Tesla > Quelle technologie moteur utilise Tesla ? 28/01/2021

Comment fonctionne le moteur électrique à réluctance de Tesla ?


Connues pour être sobres, les "mécaniques" de Tesla emploient depuis 2018 un nouveau type de moteur électrique qui favorise les économies d'énergie. Car si jusqu'à présent la marque employait des moteurs asynchrones à rotor bobiné induit (induction produite par le stator et non des balais comme on peut le voit sur une Zoe à moteur synchrone), elle exploite désormais la technologie à réluctance variable déjà employée sur les machines de précision dans l'industrie. Rappelons enfin que bon nombre de modèles de la marque exploitent ces deux techniques, à savoir un moteur asynchrone (jusqu'à 94% de rendement) induit et un moteur synchrone à réluctance (jusqu'à 96% de rendement) : chaque essieu profitant alors d'un moteur différent (pour les Dual Motor).


Le rendement peut atteindre ici 95 à 96% contre 94% pour les autres technologies. Mais ce n'est pas tant ce gain qui importe, mais plutôt qu'il est présent à haute vitesse ...

Deux moteurs en un ?

Précisons en premier lieu que le moteur décrit ici ne se limite pas à la réluctance variable uniquement, il incorpore aussi des aimants permanents !
De ce fait, on a ici un moteur électrique qui a en son sein ("en son rotor" plutôt) deux manières de jouer avec la force magnétique : la réluctance et des aimants permanents.

L'avantage ici est de pouvoir passer de l'un à l'autre selon le contexte de roulage, et donc d'exploiter les avantages de ces deux manières de faire tourner le rotor. Pour les petites vitesses le calculateur va privilégier les aimants permanents et à haute vitesse (et donc régime élevé, puisque sur les électriques régime = vitesse) la réluctance variable.


Comment marche le moteur à réluctance de Tesla ?

Il faut donc rappeler comment marchent chacune de ces technologies, et vous pouvez approfondir en cliquant sur les liens du dessous :

Comme dit précédemment le moteur à réluctance variable de Tesla n'est pas seulement à réluctance ... Le rotor ajoute en plus des aimants permanents.




Le rotor dans la réalité

Et pour comprendre de manière simple, c'est comme si le rotor avait deux types de "poignées", poignées qui sont donc "saisies" par le champ magnétique tournant dans le stator (principe de base d'un moteur électrique). La première poignée s'incarne par un rotor ferreux qui a des trous afin d'exploiter la réluctance variable (un champ magnétique "préfère" traverser un métal que de l'air, on va donc exploiter cette loi physique), et la deuxième poignée est composée d'aimants permanents qui sont incrustés dans le fameux rotor ferreux.

BASSES VITESSES


On (le champ tournant émis par le stator) a ici une "double accroche" sur le stator : par le biais de la réluctance et des aimants permanents


Voici une version qui simplifie un peu la vision des choses, je me limite à afficher les polarités sachant que les signes égaux se repoussent et les contraires s'attirent (- et - ou + et + = se repoussent | + et - = s'attirent). Ici on est donc dans un mode qui exploite les aimants permanents et la réluctance (consultez l'article dédié pour bien comprendre la réluctance)

Selon que je veuille exploiter l'un ou l'autre, je vais synchroniser mon champ magnétique tournant (provenant du stator) avec l'un ou l'autre, et c'est donc l'électronique de puissance / gestion qui va gérer tout ça.
En réalité, dans le cas du moteur Tesla, je peux soit me synchroniser / "connecter avec les deux soit avec la réluctance seulement. La disposition particulière des choses permet cela, et selon l'angle du champ magnétique émis par le stator par rapport au positionnement du rotor, je vais soit exploiter les deux procédés soit uniquement la réluctance. A 45 degrés de différence entre l'axe du rotor et l'axe (immatériel) du champ tournant dans le stator, cela va générer force à la fois sur la réluctance et sur l'aimant permanent. Pour n'employer que la réluctance, il faut alors aligner le champ tournant du rotor avec le champ des aimants (plusieurs champs magnétiques proches se combinent pour n'en former qu'un), cela aura comme conséquence de réduire quasiment à néant le champs magnétique émis par le stator au niveau des aimants permanents.

HAUTE VITESSE

Ici on aligne les polarités des champs des aimants permanents et celles du champ tournant. Cela permet "d'écraser" et de limiter le champ émis par les aimants, cela afin de contrer tout force électromotrice de retour parasite (back EMF en anglais) qui représente le principal défaut des moteurs à aimant permanent (c'est pour ça que beaucoup d'autos électriques sont limités à 150 km/h).



L'alignement des champs (en décalant l'angle du champ tournant par rapport au rotor) permet ici de faire taire les aimants permanents qui nous gênent à vitesse élevée

L'avantage de ce procédé est de pouvoir exploiter les aimants permanents et la réluctance (combinés) à bas régime et la réluctance seule (ou presque) à haut régime. En effet, les rotors à aimants permanents permettent une belle sobriété à basse vitesse, car à haut régime les aimants génèrent trop de force magnétique dans le bobinage du stator ... Quand un moteur à aimant permanent arrive à haut régime, il induit à son tour du courant dans le bobinage, c'est le principe d'une dynamo / alternateur. Le souci est qu'on ne veut surtout pas qu'un courant parasite s'ajoute dans le stator dont un courant est déjà présent pour bouger le rotor, il ne faut idéalement dans ce rotor que le courant qui provient de la batterie de traction.
Tesla passe donc en mode réluctance à plus haut régime pour ne pas que ce phénomène se produise, ou plutôt l'angle du champ magnétique dans le rotor en mode réluctance n'induit plus de courant induit (force électromotrice) contraire en retour dans le rotor, cela grâce à une disposition astucieuse entre les aimants et le rotors.






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