Moteurs synchrones à excitation électrique
Un moteur synchrone à excitation électrique (EESM) remplace les aimants permanents du rotor par un électroaimant dont le champ peut être ajusté pendant que le véhicule roule. Il est également appelé moteur synchrone à rotor bobiné (WFSM), moteur synchrone à rotor enroulé (WRSM) ou moteur synchrone à excitation par courant.
Fonctionnement
L’onduleur de traction alimente le stator avec un courant triphasé commandé, comme dans les autres moteurs de traction CA. Un circuit d’excitation séparé fournit du courant continu aux enroulements du rotor. Ce CC crée des pôles magnétiques qui s’accrochent au champ tournant du stator, de sorte que le rotor tourne de façon synchrone avec lui.
Dans une conception automobile classique, des balais fixes touchent des bagues collectrices sur l’arbre tournant afin d’acheminer le courant d’excitation. Le porte-balais est compact et enfermé dans l’unité de traction ; il ne s’agit pas du collecteur utilisé par un moteur de traction CC à balais. Les excitatrices sans balais fondées sur un transfert de puissance inductif, capacitif ou comparable à un transformateur constituent une autre voie de conception, mais elles ajoutent des composants et des exigences de commande.
Le champ rotorique est créé par une excitation en CC, et non par l’ajout d’une résistance externe à un rotor bobiné de moteur à induction. La vitesse et le couple sont commandés par le courant du stator, la fréquence électrique, l’angle du courant et le courant d’excitation du rotor.
Un champ magnétique réglable
Les aimants permanents fournissent un flux rotorique essentiellement fixe. Un EESM apporte au contrôleur un degré de liberté supplémentaire : le courant d’excitation.
À couple élevé, le contrôleur peut renforcer le champ rotorique dans les limites thermiques, magnétiques et de l’onduleur. À faible charge, il peut réduire l’excitation afin d’éviter un flux supérieur aux besoins du point de fonctionnement. À grande vitesse, il peut affaiblir directement le champ, ce qui réduit la force contre-électromotrice sans dépendre entièrement d’un courant statorique opposé.
Cette souplesse peut élargir la zone de fonctionnement efficace et simplifier l’affaiblissement de champ à grande vitesse. La meilleure combinaison de courants reste une optimisation du système : les pertes cuivre du stator, les pertes d’excitation du rotor, les pertes de l’onduleur, la tension, le couple, la vitesse et la température doivent être considérés ensemble.
Pourquoi les constructeurs le choisissent
Le rotor n’a pas besoin d’aimants permanents ; la conception peut donc éviter les terres rares couramment employées dans les PMSM à forte densité de puissance. Cela modifie l’exposition aux prix des aimants et aux chaînes de transformation, même si le moteur complet utilise toujours beaucoup de cuivre et d’acier électrique.
Un flux commandable est utile sur une large plage de vitesses. Lorsqu’un essieu ne produit pas de couple, le courant d’excitation peut être réduit ou supprimé, ce qui limite les pertes d’origine magnétique. En cas de défaut, le système de commande peut également supprimer l’excitation du rotor, bien que l’énergie magnétique stockée et la tension induite doivent toujours être gérées en toute sécurité.
L’architecture peut offrir une puissance élevée et un fonctionnement stable à grande vitesse. Son avantage n’est pas un « rendement gratuit » : l’énergie utilisée pour exciter le rotor entre dans le calcul des pertes.
Les coûts techniques
L’excitation du rotor produit des pertes cuivre I²R dans une pièce tournante. Cette chaleur doit traverser le rotor, l’arbre, l’entrefer ou un passage de liquide de refroidissement interne, et l’alimentation d’excitation consomme une puissance dont un aimant permanent n’a pas besoin.
Les balais et les bagues collectrices introduisent des surfaces d’usure, la gestion des débris, une résistance de contact et un mode de défaillance potentiel supplémentaire. Les systèmes automobiles sont conçus comme des ensembles étanches à longue durée de vie plutôt que comme des bagues collectrices industrielles entretenues régulièrement ; il est donc impossible de supposer un calendrier d’entretien générique. La durabilité dépend du matériau des balais, de la densité de courant, de la vitesse de l’arbre, de l’étanchéité, du refroidissement, des vibrations et de l’objectif de conception du constructeur.
L’excitation sans balais supprime le contact électrique glissant, mais ajoute un transformateur rotatif, un coupleur capacitif ou un autre matériel d’alimentation du champ, ainsi que le redressement et la commande. Elle déplace le compromis au lieu de le supprimer.
La densité de puissance et le coût dépendent aussi de l’ensemble d’excitation, de l’espace occupé par l’enroulement rotorique, du refroidissement et du calibre de l’onduleur. Un EESM bien conçu peut rivaliser sérieusement avec les entraînements à aimants permanents et à induction, mais aucune topologie ne gagne à tous les points de fonctionnement.
Exemples de série
L’eDrive de cinquième génération de BMW utilise des moteurs synchrones à excitation par courant dans des véhicules tels que les i4, i5, i7 et iX. BMW indique que le champ rotorique est produit électriquement, ce qui permet d’exclure les matériaux magnétiques à terres rares de ces moteurs.
Renault présente également sa technologie de rotor EESM comme une voie sans aimants et l’a développée dans plusieurs chaînes de traction électriques. Il ne faut pas supposer que les mises en œuvre des deux constructeurs sont identiques : enroulements, porte-balais, refroidissement, commande, tension et intégration restent des choix de conception propriétaires.
Pour comparer des véhicules à EESM, les données utiles comprennent la puissance de pointe et continue, la vitesse maximale, la cartographie combinée de rendement du moteur et de l’onduleur, la méthode d’excitation, le refroidissement et l’inclusion éventuelle de la puissance du champ rotorique dans le rendement annoncé.
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