Aujourd’hui, trois types de motorisations électriques s’affrontent dans l’industrie automobile. Le synchrone à aimants permanents domine largement, avec 70 % de la production européenne des moteurs montés sur les véhicules 100 % électriques en 2020, d’après une étude du cabinet Inovev. La technologie synchrone à rotor bobiné se situe loin derrière (18 %), suivie par le moteur asynchrone (12 %).
Dans un livre blanc publié en 2019, le fournisseur de logiciels multi-physiques Motor Design compare les performances des trois technologies pour un moteur atteignant une puissance maximale de 150 kW et un couple maximal de 350 Nm avec un stator de diamètre inférieur à 25 cm. Les simulations confirment l’avantage du synchrone à aimants permanents : son pic de rendement monte ainsi jusqu’à 96,8 %, contre 95,5 % pour l’asynchrone et le synchrone à rotor bobiné.
Rien n’est joué
Selon Motor Design, son rendement se maintient même à 96 % sur une plage de 2 000 à 9 000 tours par minute pour un couple peu et moyennement élevé, ce qui correspond au cycle le plus courant d’un moteur de traction automobile. C’est le point faible de l’asynchrone, dont la surface de bon rendement se situe plutôt sur une plage de vitesse de rotation comprise entre 7 000 et 12 000 tours par minute. « En d’autres termes, la technologie asynchrone est meilleure que celle à aimants sur l’autoroute », remarque Xavier Rain, auteur de « Technologies des voitures électriques » (Dunod, 2021). Quant à la technologie à rotor bobiné, sa plage de bon rendement est comprise entre 5 000 et 10 000 tours par minute pour des niveaux de couples relativement élevés. « C’est en quelque sorte un compromis », estime Xavier Rain.
La partie est pourtant loin d’être perdue pour les deux challengers, qui disposent d’un argument de taille : ils sont moins coûteux car ils ne nécessitent pas d’aimants permanents à base de terres rares. « Il se répand l’idée selon laquelle être dépendant des aimants, c’est être dépendant de l’Asie. Une forme de magnet bashing est en train d’émerger », relève Ghislain Boiteau, le président d’Emotors. Si cette coentreprise entre Stellantis (ex-PSA) et Nidec s’est d’abord lancée dans la production de moteurs synchrones à aimants permanents, elle ambitionne de développer, dans les années à venir, les autres technologies de moteurs électriques.
« La simulation multi-physique est indispensable pour concevoir un moteur électrique »
Vincent Leconte, directeur commercial chez Altair Engineering, fournisseur de logiciels d’ingénierie.
Pourquoi recourir à la simulation multi-physique pour concevoir un moteur électrique ?
L’embarqué impose des contraintes fortes (évacuation de la chaleur, réduction du bruit, limitation du stress mécanique dans le rotor). La simulation multi-physique est indispensable dans la conception d’un moteur électrique destiné au secteur automobile. Si nous oublions la dimension thermique par exemple, notre moteur sera puissant et compact, mais il ne fonctionnera pas en conditions réelles. Toutes les physiques (magnétique, thermique, mécanique) doivent être prises en compte ensemble afin de réduire les itérations de conception.
Comment se passe une optimisation multi-physique ?
Nous renseignons les propriétés physiques, la géométrie à mailler dans notre outil de simulation, qui centralise la préparation des modèles pour chaque solveur (mécanique, magnétique, thermique). C’est cet outil qui calcule les grandeurs de sorties, que nous allons utiliser comme objectifs ou comme contraintes d’optimisation. L’utilisation du calcul haute performance offre un gain de temps considérable. Avec Porsche par exemple, nous avons attendu une quinzaine d’heures pour avoir les résultats en travaillant sur une machine à 18 cœurs. Avec une machine moins puissante, nous aurions attendu plusieurs jours.
Pourquoi Porsche, Mercedes-AMG ou Jaguar Land Rover ont-ils fait appel aux services d’Altair ?
La démarche proposée par notre entreprise est globale. Nous aidons dans un premier temps notre client à faire un choix entre les différentes technologies disponibles grâce à FluxMotor, notre outil de prédimensionnement. Ensuite, nous entrons dans l’analyse multi-physique à proprement parler. Il s’agit de calculer plus finement les contraintes mécaniques, les pertes, dans un objectif d’optimisation. Nous plongeons enfin la machine dans son système afin d’observer son comportement. Cette représentation, en une dimension, est également multi-physique.
