Technique: moteurs électriques

Technique: moteurs électriques

Publié le 21 février 2018

Au contraire des batteries, les moteurs des véhicules électriques sont souvent considérés comme des organes dont la technologie est éprouvée. Néanmoins, le développement d'un groupe motopropulseur électrique doit répondre à des impératifs de coûts, de performance, de rendement, sans oublier les considérations écologiques et géopolitiques. Au final, il reste encore de nombreux axes d'amélioration dans la conception d'un moteur électrique. 

Conception générale

Un groupe motopropulseur électrique se décompose en 3 sous-ensembles:

  • le moteur électrique qui va convertir l’énergie électrique en énergie mécanique pour mettre en mouvement le véhicule
  • l’électronique de puissance qui transforme et transporte l’énergie stockée dans la batterie vers le moteur
  • la boîte de vitesses ou le réducteur, généralement constitué d’un seul rapport

Groupe motopropulseur Renault Zoe

Moteur électrique

Les moteurs électriques s'articulent autour de deux parties:

  • le stator, une pièce fixe
  • le rotor, partie mobile en rotation

Trois types de moteurs électriques sont actuellement utilisés dans l’industrie automobile:

  • les moteurs à aimants permanents
  • les moteurs à induction
  • les moteurs à rotor bobiné 

Quel que soit le type de moteur, le stator est constitué de bobines de fils électriques en cuivre (entre 1.000 mètres et 2.000 mètres de bobinage) alimentées par un courant alternatif triphasé.

Détail moteur électrique Nissan Leaf 2018

Le stator est organisé en paires de pôles (pôle Nord et pôle Sud), en référence à un aimant. Chaque paire est constituée de deux bobines opposées et alimentées par la même phase. Lorsqu'elles sont alimentées, l'une des bobines sera donc un pôle Nord tandis que la bobine opposée sera alors un pôle Sud et vice versa lorsque le sens du courant s'inverse. Les trois phases, décalées de 120 degrés l'une par rapport à l'autre, permettent de générer un champ magnétique tournant. 

Illustration champ magnétique moteur électrique - pôles - courant alternatif triphasé - Guillaume Darding

La vitesse de rotation du moteur est déterminée par la fréquence plus ou moins élevée du courant alternatif alimentant le stator et le couple moteur par l'intensité du champ magnétique (et donc l'intensité du courant parcourant les bobines du stator).

Il peut être bénéfique d'augmenter le nombre de pôles du stator afin d'augmenter le rendement moteur, de mieux répartir les masses au sein du moteur ainsi que de minimiser les à-coups au cours d'une rotation moteur (réduction des vibrations).

Le rendement d’un moteur électrique est généralement supérieur à 90% et peut, dans les conditions les plus favorables et selon le type de moteur, approcher 100%, alors qu’il est de l’ordre de 40% pour les moteurs thermiques les plus évolués.

Rendement moteur électrique en fonction du couple et de la vitesse de rotation moteur - BMW i3

Le moteur électrique (tout comme les batteries) doit être refroidi, généralement à l’aide du même type de liquide de refroidissement que celui qui est utilisé avec les moteurs thermiques. Dans le cas d’un moteur électrique, la température du liquide est généralement stabilisée aux alentours de 70 °C (90 °C dans le cas d’un moteur thermique).

  • Moteur à aimants permanents

Les moteurs à aimants permanents sont les moteurs les plus communs au sein des véhicules électriques actuels (de manière non exhaustive: Chevrolet Bolt, Chevrolet Volt, Nissan Leaf, BMW i3, Kia Soul EV, Volkswagen e-Golf, Formule E, …).

Volkswagen e-Golf

Les moteurs à aimants permanents sont principalement de type NdFeB (alliage de néodyme, de fer et de bore). Outre le néodyme, ces aimants comportent deux autres terres rares: du dysprosium et du praséodyme. Chaque moteur contient environ 2 kg de terres rares.

