Moteurs électriques et unités de traction

Le moteur de traction d’un véhicule électrique appartient à un système étroitement intégré dans lequel la batterie, l’onduleur, le moteur, le circuit de refroidissement, le réducteur, le différentiel, les pneus et le logiciel de commande déterminent ensemble l’efficacité avec laquelle l’énergie électrique devient mouvement.

Ce portail distingue trois questions souvent confondues : comment les différentes familles de moteurs produisent du couple, comment une unité de traction est construite et commandée, et comment le véhicule complet utilise et mesure ce matériel.

Le parcours de l’énergie, de la batterie à la route

La batterie haute tension fournit du courant continu. Un Traction inverters de traction transforme ce CC, par commutation, en courant multiphasé commandé — normalement du CA triphasé — dont l’amplitude, la fréquence et la phase déterminent le couple et la vitesse du moteur. La Motor control and efficiency maps traduit la demande du conducteur et les limites du véhicule en consignes de courant suivies par l’onduleur.

Dans le moteur, le courant qui traverse les enroulements fixes crée un champ magnétique tournant. Le rotor suit ce champ ou interagit avec lui et entraîne l’arbre de sortie. Les choix relatifs au stator, au rotor, aux enroulements, aux tôles, à l’isolation, à l’entrefer, aux roulements et aux tolérances de fabrication sont traités dans EV motor construction and windings.

Un rapport de réduction fixe échange normalement la vitesse du moteur contre du couple aux roues. Le différentiel permet aux roues motrices de tourner à des vitesses différentes en virage. Dans une Integrated electric drive units moderne, le moteur, l’onduleur, le réducteur, le différentiel, la lubrification et les passages de refroidissement peuvent partager un même carter compact.

Comment un moteur de traction CA produit du couple

La plupart des moteurs de traction des véhicules électriques comportent deux parties électromagnétiques principales : un stator immobile et un rotor qui tourne de l’autre côté d’un entrefer étroit. Les trois phases du stator sont alimentées successivement, ce qui produit un champ magnétique tournant autour de l’entrefer.

La famille du moteur est principalement définie par la manière dont le rotor obtient son champ magnétique et par le déplacement de ce champ par rapport à celui du stator :

Un moteur synchrone à aimants permanents porte des aimants dans ou sur le rotor.
Un moteur synchrone à excitation électrique crée le champ rotorique au moyen d’un enroulement alimenté en CC.
Un moteur à induction induit un courant dans une cage rotorique conductrice ; le rotor doit tourner à une vitesse différente de celle du champ statorique pour produire du couple.
Un moteur à réluctance produit du couple parce que son rotor se magnétise plus facilement dans certaines directions que dans d’autres.

Le terme « synchrone » décrit la vitesse du rotor par rapport au champ tournant du stator. Il ne signifie pas que le rotor et le stator sont reliés mécaniquement. Les roulements soutiennent le rotor, tandis que l’entrefer maintient les parties électromagnétiques physiquement séparées.

Couple, vitesse et puissance

Le couple est l’effort de rotation appliqué à l’arbre. La puissance est le rythme auquel le moteur effectue un travail :

puissance = couple × vitesse de rotation

Cette relation explique la courbe de couple caractéristique d’un véhicule électrique. De l’arrêt jusqu’à la vitesse de base du moteur, l’onduleur peut généralement fournir assez de courant pour maintenir une large zone à couple constant. Au-delà de cette vitesse, la tension et la force contre-électromotrice deviennent les principales contraintes. Le contrôleur affaiblit le champ magnétique effectif afin que le moteur puisse tourner plus vite, tandis que le couple disponible diminue. La puissance peut rester approximativement constante sur une partie de cette plage de vitesses supérieures.

La courbe exacte est limitée par la puissance de la batterie, la tension et le courant de l’onduleur, la température du moteur, la vitesse du rotor et les limites mécaniques. Une puissance de pointe annoncée peut n’être disponible que quelques secondes. La puissance continue est celle que l’unité de traction complète peut soutenir dans des conditions définies de refroidissement et d’environnement. EV motor testing and ratings explique pourquoi la limite de mesure et la durée de l’essai doivent accompagner une valeur de puissance.

Lors du freinage régénératif, la même machine fonctionne comme génératrice. Le couple aux roues entraîne le rotor, l’onduleur commande le courant de génération et l’énergie électrique retourne vers la batterie lorsque sa température, son état de charge, l’adhérence et les limites du système le permettent.

Les principales familles de moteurs des véhicules électriques

Les Permanent-magnet synchronous motors sont courants, car ils peuvent associer une forte densité de puissance à un rendement élevé sur une partie utile de la cartographie de fonctionnement. Les conceptions à aimants intérieurs peuvent produire à la fois un couple dû aux aimants permanents et un couple de réluctance. Leur flux rotorique fixe pose aussi des défis de conception liés à l’affaiblissement de champ, à la tension en cas de défaut, à l’approvisionnement en matériaux et à la thermique.

Les Induction (asynchronous) motors ne comportent ni aimants rotoriques ni contacts électriques. Leur champ rotorique n’existe que lorsque l’excitation du stator induit un courant dans la cage. Robustes sur le plan mécanique, ils peuvent présenter une faible traînée électromagnétique lorsqu’ils sont désactivés, ce qui les rend utiles aussi bien comme moteurs de traction principaux que sur un essieu secondaire. Le courant rotorique ajoute toutefois chaleur et pertes.

