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 qui est un type de moteur pas à pas) en raison des pas précis qu'il peut générer, Tesla (entres autres) a finalement eu 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 le plus simple et pédagogique possible.
A lire aussi :
- Le principe fondamental d'un moteur électrique (champ électrique, magnétique etc.)
- Fonctionnement du moteur Tesla qui cumule réluctance et aimants permanents
Tesla est l'un des premiers à utiliser ce type de moteur avec Toyota. Tout d'abord parce que la marque aime les moteurs pas chers (comme les moteurs à induction qu'elle exploite encore) mais aussi et surtout que ça permet une bien meilleure efficience à haut régime (et donc haute vitesse), cela parce qu'il n'y a pas de force de retour dans le stator comme l'induit un moteur à aimants permanents (à haute vitesse, l'aimant du rotor induit à son tour un courant parasite dans le stator ... A la clé surchauffe et force contraire qui freine le tout. C'est pour ça que même en descente avec le vent derrière vous ne pourrez jamais dépasser la vitesse maxi avec un moteur à aimants permanents. En anglais cela se nomme back EMF, soit force électromotrice arrière en français). 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 ("circuit") magnétique, et elle a tendance à changer selon le matériaux qu'elle traverse : gaz ou fer par exemple. Sur un circuit électrique c'est donc le terme "résistance" qui est employé et sur une circuit magnétique c'est "réluctance" (on parlera aussi de perméance côté magnétique et permittivité côté 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.
Voici un moteur pas à pas dont la conception concerne plutôt les machines pas à pas de précision
Dans une voiture il ressemble plutôt à ça, à savoir un rotor nettement plus aérodynamique ! Il va en effet tourner à des régimes très élevés, il ne faut donc pas de forme en hélice. Ici on distingue les 3 pôles au niveau du stator. Le blanc représente du vide dans le rotor (il est ici ferreux), ce qui va permettre de jouer sur la variabilité de la réluctance (le champ magnétique traverse bien le fer, beaucoup moins l'air).
Qu'est-ce qui compose un moteur à réluctance variable ?
Comme toujours on a un stator et un rotor ... La disposition des choses a tendance à changer selon l'utilité du moteur comme on l'a vu un peu plus haut. Commençons donc par le moteur d'une voiture puisque Fiches-auto s'oriente plutôt vers ce domaine. Mais pour mieux comprendre il est aussi intéressant de voir d'autres conceptions, telles les machines de précision (à voir plus bas).
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Nous avons autour un stator composé de bobines en triphasé, à savoir trois faisceaux de cuivre qui sont parcourus par du courant alternatif de manière décalée. Le parcours du courant alternatif dans ce bobinage induit un champ magnétique tournant.
Nous avons à l'intérieur un rotor en fer qui a en son sein des découpes de vide incarnées par les formes blanches. Il est totalement passif et n'est pas aimanté.
La perméance va changer selon la position du champ magnétique par rapport à la position du rotor, selon que les boucles magnétiques ont plus ou moins d'espace vides sur leur chemin. Quand le boucle ne croise pas (ou presque pas) le vide alors la réluctance est faible, à savoir que le champ magnétique se "déploie" sa boucle de manière aisée et non gênée (chemin le plus court). Quand je décale mon champ magnétique (il est tournant dans notre cas) la perméance change, et ce changement induit une force mécanique qu'on va exploiter pour lier le rotor (ou plutôt le champ tournant) au stator.
RELUCTANCE ELEVEE
Ici la réluctance du champ magnétique provenant du stator est élevée, à savoir que les boucles magnétiques ont plus de mal à boucler sur elles-même : elles "préfèrent" prendre un plus long chemin en traversant du fer plutôt que d'emprunter le chemin le plus court en passant par l'air. C'est cette propriété qui va nous permettre de lier le rotor et le stator, et donc de faire bouger le stator grâce à l'électricité injectée dans le stator qui va générer un champs magnétique tournant (grâce au courant alternatif
RELUCTANCE FAIBLE
Ici le positionnement des boucles de champ tournant se cale parfaitement pour que les lignes de force n'aient pas à traverser le vide des interstices. Le rotor est ici, en quelque sorte, "accroché" au champ magnétique tournant du stator. Le rotor se met à tourner au même rythme que le champ tournant et nos roues bougent ! Bien évidemment, si le champs tournant cherche à accélérer trop vite il va se décrocher du stator ... L'électronique de puissance gère tout cela, en gardant une bonne prise sur le stator pour ne pas le "perdre".
Fonctionnement du moteur à réluctance variable (automobile)
Le fonctionnement du moteur à réluctance consiste à jouer sur la plus grande facilité du champ magnétique à traverser le fer que l'air. Les trous dans le rotor vont donc permettre de créer une sorte de poignée pour le champ tournant généré dans le stator.
En gros, les boucles magnétiques tournantes vont se caler à l'intérieur du rotor pour que la réluctance soit la plus faible possible. Il faut en effet forcer pour "décrocher" le champ magnétique du stator quand les boucles magnétiques traversent de manière optimale le rotor ferreux.
Fonctionnement du moteur électrique à réluctance variable (machine industrielle)
Dans le cas d'un moteur pas à pas d'une machine 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. Le but est qu'il y ait une ligne de champ magnétique qui vienne lier les deux pôles.
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 ...
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 (dans le cas d'une machine industrielle).
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)
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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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