Les aimants sont intégrés dans le rotor. Ceux-ci vont réagir avec le champ magnétique tournant du stator, à savoir que 2 pôles identiques (Nord / Nord ou Sud / Sud) se repoussent et 2 pôles inverses (Nord / Sud) s'attirent. C'est ce principe qui va mettre en mouvement le rotor.

Groupe motopropulseur Nissan Leaf 2018

Le néodyme a pour particularité d’augmenter la puissance de l’aimant tandis que le dysprosium et le praséodyme ont pour rôle d’améliorer les propriétés magnétiques du rotor à haute température ainsi que la résistance à la corrosion.

Ce type de moteur a un très bon rendement sur une large plage de régimes et reste simple en matière de conception. Seul l’approvisionnement en terres rares peut être un frein à son développement. A cet effet, tous les constructeurs travaillent à réduire leur dépendance à ces matériaux, voire à ne plus en dépendre du tout.

Hyundai Ioniq electric

Les terres rares posent, en effet, un problème géopolitique dans le sens où la quasi-totalité des terres rares proviennent de Chine et on ne peut pas exclure que le pays freine les exportations de ces matériaux afin de favoriser le marché national.

De plus, l’extraction des terres rares peut aussi prendre une dimension écologique. De fait, les méthodes d’extraction et de traitement des terres rares est hautement questionnable sur le plan environnemental.

Moteur à aimants permanents -  General Motors

Dans le cas de la Nissan Leaf, le constructeur a réduit de 40% les besoins de ses moteurs en dysprosium en 2013. Cette amélioration a été rendue possible en optimisant la structure de l’alliage entre l’aimant NdFeB et le dysprosium. Ainsi, le dysprosium est concentré à la bordure de l’aimant plutôt que d’être plus largement diffusé à l’intérieur de la structure de l’aimant.

Le gain est encore plus flagrant entre la première génération (2011) et la deuxième génération (2015) de Chevrolet Volt avec une réduction de plus de 80% de la masse de dysprosium (280g pour la première génération, 40g pour la deuxième).

BMW i3 - Lisbonne

BMW a aussi repensé l’agencement du rotor dans le cas de l’i3 (ainsi que l’i8 et la Série 7 hybride notamment) afin de réduire d’environ 50% la masse totale de terres rares contenues dans son moteur. Le constructeur allemand a fait le choix d’encastrer les aimants permanents dans le rotor au lieu de les monter en surface.

Montage aimants dans le rotor - moteur électrique

Enfin, le moteur auxiliaire de la seconde génération de Chevrolet Volt se passe complètement de terres rares au profit d’un aimant permanent en ferrite. Si ses propriétés magnétiques sont significativement plus faibles que les aimants NdFeB, elles sont néanmoins suffisantes dans le cas de la Volt: le moteur secondaire ne sert qu’à générer du courant lorsque le moteur thermique entre en fonction ou à épauler le moteur électrique principal.

  • Moteur à induction

A l’heure actuelle, seules les Tesla Model S et X utilisent ce type de moteur (la Tesla Model 3 ayant recours à des aimants permanents). Les moteurs à induction sont des moteurs asynchrones reposant sur un rotor à cage. Le rotor à cage est constitué de multiples barres conductrices de courant (elles sont réalisées à partir de cuivre dans le cas de Tesla) reliées chacune à leurs extrémités par des anneaux conducteurs eux-aussi afin de réaliser un court-circuit.

Moteur asynchrone à induction - By Mtodorov 69 (Own work) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

Le champ magnétique tournant généré par le courant alternatif triphasé va induire un courant dans le rotor à cage, ce qui génère une force motrice entraînant la rotation du rotor. La vitesse de rotation du rotor est légèrement inférieure à la fréquence de rotation du champ magnétique (asynchronisme), c’est d'ailleurs cette différence de vitesses qui produit le couple moteur.

Moteur à induction - champ magnétique / courant induit / force motrice - Guillaume Darding

Le moteur à induction a pour avantage d’être simple de conception et, par voie de fait, généralement plus robuste. Grâce à l’absence de terres rares, son coût est relativement maitrisé. En revanche, le rendement de ce moteur est plus faible qu’un moteur à aimants permanents et l’échauffement du rotor peut être important.

