Le synchrone à aimants permanents, le choix de la performance
Rendement excellent, machine compacte, plage de fonctionnement idéale pour un usage automobile… Ces atouts font de la machine synchrone à aimants permanents la technologie la plus utilisée dans l’auto. Ils viennent de l’usage d’aimants permanents pour produire le champ magnétique du rotor, contrairement aux deux autres technologies disponibles sur le marché qui utilisent des bobinages. « L’excitation magnétique ne consomme donc pas d’énergie », explique le spécialiste des moteurs électriques Xavier Rain. Le stator est, comme dans les deux autres machines, constitué de tôles ferromagnétiques et de bobinages parcourus par un courant triphasé. Le couple de la machine synchrone à aimants permanents est ainsi créé par l’interaction entre le champ électromagnétique tournant du stator et le moment magnétique du rotor. Des modèles comme la Nissan Leaf, la Volkswagen ID.3, la Peugeot e-208, la Tesla Model 3 ou la BMW i3 utilisent la technologie synchrone à aimant permanent. L’équipementier Bosch s’est également laissé séduire. « Notre eAxle (moteur synchrone, système de transmission, électronique de puissance) est un couteau suisse qui se monte dans tout type de véhicule. Par sa compacité, le synchrone à aimants permanents permet cette approche modulaire », explique Éric Chevalier, ingénieur en chef chez Bosch France. L’américain Lucid Motors, qui lance la pré-production de son premier modèle cette année, a également misé sur cette techno phare. Ce moteur présente toutefois plusieurs inconvénients : ses aimants sont fabriqués à base de terres rares, son coût est élevé, il est impossible de réguler l’excitation magnétique, il nécessite un refroidissement performant…
L’asynchrone à cage d’écureuil, solide et fiable
Production en série maîtrisée, robuste, sans terres rares… Les avantages de la machine asynchrone en ont fait la technologie dominante dans l’industrie. Dans l’automobile, les machines asynchrones utilisées sont dites « à cage d’écureuil », en raison de la forme du rotor constitué de barres conductrices en aluminium – ou plus rarement en cuivre – reliées par deux anneaux en court-circuit. Le terme « asynchrone » provient du fait que le rotor ne tourne pas à la même vitesse que le champ tournant du stator. Produit par des bobinages alimentés en triphasé, le champ statorique crée un flux magnétique variable à travers le rotor, ce qui génère des courants induits dans les barres conductrices. La circulation de ces courants en présence du champ statorique crée une force de Laplace sur les barreaux qui exerce un couple sur le rotor. Audi et Mercedes-Benz, notamment, ont opté pour ce type de moteur, par ailleurs utilisé pour les TGV et le métro parisien. « L’asynchrone, c’est le moteur de traction par excellence ! », juge Xavier Rain. L’Audi e-tron, qui embarque une batterie de 95 kWh et trois moteurs, parvient ainsi à passer de 0 à 100 km/h en moins de cinq secondes. D’autres constructeurs sont plus prudents, optant pour la motorisation asynchrone couplée à un synchrone à aimants permanents, comme Tesla (Model 3) et Volkswagen (ID.3).
Le synchrone à rotor bobiné, un savoir-faire à maîtriser
Bon rendement, réglage du niveau d’excitation, absence de terres rares… Autant d’atouts pour la technologie à rotor bobiné qui ont convaincu Renault à miser sur cette machine. Il fut parmi les premiers à le faire. D’autres constructeurs lui emboîtent désormais le pas, à l’instar de BMW qui doit lancer son modèle i4 d’ici à la fin de l’année. Le synchrone à rotor bobiné fonctionne sur le même principe que le synchrone à aimants permanents, à la différence que le champ magnétique du rotor est créé par le passage du courant dans le bobinage. Le processus de fabrication est ainsi plus complexe à maîtriser, nécessitant des investissements lourds en R & D. « La structure du rotor est plus complexe que dans les autres technologies : le bobinage du rotor, avec ses fils, sa résine et ses pièces de maintien, doit résister aux forces centrifuges à vitesse élevée (jusqu’à 12 000 tours par minute sur la Zoé) et aux contraintes thermiques », explique Édouard Nègre, spécialiste des moteurs électriques chez Renault. « C’est plus cher en développement, mais moins onéreux à grande échelle puisqu’il n’y a pas de terres rares », souligne Olivier Dufieux, le chef du service stratégie, planning, processus chez BMW France. L’investissement en vaut donc la chandelle, d’après Édouard Nègre, qui met en avant l’avantage de pouvoir moduler le courant d’excitation dans le rotor. À la clé, la possibilité de réduire l’excitation quand le moteur n’a pas besoin d’être fortement sollicité, ce qui diminue les pertes magnétiques et permet donc un rendement élevé à faible charge.
Infographies : Florent Robert
