Pourquoi les moteurs synchrones à aimants permanents deviennent-ils les principaux moteurs d'entraînement ?
Le moteur électrique convertit l'énergie électrique en énergie mécanique et la transmet aux roues via la transmission pour faire avancer le véhicule. Il s'agit d'un des systèmes de propulsion essentiels des véhicules à énergies nouvelles. Actuellement, les moteurs les plus couramment utilisés dans ces véhicules sont les moteurs synchrones à aimants permanents et les moteurs asynchrones à courant alternatif. La plupart des véhicules à énergies nouvelles utilisent des moteurs synchrones à aimants permanents. Parmi les constructeurs automobiles représentatifs, on peut citer BYD et LiAuto. Certains véhicules utilisent des moteurs asynchrones à courant alternatif. Les moteurs électriques sont notamment utilisés par des constructeurs comme Tesla et Mercedes-Benz.
Un moteur asynchrone est principalement composé d'un stator fixe et d'un rotor rotatif. Lorsque l'enroulement du stator est alimenté en courant alternatif, le rotor se met à tourner et produit de l'énergie. Le principe de fonctionnement repose sur la formation d'un champ électromagnétique tournant lorsque l'enroulement du stator est alimenté en courant alternatif. L'enroulement du rotor, constitué d'un conducteur fermé, interrompt continuellement les lignes d'induction magnétique du stator. Selon la loi de Faraday, lorsqu'un conducteur fermé interrompt une ligne d'induction magnétique, un courant est induit, générant ainsi un champ électromagnétique. On observe alors deux champs électromagnétiques : celui du stator, induit par le courant alternatif externe, et celui du rotor, généré par l'interruption des lignes d'induction du stator. Conformément à la loi de Lenz, le courant induit s'oppose toujours à sa source, c'est-à-dire que les conducteurs du rotor tendent à empêcher l'interruption des lignes d'induction magnétique du stator. Le résultat est le suivant : les conducteurs du rotor rattrapent le champ électromagnétique tournant du stator. Le rotor suit ainsi le champ magnétique tournant du stator, et le moteur se met finalement à tourner. Durant ce processus, la vitesse de rotation du rotor (n2) et celle du stator (n1) sont désynchronisées (l’écart est d’environ 2 à 6 %). C’est pourquoi on parle de moteur à courant alternatif asynchrone. À l’inverse, si les vitesses de rotation sont identiques, il s’agit d’un moteur synchrone.
Le moteur synchrone à aimant permanent est un type de moteur à courant alternatif. Son rotor est en acier et comporte des aimants permanents. En fonctionnement, le stator est alimenté pour générer un champ magnétique tournant qui entraîne la rotation du rotor. La « synchronisation » signifie que la vitesse de rotation du rotor en régime permanent est synchronisée avec la vitesse de rotation du champ magnétique. Les moteurs synchrones à aimant permanent présentent un rapport puissance/poids élevé, sont plus compacts, plus légers, offrent un couple de sortie plus important et offrent d'excellentes performances en régime limite et en freinage. C'est pourquoi ils sont aujourd'hui devenus les moteurs électriques les plus utilisés dans les véhicules électriques. Cependant, lorsque le matériau de l'aimant permanent est soumis à des vibrations, à des températures élevées ou à des surintensités, sa perméabilité magnétique peut diminuer, voire se démagnétiser, ce qui peut réduire les performances du moteur. De plus, les moteurs synchrones à aimant permanent à base de terres rares utilisent des matériaux rares, ce qui engendre des coûts de fabrication variables.
Comparativement aux moteurs synchrones à aimants permanents, les moteurs asynchrones nécessitent une consommation d'énergie électrique pour leur excitation, ce qui réduit leur rendement. Les moteurs à aimants permanents sont plus coûteux en raison de l'ajout d'aimants permanents.
Les modèles équipés de moteurs asynchrones à courant alternatif privilégient généralement la performance et tirent parti des avantages de ces moteurs en termes de puissance et d'efficacité à haute vitesse. Le modèle S de première génération en est un exemple représentatif. Principales caractéristiques : même à haute vitesse, ce modèle maintient un régime élevé et une utilisation efficace de l'énergie électrique, réduisant ainsi la consommation tout en conservant une puissance maximale.
Les modèles équipés de moteurs synchrones à aimants permanents privilégient la consommation d'énergie et tirent parti des performances et du fonctionnement efficace de ces moteurs à basse vitesse, ce qui les rend adaptés aux voitures de petite et moyenne taille. Leurs atouts résident dans leur compacité, leur légèreté et l'autonomie prolongée de leur batterie. De plus, ils offrent une excellente régulation de vitesse et conservent un rendement élevé même lors de démarrages, d'arrêts, d'accélérations et de décélérations répétés.