Dans le cas de Tesla, ces deux défauts sont compensés d’une part, par la taille plus importante des moteurs et d’autre part, un système de refroidissement spécifique du moteur. De fait, le liquide de refroidissement circule au centre du rotor (normalement, seul le stator est refroidi) selon un système breveté par le constructeur, ce qui permet un contrôle beaucoup plus fin de la température à l’intérieur du moteur.

  • Moteur à rotor bobiné

Tout comme les moteurs à induction, les moteurs à rotor bobiné ne font pas appel aux terres rares. Au lieu de cela, le rotor comporte plusieurs bobines (à l’image du stator) généralement réalisées à partir de fil de cuivre. Le bobinage nécessite environ 500 mètres de fil de cuivre.

Moteur électrique à rotor bobiné - By Mtodorov 69 (Own work) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

Le fonctionnement de ce moteur repose sur l’alimentation en courant continu des bobines du rotor qui deviennent alors polarisées, selon le même principe que les moteurs à aimants permanents. L’alimentation du rotor se fait à l’aide de balais (autrement appelés charbons). La Renault Zoé, la Smart electric drive ou la Citroën e-Mehari (Bolloré Bluecar) utilisent ce type de moteur.

Si l’absence de terres rares est un réel avantage (le prix du cuivre étant généralement moins volatile que celui des terres rares), les moteurs à rotor bobinés ont tendance à être plus lourds et plus encombrants que les autres types de moteurs.

Renault Zoe

Electronique de puissance

L’électronique de puissance a pour rôle de transformer le courant continu à haute tension de la batterie en courant alternatif indispensable à l’alimentation à l’aide d’un onduleur. En fonction des différents paramètres à sa disposition (niveau de charge de la batterie, position de la pédale d’accélérateur, position de la pédale de frein, température du moteur,…), il va faire varier la fréquence du courant alternatif ainsi que sa tension afin de contrôler la vitesse de rotation du moteur et le couple qu’il va délivrer.

Electronique de puissance - Renault Zoe

Lorsque le conducteur relève le pied de la pédale d’accélérateur, l’onduleur doit être réversible et devient alors un redresseur de courant: il reçoit un courant alternatif en provenance du moteur pour le transformer en courant continu et recharger les batteries.

Lorsque le conducteur sollicite la pédale de frein, un calculateur va déterminer si le niveau de freinage régénératif doit être augmenté ou si les freins traditionnels hydrauliques doivent être actionnés en complément.

Le freinage hydraulique est, de plus, nécessaire sur les routes à faible adhérence pour les véhicules à deux roues motrices puisque le freinage régénératif n’agit que sur les roues motrices.

Nissan Leaf 2018

Enfin, nombre de composants électriques nécessitent d’être alimentés en basse tension (à l’aide de la batterie standard 12V), c’est le cas notamment des systèmes multimédias et de l’éclairage. A cet effet, l’électronique de puissance nécessite un convertisseur (autrement appelé hacheur) de tension pour alimenter la batterie basse tension.

L’onduleur / redresseur tout comme le hacheur sont constitués « d’interrupteurs électroniques » qui prennent la forme de semi-conducteurs (de type IGBT, MOSFET, thyristors, …). En fonction de leur état (ouverts ou fermés), ils vont permettre de transformer une source de courant avec un rendement très élevé, proche de 100 %.

Avant les années 2000, les moteurs des véhicules électriques étaient plutôt à courant continu, ce qui évitait d'avoir recours à une électronique de puissance complexe (et chère à fabriquer à l'époque). Toutefois, cette technologie a rapidement été délaissée en raison du rendement relativement faible de ces moteurs par rapport à ceux alimentés en courant alternatif.

Réducteur

Du fait du couple disponible dès les plus bas régimes moteur et sur une large plage de régimes de rotation du moteur électrique, les véhicules électriques se passent généralement de boîte de vitesses.

