Moteurs à induction (asynchrones) dans les véhicules électriques
Un moteur à induction — également appelé moteur asynchrone — crée le champ magnétique du rotor sans aimants permanents ni alimentation électrique distincte du rotor. Son rotor simple en cage d’écureuil, son champ contrôlable et son aptitude aux régimes élevés en font une solution robuste pour la traction des véhicules électriques.
Comment l’induction produit le couple
L’onduleur alimente les trois enroulements de phase du stator avec des courants décalés dans le temps. Ensemble, ces courants créent un champ magnétique qui tourne autour de l’entrefer. La vitesse de rotation de ce champ dépend de la fréquence électrique et du nombre de pôles magnétiques du moteur.
Le rotor habituel d’un moteur de traction est une cage d’écureuil : des barres conductrices en aluminium ou en cuivre parcourent un empilement de tôles d’acier et sont court-circuitées à leurs extrémités par des anneaux. Le champ tournant du stator coupe ces barres et y induit un courant. Ce courant crée un champ magnétique rotorique, et l’interaction entre les deux champs produit le couple.
Pour que l’induction ait lieu, le rotor doit tourner à une vitesse différente de celle du champ statorique. Cette différence est appelée glissement. En fonctionnement moteur, le rotor tourne normalement plus lentement que le champ tournant ; en fonctionnement générateur, notamment lors du freinage régénératif, la relation commandée s’inverse afin de convertir la puissance mécanique en puissance électrique.
Le glissement est une caractéristique, pas un défaut
Le glissement est souvent exprimé en pourcentage de la vitesse synchrone. Il varie avec la demande de couple et ne doit pas être confondu avec le patinage des roues. À faible charge, le glissement électromagnétique nécessaire peut être réduit. Un couple plus élevé exige généralement davantage de courant rotorique et une différence de vitesse commandée plus importante.
L’onduleur ne se contente pas d’appliquer une alimentation CA fixe. La commande vectorielle estime ou mesure le flux rotorique et sépare les consignes de courant qui établissent le flux de celles qui créent le couple. En faisant varier continuellement le courant de phase et la fréquence, le contrôleur peut produire un couple régulier depuis l’arrêt jusqu’à la zone d’affaiblissement de champ.
Le fonctionnement triphasé crée un champ tournant régulier ; il ne supprime pas la nécessité d’un réducteur. La plupart des groupes motopropulseurs électriques à moteur à induction réduisent encore la vitesse élevée de l’arbre moteur avant de transmettre le couple aux roues.
Construction du rotor et chaleur
Les moteurs à induction des voitures électriques utilisent normalement un rotor en cage d’écureuil, car celui-ci ne comporte ni balais, ni bagues collectrices, ni aimants, ni enroulements rotoriques isolés. Il existe des machines à induction à rotor bobiné, mais cette architecture n’est pas courante dans les unités de traction des voitures électriques modernes et ne doit pas être confondue avec un moteur synchrone à excitation électrique.
L’absence d’aimants dans le rotor simplifie l’approvisionnement en matériaux, mais l’induction n’implique pas une magnétisation sans pertes. Le courant statorique doit établir le champ dans l’entrefer et transférer la puissance au rotor. La résistance électrique de la cage transforme une partie du courant induit dans le rotor en chaleur. À forte charge, l’évacuation de cette chaleur depuis une pièce en rotation peut constituer l’un des principaux défis thermiques du groupe motopropulseur.
Atouts dans un véhicule électrique
Un rotor à induction est mécaniquement simple et peut supporter une vitesse de rotation élevée lorsque sa cage, ses tôles, son arbre et ses roulements sont conçus pour les contraintes qui en résultent. Il n’existe aucun risque de démagnétisation d’aimants permanents et le rotor ne contient pas d’aimants à terres rares.
L’onduleur peut réduire le flux de la machine lorsque la demande de couple est faible. Quand un moteur à induction installé sur un essieu secondaire est désactivé, il peut tourner avec une faible traînée électromagnétique, car il ne possède pas de champ rotorique permanent. Les pertes dues aux roulements, aux joints, aux engrenages, au brassage de l’huile ainsi que les pertes électromagnétiques résiduelles subsistent ; l’expression « sans traînée » ne doit donc pas être comprise au sens littéral.
Les moteurs à induction peuvent également accepter de brèves surcharges si l’onduleur, la batterie et le système de refroidissement disposent d’une marge suffisante. Cette aptitude est utile pour les accélérations courtes, mais c’est la température — et non le terme « induction » — qui fixe la limite répétable.
Limites et compromis de conception
Les pertes cuivre du rotor et le courant magnétisant fourni par le stator peuvent réduire le rendement du système et le facteur de puissance par rapport à une chaîne de traction à aimants permanents bien optimisée à certains points de fonctionnement. Ils augmentent aussi le courant de l’onduleur pour une puissance donnée à l’arbre.
Ces comparaisons dépendent de la cartographie. Un moteur à induction n’est pas intrinsèquement inefficace à haut régime, et un moteur à aimants permanents n’est pas automatiquement supérieur partout. La conception du rotor, l’acier électrique, l’entrefer, le refroidissement, la stratégie de commutation, le rapport de réduction et le cycle d’utilisation du véhicule déterminent le résultat.
Une commande précise dépend également de l’estimation de la température et des paramètres du rotor, car la résistance de la cage varie lorsque le rotor chauffe. Le contrôleur doit maintenir un flux et un couple stables sans accès électrique direct au rotor.
Comment les constructeurs utilisent les moteurs à induction
Un moteur à induction peut servir de moteur de traction principal ou de moteur d’appoint sur un second essieu. La chaîne de traction PPE d’Audi fournit un exemple clair de combinaison de moteurs : un moteur synchrone à aimants permanents assure la traction principale de l’essieu arrière, tandis qu’un moteur à induction avant est activé lorsqu’un supplément de performances ou de motricité est nécessaire. Lorsqu’il est inactif, le moteur avant peut tourner avec une faible traînée.
Cet agencement constitue un choix de système, et non une règle universelle. Le rendement réel d’un véhicule dépend de la fréquence d’utilisation de chaque essieu, de la présence éventuelle d’un embrayage, des pertes des engrenages et des pneus, ainsi que de la manière dont le logiciel de commande sélectionne les points de fonctionnement.
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