Le moteur électrique idéal existe-t-il ?

Récemment, de nombreux nouveaux fabricants se sont lancés dans la construction de moteurs électriques - parce qu'il semble s'agir de produits simples. Dans la construction automobile, les moteurs doivent toutefois être adaptés avec précision aux spécifications du constructeur automobile. Les critères les plus importants à cet égard sont la densité de puissance et de couple ainsi que l'efficacité et la durée de vie.

Les moteurs électriques transforment l'énergie électrique en énergie mécanique. Les forces magnétiques fournissent un couple qui, contrairement aux entraînements par moteur à combustion, est disponible dès le premier régime. C'est pourquoi le moteur électrique convient bien à la propulsion d'une voiture. Le fait qu'il soit compact et qu'il effectue son travail sans émissions et avec un bien meilleur rendement que le moteur à combustion est un autre avantage. Comme les moteurs électriques peuvent également fonctionner en tant que générateurs, ils sont souvent appelés "machines électriques". La raison de la grande efficacité du moteur électrique est d'une part le fait que l'énergie ne doit pas être transformée de manière thermodynamique, mais qu'elle est utilisée directement. De plus, l'énergie cinétique de la voiture en mouvement peut être réinjectée dans la batterie par récupération.

Différents types de machines électriques sont utilisés pour la propulsion des voitures électriques. Les favoris sont les machines synchrones à excitation permanente et hybrides, les machines synchrones à excitation séparée et les machines asynchrones.

Les machines synchrones à excitation permanente (PSM) sont souvent utilisées dans les voitures électriques actuelles. Elles sont compactes, puissantes et efficaces sur le plan énergétique. Comme le champ magnétique du rotor est généré par des aimants permanents, ces machines fonctionnent avec des rendements élevés, même à charge partielle. De plus, leur construction est simple - aucun contact glissant n'est nécessaire, par exemple. Les inconvénients de ce type de construction sont tout d'abord les coûts. Et du côté des matières premières, les PSM dépendent des terres rares.

La machine synchrone à excitation séparée (FSM ou EESM, Externally Excited Synchronous motor) fonctionne avec un rotor dont le champ magnétique est généré par un électroaimant, donc par le passage d'un courant. En termes de rendement, elle se rapproche de la PSM. Il est toutefois moins cher à produire que le PSM. C'est pourquoi le FSM est utilisé dans des catégories de véhicules plus sensibles aux prix, et tend à être utilisé dans les petites voitures. L'un des avantages du FSM est qu'il ne nécessite pas de métaux de terres rares pour sa fabrication.

Dans les moteurs asynchrones (ASM), contrairement aux moteurs synchrones, les champs magnétiques du rotor et du stator ne se déplacent pas au même rythme, c'est-à-dire de manière asynchrone. L'ASM est un peu moins efficace, plus lourd et légèrement plus bruyant en fonctionnement. En revanche, il présente l'avantage de pouvoir être désactivé complètement à tout moment et de fonctionner alors en roue libre, c'est-à-dire de ne pas consommer d'énergie. De plus, elle peut se passer d'aimants permanents et d'unités de régulation, elle est donc moins chère à fabriquer que la PSM. Pour obtenir un effet de boost puissant, le moteur asynchrone peut fonctionner en surcharge pendant une courte période. Cette propriété peut être mise à profit dans les véhicules à vocation sportive.

Il n'existe pas encore de voie royale pour le choix du type de moteur. Ainsi, certains constructeurs automobiles oscillent entre PSM et ASM, d'autres entre PSM et FSM. D'autres encore misent sur une combinaison des concepts. On pourrait toutefois indiquer comme tendance que les machines électriques sans aimant, c'est-à-dire FSM et ASM, auront le vent en poupe, car elles sont plus respectueuses de l'environnement et en outre moins dépendantes du prix des matières premières. Le constructeur automobile profite ainsi d'une stabilité des prix à long terme et d'une sécurité d'approvisionnement globale.

C'est pourquoi l'entreprise de développement allemande Vitesco Technologies, par exemple, mise résolument sur ce type de construction. Les moteurs à excitation séparée sont certes techniquement complexes, car ils nécessitent leur propre source de courant pour entraîner le rotor. Leur rotor se passe toutefois d'aimants permanents. Un autre avantage est que le FSM peut désormais être optimisé pour une plus grande variété d'applications. Sur les longues distances avec beaucoup d'autoroutes, les FSM sont plus efficaces que les PSM.

Renault mise également sur la carte FSM, non seulement pour le modèle Zoé, mais aussi pour l'avenir : en collaboration avec son partenaire Valeo, le constructeur français développe actuellement la machine synchrone à excitation électrique E7A, qui devrait être commercialisée en 2027. Un nouveau stator de Valeo augmente en outre la puissance et le rendement. Le groupe peut atteindre 200 kW (272 ch) et est donc, selon le constructeur, nettement plus puissant que les moteurs électriques utilisés jusqu'à présent, sans pour autant consommer plus d'électricité.

Les moteurs asynchrones sont utilisés par Audi sur les essieux avant et arrière du nouveau Q6 e-tron, et Mercedes et Tesla utilisent également l'ASM dans divers modèles. Dans certains modèles, l'ASM et le PSM sont tous deux installés pour entraîner les essieux avant et arrière.

Si, comme chez Porsche par exemple, la performance joue le rôle principal, le PSM est généralement privilégié. Dans le nouveau Macan entièrement électrique, de telles machines sont utilisées sur les deux essieux. Une densité de puissance maximale a été obtenue grâce au nouveau refroidissement par chemise d'eau. Le bobinage des stators en hairpin (à l'avant) et en i-pin (à l'arrière) a permis une augmentation supplémentaire de la puissance. Le flux de puissance vers les roues est assuré sur les essieux avant et arrière par une boîte de vitesses compacte à deux étages et à un seul rapport. La récupération d'énergie apporte également des avantages en termes d'efficacité. Jusqu'à 240 kW peuvent être récupérés dans le Macan, en fonction de l'actionnement de la pédale de frein par le conducteur, de la température et de l'état de charge de la batterie.

Dans le Concept One-Eleven, Mercedes a présenté un entraînement Performance-E avec un moteur à flux axial de sa filiale anglaise Yasa. Dans ce moteur, le flux électromagnétique se déplace de manière extrêmement efficace parallèlement à l'axe de rotation du moteur, alors que dans les moteurs à flux radial, il se déplace perpendiculairement à l'axe de rotation. Par rapport aux moteurs traditionnels, cet entraînement convainc par une puissance de pointe et une puissance continue nettement plus élevées. La forme extrêmement étroite et le faible poids sont également des avantages, mais les coûts de fabrication sensiblement plus élevés sont un inconvénient. Là où les coûts ne jouent aucun rôle : Les moteurs à flux axial à deux rotors sont actuellement montés sur les modèles hybrides SF90 et 296 GTB/GTS de Ferrari.