Les passionnés d'automobile ont toujours été fanatiques des moteurs, mais l'électrification est imparable et les réserves de connaissances de certaines personnes devront peut-être être mises à jour.
Le plus connu aujourd’hui est le moteur à quatre temps, qui constitue également la source d’énergie de la plupart des véhicules à essence.Semblables aux moteurs à quatre temps, à deux temps et à rotor Wankel des moteurs à combustion interne, les moteurs de véhicules électriques peuvent être divisés en moteurs synchrones et moteurs asynchrones en fonction de la différence entre les rotors. Les moteurs asynchrones sont également appelés moteurs à induction, tandis que les moteurs synchrones contiennent des aimants permanents. et du courant pour exciter le moteur.
Stator et Rotor
Tous les types de moteurs de véhicules électriques se composent de deux parties principales : un stator et un rotor.
Stator▼
Le stator est la partie du moteur qui reste immobile et constitue le carter fixe du moteur, monté sur le châssis comme le bloc moteur.Le rotor est la seule partie mobile du moteur, semblable au vilebrequin, qui envoie le couple à travers la transmission et le différentiel.
Le stator est composé de trois parties : le noyau du stator, l'enroulement du stator et le cadre.Les nombreuses rainures parallèles du corps du stator sont remplies d'enroulements en cuivre interconnectés.
Ces enroulements contiennent des inserts en cuivre en épingle à cheveux qui augmentent la densité de remplissage des fentes et le contact direct fil à fil.Les enroulements denses augmentent la capacité de couple, tandis que les extrémités sont plus proprement décalées, réduisant ainsi l'encombrement pour un ensemble global plus petit.
Stator et rotor▼
La fonction principale du stator est de générer un champ magnétique tournant (RMF), tandis que la fonction principale du rotor est d'être coupé par les lignes de force magnétique dans le champ magnétique tournant pour générer (de sortie) un courant.
Le moteur utilise un courant alternatif triphasé pour régler le champ tournant, et sa fréquence et sa puissance sont contrôlées par l'électronique de puissance qui répond à l'accélérateur.Les batteries sont des appareils à courant continu (CC), de sorte que l'électronique de puissance du véhicule électrique comprend un onduleur CC-CA qui fournit au stator le courant CA nécessaire pour créer le champ magnétique rotatif variable très important.
Mais il convient de souligner que ces moteurs sont également des générateurs, ce qui signifie que les roues feront reculer le rotor à l'intérieur du stator, induisant un champ magnétique tournant dans l'autre sens, renvoyant l'énergie à la batterie via un convertisseur AC-DC.
Ce processus, appelé freinage par récupération, crée une traînée et ralentit le véhicule.La régénération est au cœur non seulement de l’extension de l’autonomie des véhicules électriques, mais également des véhicules hybrides à haut rendement, car une régénération poussée améliore l’économie de carburant.Mais dans le monde réel, la régénération n'est pas aussi efficace que « faire rouler la voiture », qui évite les pertes d'énergie.
La plupart des véhicules électriques reposent sur une transmission à une seule vitesse pour ralentir la rotation entre le moteur et les roues.Comme les moteurs à combustion interne, les moteurs électriques sont plus efficaces à bas régime et à charge élevée.
Alors qu'un véhicule électrique peut obtenir une autonomie décente avec un seul rapport, les camionnettes et les SUV plus lourds utilisent des transmissions à plusieurs vitesses pour augmenter l'autonomie à grande vitesse.
Les véhicules électriques à plusieurs vitesses sont rares et aujourd'hui, seules l'Audi e-tron GT et la Porsche Taycan utilisent des transmissions à deux vitesses.
Trois types de moteurs
Né au XIXe siècle, le rotor du moteur à induction est constitué de couches ou bandes longitudinales de matériau conducteur, le plus souvent du cuivre et parfois de l'aluminium.Le champ magnétique tournant du stator induit un courant dans ces feuilles, ce qui crée à son tour un champ électromagnétique (CEM) qui commence à tourner dans le champ magnétique tournant du stator.
