Moteur électrique

Un moteur électrique permet de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique. Par rapport à un moteur thermique, il a de nombreux avantages.

Avantages et inconvénient du moteur électrique

Contrairement à un moteur thermique, un moteur électrique :

peut fournir tout son couple même à vitesse nulle : il n'a donc pas besoin d'un embrayage, et permet des démarrages vifs.
est réversible : si on l'entraîne, par exemple en descendant une pente ou en freinant, il transforme l'énergie mécanique en énergie électrique qui va recharger la batterie. Grâce à cela, on limite l'usure et l'échauffement des freins tout en économisant de l'énergie.
a un excellent rendement : le rendement peut dépasser 90%, voire 95% , alors qu'un moteur thermique dissipe sous forme de chaleur quasiment les deux tiers de la puissance qu'il consomme. Il n'a donc pas besoin d'un dispositif de refroidissement aussi puissant qu'un moteur thermique, et sa température de fonctionnement étant plus basse, il vieillit aussi moins vite.
peut fonctionner sur une large plage de couples et de vitesses : il n'a donc pas besoin d'une boîte de vitesses.
n'émet pas de gaz de combustion, ni de particules
ne perd pas de puissance ni de rendement avec l'altitude.
a très peu de pièces d'usure, mis à part les roulements et les balais sur certains moteurs
est beaucoup plus silencieux et ne vibre pas...

Le principal inconvénient du moteur électrique est... la batterie qui l'alimente. En effet, la quantité d'énergie contenue dans une batterie est bien moindre que celle contenue dans un réservoir de carburant, et elle ne peut être rechargée aussi rapidement que l'on fait un plein. De plus la batterie reste un élément lourd et couteux.

C'est à cause des faibles performances des batteries que la voiture électrique est restée pendant longtemps un serpent de mer dans l'automobile, mais l'apparition des batteries au lithium, performantes et légères, a permis à la voiture électrique d'émerger enfin...

Principe de fonctionnement

Dans un moteur électrique, le couple est produit par l'interaction des champs magnétiques créés au stator et au rotor. Ce couple dépend de l'intensité et de l'angle entre ces deux champs. Pour obtenir un couple constant, il faut donc maintenir cet angle constant. Il existe plusieurs types de moteurs électriques, réalisant cette fonction de différentes manières.

Moteur à courant continu :

Dans ce type de moteur, le champ au stator est fixe et est obtenu par un simple bobinage. Afin de maintenir un angle à peu près constant, il est nécessaire de déplacer le champ du rotor lorsque celui-ci tourne. Ceci est obtenu par la commutation de plusieurs bobinages au rotor, grâce à un dispositif électromécanique appelé collecteur. Le courant alimentant les bobines du rotor est donc amené par ce dispositif est des balais (appelés parfois "charbons") frottant sur celui-ci.

Le moteur à courant continu a l'avantage de fonctionner directement en courant continu, qui est le type de courant fourni par une batterie. L'électronique de pilotage est aussi très simple.

Son principal inconvénient réside dans le collecteur, qui est une pièce couteuse, fragile, et soumise à l'usure. De plus, ce type de moteur est plus lourd et encombrant que les autres types de moteurs, et son rendement est plus faible. C'est pour ces raisons que le moteur à courant continu n'est plus utilisé dans les voitures électriques de dernière génération.

Les voitures électriques des années 90, telles la Peugeot 106 par exemple, utilisaient ce type de moteur.

Moteur synchrone à rotor bobiné :

Dans ce type de moteur, le champ au stator est tournant, grâce à l'utilisation de plusieurs bobinages alimentés de façon décalée dans le temps. Le rotor, lui, est alimenté en courant continu, et son champ est donc fixe par rapport au rotor. Afin de maintenir un angle (et donc un couple) constant, le champ du stator tourne exactement à la même vitesse que le rotor, d'où le nom de moteur synchrone. Ceci est obtenu grâce à un capteur de position permettant de mesurer la position du rotor et d'asservir la position du champ du stator. Le stator doit être alimenté en courant alternatif via un onduleur permettant de convertir le courant continu provenant de la batterie.

Le rotor est alimenté grâce à un système de bagues et de balais frottant sur ces bagues. A la différence du moteur à courant continu, le courant au rotor est relativement faible, et il n'y a pas de commutations, l'usure du système d'alimentation du rotor est donc bien moindre.

L'avantage de ce type de moteur est, grâce à la possibilité d'ajuster l'amplitude du champ magnétique au rotor, de permettre un fonctionnement optimisé du moteur sur un grande plage de couples et de vitesses. Ceci le rend particulièrement bien adapté à la traction des véhicules. Son inconvénient est le rotor bobiné qui le rend relativement encombrant, et peut être un point fragile du moteur, car il est soumis à une forte force centrifuge importante lorsque le rotor tourne à grande vitesse. Le système de bagues et balais peut aussi être un point faible du moteur à rotor bobiné. Le rotor est aussi soumis à un échauffement du fait des pertes dans le bobinage.

Ce type de moteur est utilisé dans les Renault Zoe, Kangoo ou Fluence.

Moteur synchrone à aimants :

Dans ce type de moteur, le stator est identique au précédent, mais le champ au rotor est obtenu par des aimants. Le rotor n'a donc pas besoin de bagues ni de balais. L'avantage de ce type de moteur est sa compacité et donc son poids réduit, car les aimants permettent de réaliser un champ de façon beaucoup plus efficace qu'un bobinage. Du fait de la quasi absence de pertes au rotor, le rendement de ce moteur peut être excellent sur certains points de fonctionnement.

Un de ses inconvénients est la difficulté de réduire le champ magnétique au rotor, car sur certains points de fonctionnement, un champ trop important peut engendrer des pertes ou limiter la plage d'utilisation du moteur. Cet inconvénient peut être atténué par une disposition astucieuse des aimants au rotor. L'autre inconvénient est que les aimants sont réalisés à partir de terres rares telles que le Néodyme, ce qui peut poser des problèmes de ressources ou de pollution lors de l'extraction de ces matériaux.

Ce type de moteur est utilisé dans les Nissan Leaf, Hyundai Ioniq, Kia, Volkswagen...

Moteur asynchrone :

Dans ce type de moteur, le stator est identique au précédent, mais le champ au rotor est créé par le stator par induction, d'où le terme anglais de "moteur à induction". Le rotor comporte un bobinage en court-circuit sur lui-même, très simplifié et constitué de barreaux soudés. Du fait de l'aspect de ce rotor, ce moteur est aussi appelé moteur à cage d'écureuil. Pour induire un champ au rotor, il est indispensable qu'il y ait une différence de vitesse entre le champ du stator et le rotor, d'où le terme de moteur asynchrone.

L'avantage de ce moteur est la simplicité et la robustesse de son rotor, qui ne nécessite pas de bagues ni de balais et peut fonctionner sans capteur de position. Le champ magnétique peut être facilement ajusté, ce qui qui permet de fonctionner avec un bon rendement sur une large plage de fonctionnement. Son inconvénient est qu'il nécessite un plus fort courant au stator, nécessaire pour alimenter le rotor, et son pilotage est plus complexe, demandant une puissance de calcul en temps réel plus importante. Il est aussi moins compact qu'un moteur à aimants.

Ce type de moteur est utilisé dans les Tesla Model S ou X, ainsi que par la Mia...