Moteurs à réluctance dans les véhicules électriques
Les moteurs à réluctance produisent un couple en attirant un rotor magnétiquement asymétrique vers la position où le flux magnétique peut emprunter le chemin le plus facile. Ce principe se retrouve dans plusieurs familles distinctes, notamment les machines synchrones à réluctance et à réluctance commutée sans aimants, ainsi que dans les conceptions assistées par aimants permanents.
La réluctance est une propriété magnétique
La réluctance magnétique est l'opposition qu'un circuit magnétique présente au flux magnétique. Un trajet dans de l'acier électrique à forte perméabilité offre une réluctance plus faible qu'un trajet dans l'air ou à travers une barrière de flux. Si la forme du rotor fait varier ses propriétés magnétiques selon la direction, le champ statorique alimenté crée un couple qui tend à aligner l'axe de faible réluctance du rotor sur ce champ.
Les ingénieurs en commande moteur décrivent le rotor au moyen de deux axes magnétiques perpendiculaires. L'axe direct, ou d, et l'axe en quadrature, ou q, présentent des inductances différentes dans un rotor saillant. Cette différence permet au courant statorique de produire un couple de réluctance. Cet effet n'exige pas d'aimants permanents, même si l'on peut en ajouter pour associer couple magnétique et couple de réluctance.
C'est pourquoi la réluctance ne se limite pas à une seule appellation commerciale. Il s'agit d'un mécanisme de production du couple qui contribue aussi de façon importante dans de nombreux permanent-magnet synchronous motors à aimants intérieurs.
Moteurs synchrones à réluctance
Un moteur synchrone à réluctance, souvent abrégé SynRM, utilise un rotor en tôles d'acier comportant des barrières de flux ou une autre géométrie créant une forte saillance magnétique. L'onduleur génère un champ statorique tournant, que le rotor suit à la vitesse synchrone.
Le rotor peut être dépourvu d'aimants, de bobinages, de bagues collectrices et de conducteurs en cage d'écureuil. Cela peut réduire le coût des matériaux et l'échauffement du rotor tout en autorisant une vitesse de rotation élevée. L'absence de flux d'aimants permanents signifie aussi que le moteur hors tension ne produit pas la même force contre-électromotrice qu'une machine à aimants permanents.
En contrepartie, le couple dépend de la différence réalisable entre les inductances des axes d et q. Les barrières de flux accentuent cette différence, mais retirent de l'acier au rotor, compliquent sa conception mécanique et peuvent limiter la densité de couple. Le facteur de puissance et le courant demandé à l'onduleur peuvent aussi être moins favorables que dans une machine à aimants permanents bien conçue.
Réluctance synchrone assistée par aimants permanents
Un moteur synchrone à réluctance assisté par aimants permanents ajoute une quantité relativement faible de matériau magnétique dans un rotor saillant. Les aimants contribuent au couple, améliorent le facteur de puissance et peuvent élargir la zone de fonctionnement efficace, tandis que la géométrie du rotor continue de fournir une part importante du couple de réluctance.
Il n'existe pas de frontière physique nette entre cette famille et un moteur synchrone à aimants permanents intérieurs. Fabricants et chercheurs peuvent décrire différemment des rotors similaires selon qu'ils souhaitent souligner l'apport des aimants, celui de la réluctance ou la réduction des terres rares. Les questions d'ingénierie pertinentes sont la part de couple issue de chaque mécanisme, la quantité d'aimants employée et les performances du moteur complet sur toute sa cartographie vitesse-couple.
Moteurs à réluctance commutée
Un moteur à réluctance commutée, ou SRM, possède des pôles saillants au stator comme au rotor. Son rotor est généralement un empilement de tôles d'acier électrique sans bobinages ni aimants. Les bobines statoriques concentrées sont alimentées successivement afin d'attirer chaque pôle rotorique vers une position alignée ; le courant de phase doit ensuite diminuer avant l'alignement si son maintien devait produire un couple de freinage.
Ce principe de fonctionnement diffère du champ tournant approximativement sinusoïdal employé par la plupart des moteurs de traction triphasés. Un SRM classique utilise généralement un convertisseur asymétrique capable d'alimenter et de démagnétiser chaque phase indépendamment. L'information de position du rotor et une commande du courant précisément synchronisée sont essentielles à une motricité et une régénération efficaces.
Le rotor simple d'un SRM tolère la chaleur et les vitesses élevées, et ses phases électriquement séparées peuvent apporter une précieuse tolérance aux pannes. Les principaux défis sont l'ondulation du couple, la variation des forces radiales, le bruit acoustique, la saturation magnétique non linéaire et un convertisseur dont les exigences de tension et de courant doivent être étudiées avec le moteur, et non après coup. La simplicité du rotor ne rend pas automatiquement l'ensemble de la chaîne de traction simple.
Ondulation du couple et comportement acoustique
Le couple de réluctance varie quand les pôles du rotor et du stator entrent et sortent de leur alignement. Si les couples de phase ne se combinent pas progressivement, l'arbre subit des pulsations. Les variations des forces magnétiques radiales peuvent également exciter les résonances du stator, du carter et des fixations, et créer un bruit tonal même lorsque le couple moyen à l'arbre reste constant.
Les ingénieurs traitent ces effets conjointement :
- la forme des pôles du rotor et du stator modifie les formes d'onde du couple et des forces radiales ;
- l'inclinaison, la segmentation et le choix de l'arc polaire répartissent les harmoniques de force ;
- le profilage du courant et le chevauchement de conduction des phases lissent le couple total ;
- la stratégie de commutation déplace ou atténue les composantes spectrales gênantes ;
- la rigidité et l'isolation du carter empêchent les forces électromagnétiques de devenir du bruit dans l'habitacle.
Atténuer un symptôme peut en aggraver un autre. Un chevauchement accru des phases peut lisser le couple mais augmenter les pertes cuivre, tandis qu'une géométrie réduisant les vibrations peut affecter la densité de couple ou le dimensionnement de l'onduleur. Le meilleur résultat vient d'une optimisation conjointe de l'électromagnétisme, du convertisseur, de la commande, de la structure et du refroidissement.
Place des machines à réluctance dans les véhicules électriques
Les machines à réluctance sont intéressantes lorsque l'approvisionnement en aimants, la température du rotor, la résistance à haute vitesse ou la tolérance aux pannes revêt une importance particulière. Les conceptions sans aimants évitent aussi le couple de traînée des aimants permanents et la tension à circuit ouvert, même si les pertes des roulements, joints, engrenages et de l'huile subsistent dans une unité de propulsion complète.
Elles ne sont pas systématiquement plus durables ni moins coûteuses. Davantage d'acier électrique, de cuivre, de capacité de semi-conducteurs, de traitement acoustique ou de complexité de fabrication peuvent annuler l'économie réalisée sur les aimants. Une comparaison équitable doit retenir la même enveloppe couple-vitesse, le même refroidissement, la même tension CC, les mêmes limites d'onduleur, le même cycle d'utilisation et le même volume de production.
Pour l'acheteur d'un véhicule électrique, l'appellation du moteur est peu prédictive à elle seule. Les éléments utiles sont la cartographie de rendement de l'unité de propulsion, sa puissance soutenue, son comportement sonore, sa masse et la consommation d'énergie du véhicule.
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