Le moteur électrique, une commodité ? L’affirmation tient du bon sens, vu la simplicité du principe : un rotor tournant entraîné par le champ électromagnétique d’un stator alimenté en électricité, le tout dans une carcasse à ailettes pour dissiper la chaleur générée. D’ailleurs, la technologie n’est pas nouvelle. En 1899 déjà, la Jamais Contente dépassait les 100 km/h grâce à… deux moteurs électriques. Mais depuis ses débuts dans la lumière, puis son éclipse partielle face à la combustion, le moteur électrique a changé.
Aujourd’hui, le courant direct est anecdotique, remplacé par des systèmes alternatifs complexes permis par les progrès de l’électronique. Surtout, alors que le moteur électrique était déjà très présent dans l’industrie, il revient en force partout. Et se réinvente. “L’arrivée du véhicule électrique a relancé la compétition autour des machines électriques, qui s’éloignent du modèle classique - des installations fixes et parfois assez basiques - pour pouvoir répondre aux contraintes du transport et de la production de masse”, décrit Gaëtan Monnier, directeur du centre de résultats Transports à l’IFP Energies nouvelles (Ifpen). Et de prévenir : “le diable est dans les détails. Faire une machine électrique est très simple, mais si l’on cherche à produire quelque chose d’efficient, fiable et à bas coût, tout devient très sophistiqué”. Passage en revue des trois principaux objectifs des constructeurs et de leurs progrès.
Le rendement roi
Si l’on considère le ratio entre l’énergie mécanique produite et l’électricité consommée par le moteur électrique, ce dernier affiche un rendement à faire pâlir d'envie ses concurrents. Dernier record en date, en 2017, le géant Suisse ABB présentait un moteur synchrone de 44W dépassant... 99% de rendement. Mais toutes les technologies de moteurs électriques ne se valent pas, et les performances varient selon les tailles et les prix. Dominants dans la mobilité, les moteurs synchrones (qui utilisent des aimants permanents ou des bobines au rotor), sont globalement plus efficaces que les moteurs asynchrones, à induction, que l'on retrouve en majorité dans les usines. Simple en théorie : pour suivre le champ magnétique tournant émis du côté du stator, les aimants permanents des rotors produisent leur propre champ magnétique. Les moteurs synchrones à rotors bobinés, eux, doivent être alimentés en électricité via des balais et consomment un peu plus d’énergie. L’induction, enfin, utilise une partie de l’énergie électromagnétique en provenance du stator pour générer un courant électrique dans le rotor et engendrer le mouvement. Au prix de pertes électriques plus importantes.
Dans les faits, tout est plus complexe. Chaque motoriste rivalise d’ingéniosité pour améliorer l’architecture de son moteur et limiter les pertes. Par exemple en maximisant la part de matière active ou en diminuant l’épaisseur des tôles ferromagnétiques feuilletées qui forment le rotor et le stator. Surtout, “le procédé visé va définir la technologie sélectionnée, rappelle Thierry Dalle, responsable du marché des moteurs basse tension chez Siemens France. Les machines asynchrones, par exemple, offrent de très bon rendements utilisées à 75% de leur charge nominale, là où les moteurs synchrones fonctionnent bien à faible charge”. Bien que très performants, ces derniers supportent mal la haute vitesse, quand les aimants permanents situés sur le rotor viennent brouiller le champ électromagnétique émis par le stator et diminuer l’efficacité de l’ensemble.
C’est cette variation du rendement selon les usages qui a conduit Renault à faire le choix dès le début (avec le projet Fluence, développé avec Continental) d’un moteur synchrone à rotor excité (ou bobiné). Une technologie “permettant d’avoir un très haut rendement de fonctionnement sur toutes les plages d’utilisation automobiles, dans les usages réels”, notamment à faible charge, selon Eric Blanchard, directeur des motorisations électriques du groupe Renault. Qui permettrait donc de faire la différence en termes d’agrément de conduite pour l’utilisateur. “Le plus gros de l’énergie dépensée l’est sur des points faiblement chargés, lorsque l’on maintient des véhicules à des vitesses constantes, à des niveaux de puissance relativement faibles”, explique Edouard Nègre, expert en technologie et conception de moteurs électriques chez Renault. La machine synchrone à rotor bobiné permet de régler le niveau d’engagement magnétique dans le circuit (l’excitation au rotor) au plus juste. Alors oui, il faut dépenser de l’énergie pour exciter la machine, contrairement aux moteurs à aimant, d’où une différence sur les rendements de pointe, "mais les machines à rotor bobiné ont une plage de “bon” rendement beaucoup plus large”, avance le constructeur français.
