Electrique > Fonctionnement du moteur à réluctance variable 27/01/2020

Moteur à réluctance variable / commutée MRVCE

C'est la technologie la plus récente concernant les moteurs électriques de traction. Apparu de manière plus répandue à partir des années 2010 pour les machines de précision (moteur à réluctance commutée ou on l'appelle aussi moteur pas à pas) en raison des pas précis qu'il peut générer, Tesla (et pas seulement) a finalement l'idée de l'utiliser pour la propulsion de ses autos.
Voyons donc quel est le principe de ce type de moteur en essayant de rester simple et pédagogue.

A lire aussi : le principe fondamental d'un moteur électrique (champ électrique, magnétique etc.).


Tesla est l'un des premiers à utiliser ce type de moteur. Tout d'abord parce que la marque aime les moteurs pas chers (comme les moteurs à induction qu'elle exploite aussi) mais aussi qu'elle arrive à l'exploiter avec une très bonne efficience contrairement à la concurrence (il faut une électronique de puissance qui commute les bobines d'une certaine manière : pour cela il faut pas mal de recherche et développement). Les Model 3 ont ce moteur à l'arrière (induction à l'avant) et les Model S et X accueillent enfin ce moteur mais à l'avant.


Pourquoi réluctance variable ?

On parle ici de réluctance variable car on se concentre avant tout ici sur le champ magnétique qui se produit dans ce type de moteur.
Le terme réluctance concerne ce fameux champ magnétique, et en l'occurrence ici un circuit magnétique. Hopkinson a en effet découvert qu'il y avait un lien intrinsèque entre circuit électrique et circuit magnétique (car oui, on peut générer des circuits magnétiques, et ils se comportent comme des circuits électriques).
La réluctance est le terme pour définir la résistance dans un champ magnétique. Sur un circuit électrique c'est donc le mot résistance et sur une circuit magnétique c'est réluctance (on parlera aussi de perméance côté magnétique pour parler de la permittivité électrique).
Ici on parle de réluctance car la résistance au niveau du circuit magnétique (formé lors de l'excitation d'une phase) dépend de l'importance de l'entrefer (distance entre une dent du stator et une dent du rotor) car la force magnétique traverse plus difficilement l'air que le métal. Plus il y aura un espace (entrefer) important entre le stator et le rotor, plus la réluctance sera importante. Bref, vous allez mieux saisir de quoi il s'agit lors de la description du fonctionnement.


Qu'est-ce qui compose un moteur à réluctance variable ?


Comme toujours on a un stator et un rotor ...
Le stator est ici incarné par plusieurs phases / bobines (nombre paire obligatoire) comme on peut le voir sur un moteur à aimant permanent synchrone. Cependant chaque phase est doublée, ce qui veut dire qu'une phase correspond à deux bobinages l'un en face de l'autre : ils seront commutés en même temps.
Au centre, le rotor (barreau de ferrite) n'est ni un matériaux aimanté / magnétique ni un matériaux sur lequel on pourra induire du courant ... Alors comment peut-il marcher puisque le rotor ne semble pas pouvoir être sensible aux bobines du stator ? Essayons de décrypter tout cela ...


Fonctionnement du moteur électrique à réluctance variable

Si les moteurs électriques traditionnels utilisent la force magnétique pour provoquer une interaction directe entre les rotor et stator (j'émets un champ par le stator et le rotor sensible au magnétisme bouge), le moteur à réluctance va quant à lui faire la chose de manière un peu différente (malgré que ce soit toujours la force magnétique qui soit employée) ...
Cette fois-ci on va utiliser un autre phénomène physique : la réluctance variable selon l'importance de l'entrefer.
Comme la force magnétique "préfère" se propager dans de la matière ferreuse plutôt que de l'air, on va utiliser cela pour faire bouger le rotor.

Quand j'active une double phase (car pour une  phase il y a deux bobines face face) je crée un circuit magnétique qui va vouloir se propager de la bobine de la phase jusqu'à la dent du rotor. Ce circuit/champ magnétique va subir une plus grande résistance en traversant de l'air (entrefer entre rotor et stator), et ce dernier va vouloir naturellement limiter cet espace (constitué de vide) en le réduisant au maximum (comme si une corde se tendait). Le résultat est que le rotor va bouger et se positionner pour que l'espace soit le plus faible possible.
On l'appelle moteur pas à pas car la rotation du rotor se fait par différents pas bien définis : les bobines qui incarnent les différentes phases du moteur.


La réluctance est ici importante en raison de l'entrefer accrue (espace entre le bout des bobines excitées et la dent du rotor la plus proche)



La réluctance s'est ici drastiquement réduite grâce au phénomène physique (le champ magnétique préfère la matière à l'air, et ce champ provoque un genre de tension comme une corde tirée), et c'est tant mieux car cela a permis de faire légèrement tourner le rotor. Si on s'arrête ici (on laisse alimenté cette phase) le moteur est bloqué dans cette position. Et chaque position représente un pas, d'où le nom de moteur pas à pas.




On continue sur d'autres phases, la génération d'un champ magnétique induit donc la formation d'un circuit magnétique qui n'aime vraiment pas traverser l'air : l'entrefer se réduit et donc le rotor se met à tourner pour arriver dans la position où ce fameux entrefer est diminué à son maximum. Autant l'expliquer de plusieurs manières afin de multiplier vos chances de compréhension


Ainsi de suite ... Et ici l'électronique de puissance est particulièrement utile pour piloter ce genre de moteur

Avantages et inconvénients du moteur à réluctance variable

  • Ce moteur est plein d'avantages, notamment économique : pas cher à produire il est aussi compacte et léger (parfait pour l'intégration et l'économie d'énergie grâce à la réduction de la masse). Son rendement est désormais très bon grâce à l'emploi de matériaux optimaux pour le rotor mais aussi par l'emploi d'une électronique de puissance programmée aux petits oignons qui permet d'améliorer l'efficience de ce moteur. on parle aujourd'hui d'un rendement jusqu'à 95%, ce qui est pour le coup le meilleur moteur électrique qui soit. Cela est en grande partie du au fait que ce moteur ne chauffe pas beaucoup, et donc on a moins de perte thermique (un moteur thermique perd la majorité de son énergie en chaleur ...).
  • On en arrive donc aux inconvénients, ce moteur est particulièrement difficile à exploiter et les marques qui se lancent dans l'aventure ont intérêt d'avoir des ingénieurs de qualité pour arriver à leur fin. La fabrication est aussi assez compliquée puisque ce moteur nécessite un assemblage de grande précision. Les entrefers doivent en effet être les plus réduits possibles afin d'obtenir un rendement satisfaisant.





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