Les différents types de moteurs électriques
Plan de l'article :
Tout comme les moteurs thermiques présentent diverses architectures, les moteurs électriques offrent également une variété de conceptions avec des fonctionnements spécifiques. Car si ils carburent tous aux électrons, leur manière de les utiliser est un peu différente. Voyons donc les quatre grands types de moteurs électriques pour voiture ainsi que leurs caractéristiques.
Les grandes familles de moteurs électriques
| Moteurs synchrones | Asynchrone(s) |
|---|---|
| Aimant permanent | À induction / cage d'écureuil |
| À excitation | |
| À réluctance variable |
Moteur à aimant permanent
C'est le moteur le plus répandu dans la production automobile et on peut même dire qu'il a le monopole !
Le rotor (centre du moteur, l'élément qui tourne) est ici composé d'un aimant permanent, à savoir un métal ferreux qui a été fondu en faisant en sorte que le spin des atomes soient tous dans le même sens. On le fait donc refroidir avec ces atomes organisés de la sorte, à savoir tous les atomes qui pointent le + et le - dans la même direction.
Le souci est que cela nécessite des terres rares, un sujet assez sensible en ce moment.
Plus d'infos sur le moteur à aimant permanent
Moteur synchrone ?
Ce type de moteur est dit synchrone, car le courant électrique qui tourne autour du rotor (dans les bobines du stator) aura le même rythme que la vitesse de rotation du rotor. Le courant tournant dans le stator est donc synchronisé (synchrone) avec le rotor. Avec le temps, la démagnétisation de l'aimant permanent peut mener à des baisses de performance.
Rendement du moteur à aimant permanent ?
Le moteur électrique à aimant permanent a un excellent rendement tant que les vitesses ne sont pas trop élevées. En effet, à partir d'un certain régime l'aimant produit à son tour un courant parasite contraire dans le stator ... Les perturbations viennent alors freiner la rotation du rotor et l'efficience fond comme neige au soleil. C'est pour ça que beaucoup de voitures électriques ont un mauvais rendement sur autoroute (bien que ce soit aussi lié à la transmission). Pour palier à cela, certains constructeurs comme Porsche installent une mini boîte de vitesses à deux rapports, ce qui évite au passage des surchauffes (et donc potentiellement la fonte d'un fil de cuivre dans le stator, ce qui met HS le moteur). Car oui, ce retour (retour de force électromotrice / back EMF en anglais) produit de l'électricité dans le stator, et donc aussi de la chaleur (effet Joule).
Son rendement peut aller jusqu'à 93%, mais c'est une valeur grossière puisque ça dépend du régime et de la conception du moteur. A des vitesses élevées on peut tomber largement sous les 60% de rendement.
Moteur à induction
Le moteur à induction est finalement très proche du moteur à aimant permanent. En effet, au lieu d'intégrer un aimant dans le rotor, on y met à la place un électro-aimant.
Ici pas besoin d'alimenter le rotor en électricité pour que l'électro-aimant du rotor voit des pôles apparaître, c'est beaucoup plus simple et pratique dans les faits. Quand j'envoie du courant dans le stator, il va devenir un électro-aimant (qui tourne grâce au jeu des courants alternatifs introduits) qui, à son tour, va induire de l'électricité dans le rotor (cage d'écureuil) . Le rotor va donc lui aussi devenir un aimant grâce au courant qui le traverse ... Au final, les rotor et stator sont des aimants qui interagissent entre eux, ce qui permet de mouvoir le moteur.
Plus d'infos sur le moteur à induction
Moteur asynchrone ?
En devenant un électro-aimant, le rotor n'est plus aussi efficace et puissant qu'un aimant permanent. En réalité, il y a dans le rotor et le stator un courant alternatif qui les traversent, et cette fréquence est logiquement un peu plus réduite dans le rotor (ça arrive avec un peu de latence, la vitesse de la lumière n'étant pas infinie), ce qui induit un glissement / décalage de vitesse entre le courant qui tourne dans le stator, et celui qui est dans le rotor.
Rendement du moteur à induction asynchrone
Le rendement est ici forcément moins bon puisqu'il y a un glissement entre stator et rotor (de 80 à 88%). Il faut donc générer plus de "cycles électriques" dans le stator pour arriver à un même nombre de tours de rotors. Par exemple, si je fais tourner mes électrons sur 100 tours dans stator d'un moteur à aimant permanent, mon rotor va aussi tourner 100 fois. Sur un moteur asynchrone induit, j'aurais par exemple "90 tours de rotor" pour "100 tours de stator".