Les Electrically excited synchronous motors remplacent les aimants permanents par un électroaimant rotorique commandable. L’augmentation ou la réduction du courant d’excitation offre aux ingénieurs une variable de commande supplémentaire, notamment pour affaiblir efficacement le champ à grande vitesse. En contrepartie, il faut un système d’excitation, accepter des pertes cuivre au rotor et — lorsque des balais et des bagues collectrices sont employés — des exigences mécaniques et de durabilité supplémentaires.

Les Reluctance motors comprennent des machines synchrones à réluctance sans aimants, des machines à réluctance commutée ainsi que des conceptions assistées par aimants permanents. Elles exploitent les différences directionnelles de la réluctance magnétique du rotor. Des rotors simples sans aimants sont possibles, mais la densité de couple, les exigences envers l’onduleur, les ondulations de couple, l’acoustique et la commande doivent être évaluées à l’échelle du système complet.

Les Axial-flux permanent-magnet motors décrivent une géométrie magnétique différente plutôt qu’une source distincte d’excitation du rotor. La plupart des moteurs automobiles à flux axial sont des machines synchrones à aimants permanents dont le flux principal traverse l’entrefer parallèlement à l’arbre. Leur grand rayon actif et leur faible encombrement axial peuvent offrir une forte densité de couple, mais le refroidissement, la maîtrise de l’entrefer, les forces axiales et la production en grande série sont exigeants.

Pourquoi aucun type de moteur n’est simplement le meilleur

Un moteur ne possède pas une valeur unique de rendement. Il a une cartographie de rendement couvrant la vitesse et le couple, et un véhicule en parcourt différentes zones en ville, sur autoroute, en montée, en remorquage et lors de fortes accélérations. L’onduleur et le réducteur ont leurs propres cartographies ; les ingénieurs optimisent donc l’unité de traction complète selon le cycle d’utilisation visé.

Les pertes principales varient également selon le point de fonctionnement :

la résistance des enroulements crée des pertes cuivre qui augmentent fortement avec le courant ;
la variation des champs magnétiques crée des pertes par hystérésis et par courants de Foucault dans l’acier électrique et les autres pièces conductrices ;
les rotors à induction et à excitation électrique ajoutent des pertes cuivre rotoriques ;
l’onduleur présente des pertes de conduction et de commutation ;
les roulements, joints, engrenages, pompes à huile et le brassage de l’huile créent des pertes mécaniques.

Le choix du moteur met donc en balance le rendement sur la zone utile de la cartographie, les densités de puissance et de couple, le coût et l’approvisionnement des matériaux, le calibre de l’onduleur, les besoins de refroidissement, la vitesse maximale, l’acoustique, la facilité de commande, le rendement de fabrication, la durabilité et la réparabilité. Un moteur légèrement moins efficace à son meilleur point peut donner un véhicule plus efficace si sa zone de haut rendement utile correspond mieux à la charge de conduite du véhicule.

Un moteur ou plusieurs

Un seul moteur peut entraîner l’essieu avant ou arrière par l’intermédiaire d’un différentiel. Deux moteurs fournissent normalement un couple commandé indépendamment sur les essieux avant et arrière, ce qui permet une transmission intégrale sans arbre de transmission mécanique. Les constructeurs peuvent employer le même type de moteur sur les deux essieux ou associer plusieurs types afin d’exploiter des caractéristiques différentes de rendement et de rotation libre.

Les systèmes à trois moteurs placent généralement un moteur sur un essieu et deux moteurs commandés indépendamment sur l’autre. Les systèmes à quatre moteurs peuvent employer un moteur par roue ou deux moteurs par essieu reliés par des trains d’engrenages distincts. Des moteurs indépendants offrent la base matérielle nécessaire à une vectorisation rapide du couple, mais la capacité réelle dépend des capteurs, de la capacité de l’onduleur, de l’adhérence des pneus, des limites thermiques, des rapports de transmission et du logiciel de commande.

Les moteurs supplémentaires n’apportent pas gratuitement des performances. Ils ajoutent masse, coût, besoins de refroidissement, onduleurs, câbles, roulements et pertes parasites. Des embrayages de déconnexion et des moteurs à induction désactivés peuvent réduire la pénalité en roulage d’un essieu secondaire. Multi-motor EV architectures examine en détail les architectures à un, deux, trois et quatre moteurs.

Lire les caractéristiques des moteurs de véhicules électriques

Des données utiles sur un moteur doivent répondre à plus que la question « combien de kilowatts ? ». Vérifiez si une valeur est de pointe ou continue, si elle s’applique à un moteur, à un essieu ou au véhicule complet, et si le couple indiqué est mesuré sur l’arbre du moteur ou aux roues après la réduction.

Les données d’ingénierie les plus instructives comprennent :

la topologie et l’emplacement du moteur ;
la puissance de pointe et la puissance continue dans les conditions indiquées ;
le couple maximal et la vitesse maximale du moteur ;
la tension du bus CC, le courant de l’onduleur et le type de semi-conducteur ;
le rapport de réduction et le rendement de la transmission ;
les cartographies de rendement du moteur et de l’onduleur en traction et en régénération ;
la méthode de refroidissement et les limites thermiques ;
la possibilité de désactiver ou de déconnecter les moteurs secondaires ;
la limite de mesure, les températures et la procédure d’essai.

Ces détails expliquent pourquoi deux véhicules ayant une puissance de pointe similaire peuvent différer en consommation sur autoroute, en accélérations répétées, en capacité de remorquage, en bruit et en aptitude à maintenir une vitesse élevée.

Lire la série dans l’ordre

Commencez par les familles de moteurs :

Suivez ensuite la chaîne du matériel et de la gestion de l’énergie :

Terminez par l’architecture du véhicule et les éléments de preuve techniques :

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