Les moteurs à induction sont appelés moteurs asynchrones car le champ électromagnétique induit et le couple de rotation ne peuvent être générés que lorsque la vitesse du rotor est en retard par rapport au champ magnétique tournant.Ces types de moteurs sont courants car ils ne nécessitent pas d'aimants de terres rares et sont relativement bon marché à fabriquer.Mais ils sont moins capables de dissiper la chaleur sous des charges élevées et soutenues et sont intrinsèquement moins efficaces à basse vitesse.
Moteur à aimant permanent, comme son nom l'indique, son rotor possède son propre magnétisme et ne nécessite pas de puissance pour créer le champ magnétique du rotor.Ils sont plus efficaces à basse vitesse.Un tel rotor tourne également de manière synchrone avec le champ magnétique tournant du stator, c'est pourquoi on l'appelle moteur synchrone.
Cependant, le simple fait d’envelopper le rotor avec des aimants pose ses propres problèmes.Premièrement, cela nécessite des aimants plus gros et, avec le poids supplémentaire, il peut être difficile de rester synchronisé à des vitesses élevées.Mais le plus gros problème est ce que l’on appelle la « force contre-électromotrice » à grande vitesse, qui augmente la traînée, limite la puissance maximale et génère un excès de chaleur qui peut endommager les aimants.
Pour résoudre ce problème, la plupart des moteurs à aimants permanents des véhicules électriques sont dotés d'aimants permanents internes (IPM) qui glissent par paires dans des rainures longitudinales en forme de V, disposées en plusieurs lobes sous la surface du noyau de fer du rotor.
La rainure en V maintient les aimants permanents en sécurité à des vitesses élevées, mais crée un couple de réluctance entre les aimants.Les aimants sont soit attirés, soit repoussés par d'autres aimants, mais une réticence ordinaire attire les lobes du rotor en fer vers le champ magnétique tournant.
Les aimants permanents entrent en jeu à basse vitesse, tandis que le couple de réluctance prend le relais à haute vitesse.La Prius est utilisée dans cette structure.
Ce dernier type de moteur excité par le courant n’est apparu que récemment dans les véhicules électriques. Les deux moteurs ci-dessus sont des moteurs sans balais. La sagesse conventionnelle veut que les moteurs sans balais soient la seule option viable pour les véhicules électriques.Et BMW est récemment allé à l'encontre de la norme et a installé des moteurs synchrones à courant alternatif excités par balais sur les nouveaux modèles i4 et iX.
Le rotor de ce type de moteur interagit avec le champ magnétique tournant du stator, exactement comme un rotor à aimant permanent, mais au lieu d'avoir des aimants permanents, il utilise six larges lobes de cuivre qui utilisent l'énergie d'une batterie CC pour créer le champ électromagnétique nécessaire. .
Cela nécessite l'installation de bagues collectrices et de brosses à ressort sur l'arbre du rotor, de sorte que certaines personnes craignent que les brosses s'usent et accumulent de la poussière et abandonnent cette méthode.Bien que le réseau de brosses soit enfermé dans un boîtier séparé doté d’un couvercle amovible, il reste à voir si l’usure des brosses constitue un problème.
L’absence d’aimants permanents évite la hausse du coût des terres rares et l’impact environnemental de l’exploitation minière.Cette solution permet également de faire varier l'intensité du champ magnétique du rotor, permettant ainsi une optimisation supplémentaire.Néanmoins, l’alimentation du rotor consomme encore une certaine puissance, ce qui rend ces moteurs moins efficaces, en particulier à basse vitesse, où l’énergie nécessaire pour créer le champ magnétique représente une proportion plus importante de la consommation totale.
Dans la courte histoire des véhicules électriques, les moteurs synchrones à courant alternatif excités par le courant sont relativement nouveaux, et il reste encore beaucoup de place pour que de nouvelles idées se développent, et il y a eu des tournants majeurs, comme le passage de Tesla des concepts de moteurs à induction aux concepts de moteurs permanents. moteur synchrone à aimants.Et nous sommes moins d’une décennie dans l’ère des véhicules électriques modernes, et nous ne faisons que commencer.
Heure de publication : 21 janvier 2023