
2. Le deuxième schéma montre le redressement du courant dans le rotor. Une fois l’énergie transmise par induction, elle est convertie en courant continu via un pont de diodes. Ce courant continu est ensuite utilisé pour alimenter les bobinages du rotor et générer un champ magnétique stable, nécessaire au fonctionnement synchrone du moteur.

Schéma 2 expliquant plus en détail le transformateur rotatif pour redresser le courant :

 Il met en évidence :

1. Le couplage inductif entre l’enroulement primaire (fixe, situé sur le stator) et l’enroulement secondaire (mobile, sur le rotor).
2. Le transfert d’énergie sans contact mécanique, permettant d’alimenter le rotor sans balais ni bagues collectrices.
3. Le redressement du courant dans le rotor, qui transforme le courant alternatif induit en un courant continu utilisé pour l’excitation du rotor.

Pourquoi ce moteur est-il plus efficace, notamment sur autoroute ?

L’un des grands avantages de cette technologie est son rendement optimisé, en particulier à haut régime (= haute vitesse puisque les voitures électriques n'ont pas de boîte de vitesses). Contrairement aux moteurs synchrones classiques à aimants permanents, il ne souffre pas du problème de défluxage.

Qu’est-ce que le défluxage ? Dans un moteur à aimants permanents, le champ magnétique du rotor est toujours présent. À haute vitesse, il devient trop intense et doit être compensé en injectant un courant supplémentaire dans le stator pour éviter une surconsommation d’énergie. C’est ce qu’on appelle le défluxage, et il entraîne une perte d’efficience.

Les moteurs synchrones à excitation externe ne nécessitent pas de défluxage, car leur excitation est contrôlée électroniquement. Résultat : une consommation d’énergie mieux maîtrisée et une meilleure autonomie pour les véhicules électriques sur autoroute.

Autres avantages de cette technologie

• Une empreinte carbone réduite de 30% (selon Valéo) à 50% (selon ZF) par rapport à un moteur à aimants permanents notamment grâce à la suppression des terres rares.
• Un meilleur rendement énergétique grâce à la suppression des pertes liées aux balais (frottements) et à la gestion fine de l’excitation du rotor par l'électronique de puissance.
• Une fiabilité accrue puisque l’élimination des balais et des bagues collectrices réduit les risques d’usure et les besoins de maintenance.

Un choix écologique ou économique ?

Si l’argument écologique est souvent mis en avant pour justifier l’abandon des terres rares, il ne faut pas oublier que cette décision est aussi économique et stratégique. Les terres rares sont non seulement chères, mais leur approvisionnement est incertain et dépend en grande partie de la Chine. En se détachant de ces matériaux, les équipementiers sécurisent leur chaîne de production tout en réduisant leurs coûts.

De plus, ces moteurs sont potentiellement moins chers à produire à grande échelle que les moteurs à aimants permanents, même si leur électronique de puissance est plus complexe.

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