Couple et puissance BMW i3

Les moteurs électriques sont donc utilisés avec un réducteur, qui est parfois aussi appelé une boîte de vitesses à un rapport. A l’avenir, les moteurs électriques pourraient être associés à une boîte de vitesses à deux rapports voire plus. En Formule E, par exemple, certaines équipes n'utilisent qu'un réducteur, tandis que d'autres ont recours à des boîtes de vitesses comportant 2 à 6 rapports.

Réducteur Nissan Leaf 2018

Dans le cas de certains véhicules hybrides comme l’Audi A3 Sportback e-tron, le moteur électrique profite de la boîte de vitesses du moteur thermique en étant monté en sandwich entre le moteur thermique et la boîte de vitesses.

Le réducteur est généralement constitué de deux ou plusieurs pignons à denture hélicoïdale. Le rapport de réduction est environ de 10. Afin d’assurer leur longévité et un fonctionnement sans bruit, il est nécessaire qu’ils soient lubrifiés par huile (environ 0,5 litre).

Crédits photos: Tesla / Renault / General Motors / Volkswagen / Nissan / Hyundai / BMW / Wikimedia Commons
Illustrations (rendement moteur / polarisation moteur électrique / position aimants / moteur à induction / puissance-couple moteur électrique): Guillaume Darding

Tous les commentaires sur le sujet (masquer les commentaires les plus anciens):

Jb

08 mars 2018 à 23h04

Quel article .... remarquable.
Guillaume Darding [administrateur]

13 mars 2018 à 09h15

Bonjour Jb, merci pour vos encouragements!
Clément

18 mai 2018 à 10h32

Merci pour cet article qui donne des infos introuvables ailleurs
Guillaume Darding [administrateur]

22 mai 2018 à 11h32

Bonjour Clément, merci pour vos encouragements!
Vincent

07 juillet 2018 à 23h27

Bel article. a compléter avec les nouveaux moteurs à reluctance variable annoncés par certains constructeurs :-)
Guillaume Darding [administrateur]

10 juillet 2018 à 00h05

Bonjour Vincent, merci pour votre remarque. Je mettrais l'article à jour dès qu'un constructeur sera proche de la vie série avec cette technologie!

22 août 2018 à 15h31

Bonjour Guillaume,
Je viens de tomber sur votre article remarquable qui correspond parfaitement à mes recherches personnelles sur la motorisation des automobiles.

Je suis très très sceptique sur la généralisation de la voiture électrique pure (moteur électrique et batteries). Je pense que son empreinte écologique est catastrophique en raison de son incidence sur les modifications des infrastructures routières et autoroutières, sur la fabrication d'usines supplémentaires de toutes sortes (nucléaires, solaires, biochimiques, productions, recyclages, etc...), sur l'occupation excessive de toutes sortes des sols, caduque à terme. Je ne suis pas loin de penser que la pollution qu'elle génèrera indirectement sera supérieure à celle produite par la technologie thermique.

C'est pourquoi, je suis plutôt convaincu par la technologie hybride, mais pas celle que l'on nous propose aujourd'hui (Toyota, Niessan, Honda, etc...) où la voiture, en dehors des villes, est une voiture thermique pure comme toutes les autres. Donc, de mon point de vue, pas très intéressant pour l'utilisateur contrairement au constructeur et aux lobbies pétroliers qui savent parfaitement appâter les clients avec leur politique de marketing.

Intrigué par les explications de Toyota pour sa Prius concernant l'usage d'un train épicycloïdal, j'ai tenté d'analyser cet ancien et fabuleux dispositif mécanique tel que je le pressentais moi-même en faisant une animation que j'ai exposée dans mon site http://jeanpierre.rousset.free.fr/Automobile/Technique/Train_epicycloidal/Documentation/index.html .
Dans cette étude purement théorique à mon niveau, d'une CVT en quelque sorte, je ne sais pas évaluer l'ordre de grandeur de la puissance nécessaire du moteur électrique lié un axe du train (planétaire), le moteur thermique lié à un autre (le porte-satellites) tous deux contrôlés par le conducteur pour engendrer la rotation du troisième (la couronne liée aux roues d'une voiture moyenne type Clio).

