Les amateurs du moteur thermique ne sont souvent pas au courant : il n’existe non pas un, mais plusieurs types de moteurs électriques. Ce qui est vrai en revanche, c’est que le fonctionnement d’un moteur électrique est assez invariable, quelle que soit sa technologie. De ce fait, l’agrément de conduite ou les caractéristiques mécaniques relatives à celles d’un moteur thermique n’ont pas cours (souple en bas, rageur en haut, etc.).
Il existe donc plusieurs types de moteurs électriques : synchrone à aimants permanents, asynchrone ou encore à excitation. Mais pourquoi dès lors des technologies différentes si le résultat est le même – ou fort proche ? En réalité, il y a des différences, mais surtout pour les constructeurs. Ces différences se marquent en matière de consommation ou de coûts de fabrication. Voici donc les caractéristiques principales de ces différents moteurs, de même que leurs avantages et leurs inconvénients.
Le moteur synchrone
Dans le cas d’un moteur synchrone, la vitesse de rotation du rotor du moteur est synchronisée sur la fréquence de l’alimentation électrique qui est dérivée vers le stator. Dès lors, la vitesse de rotation de l’arbre de sortie sera directement proportionnelle à la fréquence de l’alimentation. C’est pour cela qu’il est appelé « synchrone ».
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Ces moteurs sont particulièrement avantageux lorsqu’on a besoin d’une vitesse de rotation constante. C’est le cas des appareils industriels (générateurs, etc.). Mais ils sont aussi utilisés en automobile, tout simplement parce que leur conception est simple et, surtout, qu’ils présentent un meilleur rendement énergétique (93%). À l’heure où les batteries sont considérées comme « trop justes » pour l’autonomie, c’est évidemment un avantage. Par contre, ces moteurs sont plus chers à fabriquer et, dès que le régime de rotation augmente trop, leur rendement chute drastiquement. Avec eux, il faut donc éviter les vitesses élevées.
Et les aimants permanents ?
Souvent, un moteur synchrone est affublé de la mention « à aimants permanents ». Mais qu’est-ce que cela signifie ? En fait, il s’agit d’une variante du moteur synchrone et c’est lui qui est le plus répandu dans les voitures électriques d’aujourd’hui.
La différence ? Ici, on utilise des aimants permanents pour créer un champ magnétique stable au lieu de bobines électromagnétiques, ce qui permet de conserver le magnétisme sans devoir utiliser d’alimentation électrique. De ce fait, lorsque le rotor tourne, les aimants jouent un rôle d’entraînement du rotor, alors que dans un moteur synchrone classique, il faut recourir à une alimentation pour « lancer » le moteur.
Ces moteurs sont très utilisés en raison de leur efficience (en raison du remplacement des bobines par les aimants), de leur compacité ainsi que de leur faible demande d’entretien, car leur usure est limitée (puisqu’il n’y a pas de balais notamment). Mais ce n’est pas tout. Leur puissance est aussi supérieure, ce qui sert encore une fois les voitures électriques qui sont lourdes. Enfin, leur spectre de fonctionnement est aussi avantageux. Ils offrent ainsi de bonnes performances sur toute la courbe de rotation. Finalement, la seule contrainte avec des moteurs à aimants permanents, c’est qu’ils sont plus coûteux du fait de l’utilisation de terres rares, comme du néodyme par exemple.
Le moteur asynchrone
Le moteur asynchrone (ou à induction) est moins utilisé en automobile même si Tesla y recourt sur ses modèles Dual Motor. Ici, le principe de fonctionnement est celui de l’induction magnétique avec un stator qui est fixe et un rotor mobile. C’est tout simplement avec un champ magnétique tournant qu’on induit un courant électrique dans le rotor. Ce moteur est dit asynchrone, car le rotor ne va pas tourner aussi vite que le flux magnétique rotatif. Il y a un décalage (ou un glissement) entre régime du rotor et « régime du flux magnétique » circulant dans le stator. Rotor et stator n’ont aucune connexion mécanique entre eux.
L’avantage des moteurs asynchrones, c’est qu’ils sont solides, fiables et peu chers. L’outil parfait ? Pas tout à fait, car leur rendement est aussi sensiblement inférieur à celui d’un moteur synchrone (80% dans ce cas au lieu de 93%).
Le moteur à excitation
Enfin, le moteur à excitation fait partie aussi de la famille des synchrones. Ils sont toutefois moins utilisés, du moins dans le secteur automobile. La différence réside dans le fait qu'il faut alimenter le rotor puisque ce dernier n'est pas naturellement polarisé – comme avec les aimants. De ce fait, le mouvement découle donc d’un courant électrique passant à travers un enroulement (l’enroulement d’excitation).
Chez les moteurs à excitations, il existe deux modèles, le moteur à excitation séparée et le moteur à excitation « auto-excitée ». Dans le premier cas, le courant d’excitation est fourni par une source externe qui n’a rien à voir avec le circuit principal tandis que, deux le deuxième cas, le champ magnétique est créé via le courant provenant du circuit d’alimentation principal, souvent par des enroulements spécifiques.
Le principe semble plus complexe que pour les autres moteurs, mais c’est à l’avantage d’un meilleur contrôle de la vitesse et du couple. Le rotor est aussi peu cher et, surtout, peu consommateur de minerais critiques. Le rendement atteint ici aussi les 90%, ce qui n’est pas négligeable. En revanche, ce type de moteur dégage plus de chaleur, ce qui peut entraîner une usure plus rapide et donc un besoin plus fréquent d’entretien.
Et demain ? Le moteur synchrone à réluctance variable !
Il existe encore une autre famille chez les moteurs synchrones : celle des moteurs à réluctance variable, un concept assez neuf et qui est de plus en plus étudié, notamment chez Tesla et Toyota. Ici, le mouvement n’est plus le fait d’un champ magnétique généré par des aimants permanents ou des bobines de cuivre, mais par la géométrie variable des matériaux ferromagnétiques. Ainsi, le rotor est constitué uniquement de tôles et des enroulements situés au niveau du stator, un circuit complexe qui permet de modifier la réluctance, c’est-à-dire le cheminement du flux magnétique.
Le gros avantage de ce moteur, c’est ses faibles pertes (95% de rendement) et ses températures de roulement basses. Parce qu’il n’est pas cher à produire, il intéresse forcément Tesla. Mais la contrepartie, c’est que le pilotage de ce moteur à réluctance est très complexe à trouver. Ce qui pourrait hypothéquer son intérêt. À suivre.
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