Les moteurs synchrones à aimants permanents dominent le marché. Selon les statistiques de la base de données mensuelle « Chaîne d'activité des véhicules à énergies nouvelles » publiée par l'Institut de recherche sur les industries avancées (GGII), la capacité installée de moteurs de traction pour véhicules à énergies nouvelles en Chine s'élevait à environ 3,478 millions d'unités entre janvier et août 2022, soit une hausse de 101 % par rapport à la même période de l'année précédente. Parmi ces moteurs, la capacité installée se répartissait comme suit : 3,329 millions d'unités pour les moteurs synchrones à aimants permanents (en hausse de 106 %) et 1,295 million d'unités pour les moteurs asynchrones à courant alternatif (en hausse de 22 %).
Les moteurs synchrones à aimants permanents sont devenus les principaux moteurs d'entraînement sur le marché des voitures particulières 100 % électriques.
Si l'on en juge par le choix des moteurs pour les modèles grand public, tant en Chine qu'à l'étranger, les véhicules à énergies nouvelles lancés par les constructeurs chinois SAIC Motor, Geely Automobile, Guangzhou Automobile, BAIC Motor, Denza Motors, etc., utilisent tous des moteurs synchrones à aimants permanents. Ces moteurs sont principalement utilisés en Chine. Premièrement, ils offrent d'excellentes performances à basse vitesse et un rendement de conversion élevé, ce qui les rend parfaitement adaptés aux conditions de fonctionnement complexes, avec des arrêts et redémarrages fréquents en circulation urbaine. Deuxièmement, les aimants permanents en néodyme-fer-bore (NdFeB) qui les composent nécessitent l'utilisation de terres rares. Or, la Chine possède 70 % des ressources mondiales en terres rares et la production mondiale de matériaux magnétiques NdFeB représente 80 % de la production mondiale. C'est pourquoi elle privilégie les moteurs synchrones à aimants permanents.
Les constructeurs étrangers Tesla et BMW développent conjointement des moteurs synchrones à aimants permanents et des moteurs asynchrones à courant alternatif. Du point de vue de l'architecture d'application, le moteur synchrone à aimants permanents est le choix privilégié pour les véhicules à énergies nouvelles.
Le coût des matériaux pour aimants permanents représente environ 30 % du coût total des moteurs synchrones à aimants permanents. Les matières premières utilisées pour la fabrication de ces moteurs sont principalement le néodyme-fer-bore, les tôles d'acier au silicium, le cuivre et l'aluminium. Le néodyme-fer-bore sert principalement à la fabrication des aimants permanents du rotor (environ 30 % du coût total). Les tôles d'acier au silicium sont principalement utilisées pour la fabrication sur mesure du noyau du rotor (environ 20 %), de l'enroulement du stator (environ 15 %), de l'arbre moteur (environ 5 %) et du carter (environ 15 %).
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Le moteur synchrone à aimant permanent est principalement composé d'un stator, d'un rotor et d'un carter. Comme pour les moteurs à courant alternatif classiques, le noyau du stator est feuilleté afin de réduire les pertes fer dues aux courants de Foucault et à l'hystérésis en fonctionnement. Les enroulements sont généralement triphasés symétriques, mais leurs paramètres diffèrent sensiblement. Le rotor peut se présenter sous différentes formes : rotor à aimant permanent avec cage d'écureuil de démarrage, rotor à aimant permanent pur, intégré ou monté en surface. Le noyau du rotor peut être massif ou feuilleté. Le rotor est constitué d'un aimant permanent, communément appelé aimant.
En fonctionnement normal, les champs magnétiques du rotor et du stator d'un moteur à aimant permanent sont synchrones. Aucun courant induit ne circule dans le rotor, et il n'y a ni pertes par effet Joule, ni hystérésis, ni pertes par courants de Foucault. Les problèmes de pertes rotoriques et d'échauffement sont donc négligeables. Généralement alimenté par un variateur de fréquence, ce type de moteur dispose d'une fonction de démarrage progressif. De plus, étant un moteur synchrone, son facteur de puissance peut être ajusté par l'intensité de l'excitation, permettant ainsi de le dimensionner selon une valeur précise.
Du point de vue initial, étant donné que le moteur à aimant permanent est démarré par une alimentation à fréquence variable ou un onduleur, le processus de démarrage est très simple ; il est similaire au démarrage d'un moteur à fréquence variable et évite les défauts de démarrage des moteurs asynchrones à cage d'écureuil ordinaires.
En résumé, le rendement et le facteur de puissance des moteurs à aimants permanents peuvent atteindre des niveaux très élevés, leur structure est très simple et le marché a connu un essor considérable ces dix dernières années.
Cependant, la perte d'excitation est un problème inévitable dans les moteurs à aimants permanents. En cas de courant trop élevé ou de température excessive, la température des enroulements du moteur augmente instantanément, le courant croît brutalement et les aimants permanents perdent rapidement leur excitation. Dans la commande des moteurs à aimants permanents, un dispositif de protection contre les surintensités est intégré pour éviter la destruction des enroulements du stator, mais la perte d'excitation et l'arrêt du moteur qui en résultent sont inévitables.
Date de publication : 12 décembre 2023