Mais les choses sont plus subtiles puisque si un moteur à aimant permanent a un meilleur rendement au global, à très haute fréquences (et donc vitesse plus élevée dans le cas d'une voiture électrique) les choses ont tendance à s'inverser ... Le moteur à induction asynchrone aura une meilleure efficience.
Moteur à balais
C'est ce qu'on retrouve dans les Zoe, à savoir un moteur dont le rotor est constitué d'un électro-aimant (donc des bobines de cuivre). La différence ici avec l'induction est que le courant ne sera pas induit par le stator dans le rotor. C'est beaucoup plus simple à comprendre mais plus fastidieux à mettre en oeuvre. Il s'agit en effet d'alimenter en électricité le rotor, et pour faire cela on utilise des balais. Les balais permettent d'établir un contact entre la batterie de traction et le rotor qui tourne continuellement (il faut donc établir une connexion électrique entre deux éléments qui sont en mouvement, on fait donc frotter un matériaux conducteur contre la surface du rotor).
Le stator est ici soit composé d'aimants permanents soit de bobines (qui devront alors être alimentées).
Plus d'infos sur le moteur à excitation synchrone à rotor bobiné
Synchrone ?
Il n'y a pas de glissement comme avec le moteur à induction puisque la fréquence électrique dans le rotor est pilotée par le calculateur (qui gère lui-même la fréquence du courant continu). Il n'y a donc pas de décalage entre stator et rotor, le rotor n'étant plus en réaction par rapport stator au niveau de l'électricité qui le parcourt. Il fonctionne donc comme un moteur à aimant permanent, sauf que l'aiment n'est ici pas permanent mais alimenté par une source électrique (et non pas par une source magnétique dans le cas d'un moteur à induction).
Rendement ?
On est ici entre les aimants permanents et l'induction. Comme il faut alimenter le rotor en électricité, contrairement à l'aimant permanent, nous allons alors plutôt tomber à 90% de rendement.
Moteur à réluctance variable
Utilisé pour les machines de haute précision dans l'industrie, certaines marques ont eu l'idée de l'exploiter pour la propulsion automobile. Le moteur à réluctance variable n'utilise pas vraiment la force électromagnétique "habituelle" (+ qui attire le moins, - qui repousse le - etc.), mais la réluctance : à savoir qu'un champ magnétique "préfère" traverser certains matériaux que d'autres (un métal plutôt qu'un gaz par exemple). Si par exemple je crée une boucle magnétique (ex : un banal aimant qui boucle du + vers -) et que je dissémine à côté des bouts de métaux légers autour (limailles), ils vont naturellement s'aligner sur les lignes de champs. Si vous forcez les petits morceaux à ne pas bouger (je les colle par exemple), alors c'est la boucle magnétique qui va se déformer pour les traverser (elle préfère ça à devoir traverser le gaz, à savoir l'air). On parle alors de réluctance / perméance variable.
Plus d'infos sur le moteur à réluctance variable
La réluctance n'est toutefois pas seule à entrer en jeu dans les moteurs de voitures électriques, il ne suffirait pas à garantir un fonctionnement optimal sur toutes les plages de régime, et il pourrait même devenir un peu trop gourmand à bas régime. On associe donc ici la réluctance à des aimants permanents.
Pour les bas régime le stator va fonctionner pour stimuler principalement les aimants permanents (dépend de l'angle du champ magnétique tournant par rapport à l'angle du rotor qui contient les aimants) et pour les hauts régimes cet angle sera positionné pour stimuler principalement la réluctance (en changeant l'angle on en profite aussi pour "casser" le champ magnétique de l'aimant permanent afin de ne pas subir le retour de force électromotrice généré par les aimants dans le stator, le souci numéro un des moteurs à aimants permanents).
Synchrone ?
Le moteur à réluctance est synchrone, la vitesse des champs tournants est identique à la vitesse du rotor. C'est un moteur pas à pas dans le cas des machines industrielles de haute précision (piézoélectrique).
Rendement ?
Il atteint dans les 95 à 96% de rendement, mais à des régimes faibles l'aimant permanent reste encore meilleur. Les moteurs électriques automobiles utilisant la technologie de réluctance variable cumulent donc réluctance et aimants permanents.
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