Moteurs synchrones à aimants permanents
Un moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) porte un champ magnétique permanent sur son rotor et suit le champ tournant du stator à la vitesse synchrone. Dans un véhicule électrique, cette architecture peut offrir une forte densité de couple et une large zone de haut rendement, mais les détails de conception comptent davantage que le sigle.
Comment un PMSM produit du couple
L’onduleur fournit au stator un courant triphasé commandé. Le champ magnétique qui en résulte tourne autour de l’entrefer et entraîne avec lui le champ magnétique du rotor. En fonctionnement synchrone normal, le rotor et le champ statorique accomplissent le même nombre de révolutions magnétiques par unité de temps ; il n’existe pas de glissement comme dans un moteur à induction.
Les aimants peuvent être montés près de la surface du rotor ou enfouis dans ses tôles :
- Un moteur à aimants permanents de surface présente une géométrie magnétique relativement simple et une faible saillance rotorique. La retenue des aimants face à la force centrifuge à grande vitesse constitue une tâche mécanique essentielle.
- Un moteur à aimants permanents intérieurs place les aimants derrière des ponts d’acier ou dans des barrières de flux profilées. Cette disposition protège les aimants et crée une réluctance magnétique différente le long des axes direct et en quadrature du rotor.
Cette différence directionnelle permet à une machine à aimants intérieurs de produire un couple de réluctance en plus du couple dû aux aimants. De nombreux moteurs automobiles décrits comme IPMSM, machines synchrones à réluctance assistées par aimants permanents ou machines synchrones à réluctance à aimants permanents occupent des domaines techniques qui se recoupent. L’appellation seule n’indique pas la part du couple provenant de chaque mécanisme.
Commande du courant, vitesse de base et affaiblissement de champ
La position du rotor doit être connue ou estimée afin que l’onduleur puisse orienter le champ statorique selon l’angle qui produit le couple demandé. Les systèmes de série utilisent couramment un résolveur ou un capteur de position, souvent complété par une estimation fondée sur un modèle.
La commande orientée champ représente le courant statorique sur deux axes tournants. Les composantes qui produisent le couple et celles qui modifient le flux peuvent alors être commandées séparément. En dessous de la vitesse de base, le contrôleur recherche généralement un couple élevé par ampère tout en respectant les limites de courant, de tension, de température et de démagnétisation.
À vitesse plus élevée, les aimants du rotor génèrent une force contre-électromotrice croissante. Lorsque la tension disponible du bus CC devient la contrainte, l’onduleur applique une composante de courant qui s’oppose à une partie du flux des aimants. Cet affaiblissement de champ étend la plage de vitesse, mais consomme de la capacité en courant et ajoute des pertes. La saillance d’un rotor à aimants intérieurs peut contribuer à créer une plage utile à puissance constante.
Lors du freinage régénératif, le courant commandé produit un couple négatif à l’arbre, et l’onduleur renvoie de la puissance électrique à la batterie dans les limites de l’adhérence et de la batterie.
Pourquoi les PMSM sont efficaces et compacts
Le champ rotorique ne nécessite pas d’excitation électrique continue ; il n’y a donc ni perte dans une cage d’induction ni perte d’excitation d’un rotor bobiné en fonctionnement normal. Des aimants puissants et un circuit magnétique optimisé peuvent fournir un flux élevé dans l’entrefer à partir d’un rotor compact. Ces propriétés favorisent une forte densité de couple et de puissance.
Le rendement reste une cartographie de fonctionnement, et non une caractéristique fixe du moteur. Les pertes cuivre du stator dominent à de nombreux points de couple élevé ; les pertes dans le fer, par courants de Foucault dans les aimants, par ventilation, dans les roulements, l’onduleur et les engrenages prennent de l’importance ailleurs. À très grande vitesse, le courant d’affaiblissement de champ peut modifier sensiblement le résultat du système.