Peut-être auriez-vous une petite indication pour savoir si cette étude est cohérente en mode électrique pûr, en mode thermique pûr et en mode hybride ?

Encore merci pour votre article.

Jean-Pierre Rousset

22 août 2018 à 15h49

Désolé guillaume,
Le lien qui ne marche pas à cause de la double quote (") qui s'y est insérée.
Pardon pour cette erreur
Jean-Pierre ROUSSET
Guillaume Darding [administrateur]

22 août 2018 à 23h54

Bonjour Jean-Pierre,

tout d'abord, merci beaucoup pour vos encouragements!

Concernant le point sur la puissance nécessaire des moteurs, je ne suis pas sûr de bien cerner votre question. Ce que j'ai compris, c'est que vous cherchez à estimer la puissance fournie par les différents moteurs selon les phases de fonctionnement.
Pour cela, si on reprend votre étude, il faut reprendre les vitesse de rotation et estimer la charge moteur (ce qui vous permettra de déterminer le couple moteur) pour en déduire la puissance moteur.
Je vous invite à me contacter par mail (voir le lien "mail" sur la page d'accueil) pour discuter plus longuement sur le sujet.
icar

24 octobre 2018 à 06h54

Excellent article ! Très pro et instructif. Bravo.
Guillaume Darding [administrateur]

24 octobre 2018 à 18h11

Bonjour icar, merci pour vos encouragements!

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Commentaires
Bernardo à propos de l'article «Dossier: utilisation du superéthanol E85»

Avant-hier

Bonjour Guillaume, Félicitation pour ce blog, Je possède une 308 1.2 Puretech 130 ch 2017 26 000 km et depuis octobre je fais le plein à 50% E85 et 50% E10, je n'ai constaté aucune différence sur le fonctionnement et la consommation du véhicule. Si on part du principe que 50% de E85 et 50% de E10 font 60% de SP et 40% d'éthanol, peut-on considérer que le rapport stœchiométrique est de 12,74 donc sans danger pour le moteur ? Merci d'avance pour la réponse.

Husq46 à propos de l'article «Normes Euro 6c: filtre à particules et casse-tête hybride»

Il y a 3 jours

Encore merci Guillaume pour la qualité de vos sujets et vos explications. Juste pour commenter le sujet ou nombre d'utilisateurs se posent comme moi le choix de remplacer leurs Diesels par des hybrides, Hybrides rechargeables et par conséquent dans de nombreux cas de passer à l'essence. Guillaume l'a déjà dit, nous sommes dans une période de transition compliqué et pour les gros rouleurs, et/ou les utilisateurs de véhicules d'un certain volume et poids ( Berline , Monospaces 7 places , SUV grands et intermédiaires ), le choix du Diesel reste pertinent pour ceux qui remplacent leurs véhicules tous les 24-36-48 mois max, (ensuite on y verra plus claire dans les choix technologique des constructeurs ). Outre le fait que les consommations des diesels restent raisonnables et très inférieurs sur les parcours de + de 100km, on s'aperçois que le tarif ( surtout les taxes ! ) du Diesel VS l'Essence va certainement stagner dans ces 2 à 3 prochaines années , ces moteurs ont fait preuve généralement de fiabilités correctes pour les gros rouleurs et n'oubliez pas qu'actuellement, il est très facile d'obtenir des rabais conséquents sur ces Diesels ( entre 20 et 30%) chez nombre de concessionnaires qui peuvent faire la différence par rapport à l'achat d'un hybride. Merci

yan7791 à propos de l'article «Présentation moteur: Audi 2.0l TFSI»

Il y a 3 jours

bonjour et merci pour tous ces details , je possede une octavia RS245 , 1er immat en avril 2018 , mon code moteur est DLB s'agit t'il d'un EA888 ???? merci par avance

© Guillaume Darding

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