Moteur synchrone à aimant permanent
Très utilisé sur les voitures électriques du commerce, ce moteur est plutôt simple à décrypter au niveau de son principe de fonctionnement.
A lire aussi : le principe fondamental d'un moteur électrique (champ électrique, magnétique etc.).
Avant de voir plus en profondeur le fonctionnement et les caractéristiques du moteur à aimant permanent voyons les avantages et inconvénients de ce dernier.
Avantages :
- Efficacité élevée : L'utilisation d'aimants permanents élimine les pertes associées aux bobinages du rotor, conduisant à une efficacité généralement supérieure à celle des moteurs à induction.
- Densité de puissance : Ils peuvent offrir une densité de puissance plus élevée, ce qui signifie que pour un volume ou un poids donné, ils peuvent produire plus de puissance.
- Contrôle précis : La nature du champ magnétique produit par les aimants permet un contrôle plus précis de la vitesse et du couple, ce qui est particulièrement bénéfique pour les applications nécessitant une grande précision.
- Simplicité de construction : L'absence de bobinages ou de collecteurs sur le rotor simplifie la construction du moteur et favorise la fiabilité.
- Faible entretien : L'absence de contacts glissants ou de balais réduit l'usure et l'entretien associés.
- Haute performance à basse vitesse : Ils peuvent maintenir un couple élevé même à basse vitesse.
Inconvénients :
- Coût élevé : Les matériaux magnétiques permanents, en particulier ceux à base de terres rares comme le néodyme, peuvent être coûteux.
- Sensibilité thermique : Les aimants permanents peuvent perdre leur magnétisme s'ils sont exposés à des températures élevées. Cela nécessite une gestion thermique efficace.
- Risques de dé-magnétisation : En plus du risque thermique, une surcharge ou une mauvaise conception du moteur peut également entraîner une dé-magnétisation.
- Approvisionnement en terres rares : Les préoccupations environnementales et géopolitiques associées à l'extraction des terres rares peuvent affecter la disponibilité et le coût des aimants.
- Risques de blessures lors de la manipulation : Les aimants permanents sont très puissants et peuvent causer des blessures si mal manipulés, notamment en pinçant des doigts ou en attirant d'autres objets métalliques à grande vitesse.
- Limitations à haute vitesse : À des vitesses élevées, le design du moteur à aimant permanent peut poser problème. En particulier, les forces centrifuges exercées sur les aimants permanents, surtout s'ils ne sont pas correctement fixés ou protégés, peuvent poser des risques.
- Effets de "cogging" ou "cogitation" : C'est un phénomène par lequel le moteur tend à "accrocher" lors de la rotation, en particulier à faible vitesse. Cela peut causer des vibrations ou une rotation saccadée. Bien que cela puisse être atténué par la conception, c'est un inconvénient potentiel des moteurs à aimant permanent.
- Perte de synchronisation à haut régime : Dans certaines conditions, notamment lorsqu'ils sont soumis à de brusques changements de charge, les moteurs à aimant permanent peuvent perdre leur synchronisation. Cela peut entraîner une perte d'efficacité, une surchauffe ou des dommages au moteur.
Pourquoi synchrone ?
Ce moteur aura une vitesse de rotation physique (rotor qui tourne) synchronisée avec la vitesse circulaire d'alimentation des phases (bobines en périphérie sur le stator).
Mes phases permettent de donner des impulsions pour faire tourner le rotor, et ces vitesses d'impulsions permettent de décider de la vitesse de rotation du moteur (qui tournera alors à la vitesse voulue).
Quand je fais faire un tour complet à toutes mes phases (en plusieurs impulsions donc), mon rotor aura lui aussi fait un tour de manière synchronisée, et donc il est synchrone ...
Pourquoi à aimant permanent ?
Son rotor est ici constitué d'un aimant permanent qui a constamment un champ magnétique polarisé : nord / sud ou + / -.
On peut toutefois mettre à la place des bobines alimentées qui feront la même chose (électro-aimants) mais dans ce cas il faut les alimenter et on parlera alors de moteur à excitation ... L'utilisation de balais / charbon n'est toutefois pas des plus pérenne car ils finissent par s'user et empêcher le bon contact (le rotor n'est plus alimenté et il n'a donc plus de champ magnétique qui permet de faire bouger les choses).
Qu'est-ce qui compose un moteur électrique synchrone à aimant permanent
Le stator est ici composé de plusieurs phases / bobines qui seront au minimum de 3 si on veut pouvoir lui faire faire des tours complets, on dit alors qu'il s'agit d'un moteur tri-phasé. Il faut en effet au minimum 3 impulsions pour couvrir les 360 degrés du tour complet.
