Présentation moteur : Tesla Model 3

Avec la Model 3, Tesla a opté pour un moteur électrique à aimants permanents plutôt qu'un moteur à induction, privilégié par le constructeur dans ses précédents modèles. Ainsi, Tesla montre qu’il n’y a pas de vérité absolue en matière de type de moteur. Fidèle à ses habitudes, le constructeur californien a introduit des technologies inédites, aptes à lui procurer un avantage certain par rapport à la concurrence, que ce soit en matière de performance ou d’autonomie.

Deux motorisations disponibles

La Tesla Model 3 est disponible en 2 versions : 

• propulsion (un moteur à l'arrière) - version Standard
• transmission intégrale (un moteur à l'avant et un moteur à l'arrière) - version Grande Autonomie et version Performance

A l'arrière : moteur à aimants permanents

Quel que soit le modèle choisi, la Model 3 est équipée d'un moteur à aimants permanents à l'arrière. Ce moteur est un véritable changement pour le constructeur américain qui utilisait des moteurs à induction jusqu'à présent pour ses voitures (Roadster de première génération, Model S, Model X).

Le choix d'un moteur à aimants permanents a été dicté par des impératifs d'autonomie et d'encombrement. En effet, un moteur à aimants permanents a généralement un meilleur rendement qu'un moteur à induction et surtout, il est plus compact, ce qui est un avantage indéniable pour la Model 3.

Toutefois, les aimants permanents du moteur de la Tesla ont quelques particularités. En premier lieu, ils sont implantés à l'intérieur du rotor, ce qui leur permet de générer un couple de réluctance important. Ce principe de fonctionnement permet de générer un couple additionnel tout en conservant un encombrement minimal et en limitant l'échauffement du rotor.

Ce principe n'est pas une nouveauté en soi puisque le moteur électrique de la Toyota Prius et celui des BMW i3 et i8, par exemple, utilisent une technique similaire, avec un agencement des aimants permanents sensiblement différent, en particulier pour les BMW i3 (et i8).

Un moteur à réluctance pure se passe normalement d'aimants permanents. La structure spécifique (alternance d'espaces pleins et d'espaces vides pour orienter le champ magnétique) du rotor permet de générer du couple.

Le désalignement des paires de pôles du stator avec les paires de pôles du rotor va créer le couple de réluctance et entraîner le rotor en mouvement. Lorsque les pôles du rotor sont alignés avec les pôles alimentés du stator, la réluctance est nulle et il n'y a plus de mouvement. Il faut donc alimenter la phase suivante pour générer du couple et perpétuer le mouvement.

Ce type de moteur est difficile à contrôler du fait que son mode de fonctionnement induit des oscillations de couple (qui pourraient être ressenties de manière très négative par les occupants du véhicule), mais aussi du bruit. L'ajout d'aimants permanent permet de réduire significativement ces deux phénomènes.

La mise au point des moteurs à réluctance variable reste néanmoins un défi et, à cet effet, une électronique de puissance ainsi qu'un logiciel de gestion moteur performants sont indispensables afin de connaître avec précision la position du rotor et de maîtriser les oscillations de couple.

D'autre part, Tesla utilise une technique inédite pour ses aimants permanents : chacun d'eux est segmenté en 4 parties et chaque partie est isolée l'une de l'autre à l'aide d'une fine couche de colle. Cette technique permet de réduire significativement les pertes par courant de Foucault.

Les courants de Foucault sont générées par la variation du champ magnétique dans le rotor. Ce dernier va jouer le rôle de résistance et les courants de Foucault vont alors générer de la chaleur. Plus les aimants sont grands, plus les pertes par les courants de Foucault seront importantes. En segmentant les aimants et en les séparant avec un fin matériau isolant, cela permet de conserver les performances magnétiques des aimants tout en diminuant le courant de Foucault.

Ainsi, le rotor chauffe significativement moins et cette technique permet d'améliorer le rendement du moteur. Cette mesure vient s'ajouter à la disposition des aimants en V qui offre le meilleur compromis entre la masse des aimants permanents (coût) et le rendement moteur.

Le moteur arrière délivre une puissance de 211 kW et un couple de 450 N.m pour la version Standard et la version Performance. Dans le cas de la version Grande Autonomie, la puissance du moteur est limitée à 188 kW.

A l'avant : moteur à induction

A l'avant, le moteur à induction reprend la technologie utilisée par Tesla depuis la création du constructeur. Le moteur ne nécessite donc pas d'aimants permanents pour son fonctionnement. En lieu et place, il fait appel à un rotor en cuivre.

Le moteur à induction permet de fournir du couple dès les plus bas régimes. D'autre part, il a un meilleur rendement que le moteur à aimants permanents à haute vitesse. Le moteur fournit une puissance de 147 kW et un couple de 300 N.m.

Gestion des moteurs - transmission intégrale

En fonction de la demande de puissance, le logiciel de contrôle des moteurs électriques va répartir la puissance sur les deux moteurs pour favoriser la traction (dynamique du véhicule) ou le rendement moteur afin d'optimiser l'autonomie du véhicule.

Si, en règle générale, le moteur à induction a un rendement plus faible que les moteurs à aimants permanents, ces derniers ont tout de même un inconvénient : lorsque la demande en puissance est faible (à vitesse constante par exemple), les moteurs à aimants permanents vont générer un courant électrique du fait que les aimants permanents produisent continuellement un champs magnétique.

Ce courant génère de l'échauffement, ce qui va réduire d'autant le rendement du moteur. Dans le cas d'un moteur à induction, il n'y a aucune perte dans ces conditions car il n'y a pas d'aimants dans le rotor.

Ainsi, Tesla peut tirer parti de chacun des moteurs. Par exemple, sur autoroute à vitesse constante, alors la demande en puissance est faible, il est alors envisageable de couper l'un des moteurs : dans ce cas-là, ce sera plutôt le moteur à induction qui verra sa puissance réduite. En conditions de conduite urbaines, le couple en provenance du moteur à aimants permanents sera privilégié.

Electronique de puissance

Tesla utilise des onduleurs avec des composants en carbure de silicium (SiC) en lieu et place du traditionnel silicium (Si) pour l'électronique de puissance (onduleurs). Ce matériau permet de diminuer le temps de réaction des composants électroniques (contrôle optimisé des performances du moteur) et génère moins de chaleur, ce qui augmente le rendement.

De plus, les composant à base de carbure de silicium supporte des températures plus élevées que ceux en silicium. Ainsi, les composants à base de silicium supportent une température de fonctionnement de l'ordre de 100 °C et une température maximale de 150 °C. Dans le cas des composants SiC, la température normale de fonctionnement peut atteindre 400 °C sans que les performances des composants n'en pâtissent.

Ce matériau n'est pas inconnu dans l'industrie automobile puisqu'il est utilisé, sous d'autres formes, dans la fabrication des filtres à particules diesel et des systèmes de freinage à disques "céramiques".

Crédits photos : Tesla (véhicules) / Wikimedia Commons (illustrations moteur) / Guillaume Darding (graphiques et illustration segmentation des aimants)