Aimants, température et approvisionnement en matériaux
Les moteurs de traction hautes performances utilisent couramment des aimants au néodyme-fer-bore en raison de leur puissance magnétique. Du dysprosium, du terbium ou d’autres éléments peuvent être ajoutés sélectivement afin de conserver la coercivité à chaud. Les aimants au samarium-cobalt et les ferrites constituent des solutions de remplacement pour certains objectifs de température, de coût ou d’approvisionnement, mais chacun modifie les compromis de taille, de circuit magnétique et de commande.
Les aimants ont des limites thermiques. Une température excessive du rotor ou un champ magnétique défavorable peut provoquer une démagnétisation partielle et irréversible. Les ingénieurs gèrent ce risque par la qualité et la segmentation des aimants, la géométrie du rotor, les limites de courant et le refroidissement. L’extraction des terres rares, la concentration du traitement, la volatilité des prix et la fabrication des aimants influencent également le choix d’architecture.
L’affirmation « les PMSM nécessitent des terres rares » est donc trop générale : les aimants permanents ne doivent pas nécessairement contenir des éléments de terres rares. Il est plus exact de dire qu’aujourd’hui, de nombreux PMSM automobiles à forte densité de puissance emploient des aimants aux terres rares.
Enroulements et fabrication
Le stator peut utiliser des fils toronnés ou des conducteurs rectangulaires formés. Les enroulements en épingle peuvent augmenter le taux de remplissage en cuivre des encoches, améliorer la répétabilité de fabrication et créer un contact thermique direct, mais les conducteurs plus gros peuvent subir des pertes CA supplémentaires à haute fréquence électrique. Le pas d’enroulement, le nombre d’encoches et de pôles, la longueur des têtes de bobines, l’isolation, les assemblages et le refroidissement sont conçus conjointement avec le rotor et l’onduleur.
Le placement des aimants est tout aussi exigeant. Les ponts du rotor doivent résister à la vitesse maximale tout en limitant les fuites magnétiques. La segmentation des aimants peut réduire les pertes par courants de Foucault, et des frettes ou d’autres structures de retenue peuvent être nécessaires dans les conceptions à grande vitesse.
Roue libre et essieux secondaires
Un rotor à aimants permanents en rotation continue de créer un flux magnétique. Il génère donc une force contre-électromotrice ainsi que des pertes dans le noyau ou les aimants même lorsque le couple demandé est nul. La force contre-électromotrice seule n’implique pas un couple de freinage important si le courant de phase est empêché, mais l’unité de traction inactive conserve des pertes dans les roulements, les joints, les engrenages, l’huile et les éléments électromagnétiques.
Les constructeurs gèrent ces pertes par la commande de l’onduleur, une conception de moteur à faibles pertes, un embrayage de déconnexion ou un type de moteur différent sur l’essieu secondaire. La meilleure solution dépend du coût, du temps de réponse, de l’intégration et de la fréquence à laquelle la transmission intégrale est nécessaire.
Ce que l’appellation ne révèle pas
« PMSM » ne précise pas si les aimants sont en surface ou à l’intérieur, leur composition, le nombre de pôles, le type d’enroulement, le refroidissement, la vitesse maximale, la plage d’affaiblissement de champ, la durée de pointe ni la cartographie de rendement. Ces choix déterminent le comportement du moteur dans un véhicule.
La Taycan de Porsche illustre une approche de série : des moteurs synchrones à aimants permanents, des enroulements statoriques en épingle, un refroidissement liquide et une commande par onduleur sont intégrés à des transmissions propres à chaque essieu. D’autres véhicules électriques emploient des configurations d’aimants, des méthodes de bobinage ou des systèmes à transmission intégrale combinant plusieurs types de moteurs. La topologie du moteur doit être considérée comme une partie de la conception complète de l’unité de traction.
Pour une présentation détaillée par un constructeur de la conception compacte d’un PMSM, la vidéo technique existante de Lucid reste utile :
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