Le rotor est un simple aimant permanent à deux pôles qui pourra être mis en mouvement si on lui applique une force magnétique : + et + se repoussent, - et - se repoussent et enfin + et - s'attirent.
Comment fonctionne-t-il ?
Le moteur électrique synchrone à aimant permanent fonctionne donc avec des impulsions. Ces impulsions sont obtenues par les bobines placées de part et d'autre du stator.
Quand je fais passer du courant dedans, ces dernières se transforment en aimant dont le sens des pôles dépend du sens du courant. Chaque phase pourra donc avoir le + ou le moins vers le bas, selon qu'on veuille pousser ou attirer le rotor (selon sa position on activera le + ou le moins).
Voici les étapes de fonctionnement du moteur synchrone à aimant permanent, ce sera peut-être plus parlant pour ceux qui ont une intelligence plus orientée vers la géométrie et les formes.
Ici tout est coupé, le courant ne passe nulle part
L'entrainemen se fait par une succession de commutations des bobines en courant alternatif (fluctuation des polarités +/-) afin de donner des pulsations au rotor qui est sensible à la force magnétique (puisque c'est un aimant permanent)
Avantages et inconvénients du moteur à aimant permanent
Rappels et approfondissement des avantages et inconvénients :
Avantages
Parmi les avantages on notera le fait qu'il n'y a pas besoin d'alimenter le rotor, et donc pas de balais ou autre charbons qui s'usent et induisent une perte de connexion / contact. Le fait que le rotor n'ait pas de courant qui le traverse réduit la chaleur par effet Joule, et donc la longévité du moteur et des roulements alentours qui peuvent se fragiliser. Il arrive aussi à garder facilement une vitesse constante même si on lui appose une charge pour le freiner.
Son rendement est plutôt bon à faible cadence / régime, grâce notamment au fait qu'il est synchrone : vitesse du rotor identique à celle du champs magnétique qu'on fait tourner de manière alternative au niveau du stator. Il atteint près de 93% de rendement, mieux que les asynchrones bloqués à 80% et 88% pour Tesla (beaucoup parlent de 93% comme avec l'aimant permanent) qui est arrivé à trouver une recette quasi magique au niveau du pilotage de l'électronique de puissance qui gère le courant dans le stator. Il n'y a pas ici de glissement induisant une perte, ce qui est le cas sur les moteurs asynchrones dont le rotor est un induit. Tout cela est toutefois à relativiser car si à faible régime le rendement du moteur synchrone est favorable, à haut régime le moteur asynchrone induit aura cependant une consommation d'énergie plus efficiente ...
C'est aussi un moteur facile à mettre au point au niveau de l'électronique, ce qui induit aussi une fiabilité très appréciable (facile à mettre au point au niveau gestion électronique et pas de frottement d'usure mis à part évidemment les roulements d'axe du rotor...).
Inconvénients
Côté inconvénients il y a le soucis du démarrage, la mise en vitesse à partir de l'immobilité n'est en effet pas possible directement et il faut un dispositif d'appoint pour le lancer (un deuxième petit moteur, un bricolage visant à mettre une cage d'écureuil sur le rotor, pour obtenir le même fonctionnement qu'un moteur asynchrone juste pour le démarrage).
Ce type de moteur est aussi assez coûteux et lourd, d'où une efficience moins bonne à haut régime en raison d'une inertie accrue par les lourds aimants et l'apparition du back EMF (retour de force électromotrice dans le stator en raison de l'aimant qui tourne et induit du courant dans ce dernier. L'effet est accentué avec le régime). Voilà une des raison pour laquelle Porsche a mis une transmission deux vitesses sur la Taycan. Les terres rares destinées au rotor à aimant permanent participent au surcoût mais il est aussi une preuve de dépendance face à la Chine qui tient ce marché fermement (les terres rares sont très répandues et particulièrement faciles à extraire sur ce territoire). Et surtout ces terres rares induisent de grosses pollutions comme vous le savez certainement déjà.
Enfin, ce type de moteur induit une vitesse maximale : je ne pourrai pas dépasser la vitesse du champs électromagnétique tournant qui se passe dans les trois phases (piloté par l'électronique). Ce qui veut dire que si je suis en descente à fond, j'aurai un frein moteur sur cette vitesse maximale (même si on me pousse j'aurai au final un couple de freinage ...). Sur une voiture normale, je peux dépasser cette vitesse en pente (jusqu'à la limite induite par la transmission et le régime maximal du moteur évidemment). Le retour de force électromotrice est encore une fois en cause.
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