Autre tendance : les moteurs dits à réluctance variable, peu adéquats pour la mobilité, mais qui débarquent dans les usines. Là, “le rotor est composé d’un empilage de fines tôles d'un matériau ferromagnétique et de zones évidées et va avoir naturellement tendance à suivre le champ magnétique tournant du stator”, explique Gaëtan Monnier, de l’Ifpen. Une solution efficiente à vitesse de croisière, mais au démarrage lent. Depuis quelques années, plusieurs constructeurs, comme Tesla pour son Model 3 ou Toyota pour sa Prius, intègrent des aimants permanents au sein des rotors des moteurs réluctants, alors dits à synchro-réluctance (IPM-SynRM). Une astuce pour bénéficier du meilleur des deux technologies, et obtenir le maximum de rendement dans chaque situation de conduite
Des architectures en quête de couple
C’est l’autre bel attrait du moteur électrique. Alors que le démarrage des moteurs thermiques est lent et haché, la machine électrique bondit au quart de tour et accélère de manière fluide. Derrière cette performance : le couple. C’est-à-dire la capacité du champ magnétique tournant émis par le stator à entraîner le rotor par la force d’attraction et de répulsion des aimants, qui varie selon leurs caractéristiques, leur distance au centre de rotation, et la position du champ magnétique tournant.
Là encore, toutes les architectures ne se valent pas. Les aimants permanents et les rotors excités, plus puissants, offrent davantage de couple au démarrage que les moteurs asynchrones. Encore plus performante, l’alliance des aimants permanents et de la réluctance au sein d’un seul moteur permet (au prix d’un contrôle fin) de combiner l’attraction de chacun des éléments pour proposer des démarrages ultra-nerveux. Reste l’enjeu de la densité de couple, c’est-à-dire le volume nécessaire pour délivrer un couple donné, crucial dans la mobilité, où les constructeurs sont lancés dans une course à la réduction de la masse de leurs moteurs. “Les machines à rotor bobiné ont besoin d’un rotor légèrement plus gros (pour y loger le circuit magnétique et son bobinage) que les machines à aimant. Ces dernières ont donc l’avantage en matière de densité de couple”, reconnaît Edouard Nègre de Renault, qui affirme que la prochaine génération de moteurs du constructeur français devrait beaucoup progresser sur le sujet.
Les alternatives émergent. Parmi elles, les moteurs dits “à flux axial” positionnent les aimants différents pour générer des champs magnétiques le long de l’axe du moteur. “Ces moteurs, qui ont souvent un grand diamètre et une faible longueur, permettent de créer beaucoup de couple, explique Gaëtan Monnier. Mais c’est un arbitrage qui favorise les accélérations au détriment du maintien de la performance, car le refroidissement est compliqué.” Des avantages qui pourraient néanmoins intéresser motos, trottinettes et autres engins en quête d’accélération et de moteurs plus légers. Si l’on mentionne souvent des start-up comme Magnax en Belgique ou Linear Lab aux Etats-Unis (qui combine, en réalité, flux axial et flux radial), la pépite française Whylot développe depuis 2011 des moteurs de ce type, présentés comme ultra-performants et plus respectueux de l’environnement. En décembre 2020, la start-up a profité du plan France relance pour réinvestir 10 millions d’euros et viser la grande série automobile.
Diminuer l’empreinte matérielle
Cuivre dans les bobines, terres rares dans les aimants permanents... Les moteurs consomment des métaux rares ou critiques, que l’ingénierie cherche à diminuer. Pour des raisons économiques, tout d’abord. “Sur les grandes séries, le coût du moteur ne provient pas du procédé de fabrication, mais de la matière utilisée, décrit Gaëtan Monnier. Les machines standard sont quasiment vendues au poids !” D’où les incitations à diminuer la teneur en cuivre, en tension. Ce dernier reste quasiment irremplaçable (bien que certains bobinages en aluminium existent), mais les constructeurs n’hésitent pas à utiliser des fils plats pour maximiser le taux de remplissage de leurs moteurs, et innovent dans les formes de bobinage pour que chaque gramme introduit dans le moteur soit actif.
Du côté des aimants permanents, dont les plus performants consomment des terres rares (samarium ou néodyme), le problème d’approvisionnement n’est pas nouveau. Et explique en partie la diversité des technologies utilisées. A l’origine, les difficultés d’approvisionnement avait poussé Tesla à choisir l’induction pour se passer de terres rares… et même à prendre le nom de son inventeur, Nikola Tesla ! Renault, lui, explique le choix d’un rotor bobiné (sans aimant) par sa non-dépendance aux terres rares. Pour ceux qui ont fait le choix de garder ces précieux composants, l'arrivée de la synchro-réluctance permet des progrès. “Les architectures cherchent à diminuer la quantité d’aimants pour une performance donnée, notamment en profitant du phénomène physique de la réluctance" explique Gaëtan Monnier. Un travail d’optimisation difficile, nécessitant des “dizaines de milliers de calculs et de simulations” pour obtenir des performances satisfaisantes, décrit l’ingénieur.
