TIMBRE VERT – Chaque semaine, Automobile Propre répond à vos questions. Cette fois, un de nos lecteurs s’est interrogé sur la différence entre deux types de moteurs électriques, aimant permanent et rotor bobiné.
La question de notre lecteur
Elle a été posée suite à notre comparatif entre la MG 4 et la Renault Megane électrique, qui ont chacune un type de moteur électrique : aimant permanent pour la chinoise, rotor bobiné pour la française. La question de Frédéric est simple : « pouvez-vous expliquer quelle est la différence entre ces deux types de moteurs électriques ? ». Et on ajoute cette interrogation : y’en a-t-il un meilleur ?
La réponse d’Automobile-Propre
Chez les voitures électriques, on distingue deux grands types de moteurs (ou plutôt de machines électriques pour reprendre le véritable terme technique) : les machines synchrones et les asynchrones. Leur nom vient de la façon dont le rotor tourne en fonction du champ magnétique du stator. Dans la famille des machines synchrones, on distingue encore deux types bien différents : aimants permanents et rotor bobiné. Deux blocs qui nous intéressent aujourd’hui.
Les machines synchrones à aimants permanents (des aimants tels que nous les connaissons) sont de loin les plus répandues grâce à leur principe de fonctionnement et leur rendement énergétique, bien meilleur qu’avec une solution asynchrone par exemple, plus abordable mais moins efficiente lorsqu’elle tourne. Ici, le courant qui circule dans le stator produit un champ magnétique, qui vient alors induire un champ sur les aimants présents dans le rotor. Ce phénomène met alors en mouvement le rotor, qui tourne au même régime que le courant magnétique.
Le moteur à rotor bobiné reprend exactement le même principe. A la différence près que le rotor est ici composé de bobines de cuivre qui, alimentées en courant, deviennent alors des électro-aimants. Le rotor bobiné a ainsi le même rôle qu’un rotor à aimants permanents, ce dernier tournant toujours au même régime que le champ du stator dans les deux cas.
En matière de fonctionnement donc, il n’y a pas de différence. Cependant, le rotor bobiné présente autant d’avantages que d’inconvénients, selon d’où l’on se place pour l’étudier. Il y a des avantages visibles, d’autres moins.
Machine synchrone à aimants permanents de Volkswagen ID.3
En premier lieu, indiquons que l’alimentation du rotor est plus énergivore à basse vitesse, mais que le courant peut être réduit sur autoroute pour limiter la consommation. Si le bobinage requiert une solide ingénierie, la solution serait plus abordable dans son ensemble. Et ce notamment grâce à l’absence d’aimants, aux matériaux de plus en plus chers. C’est là le véritable avantage de ce type de machines : en se passant d’aimants traditionnels, elles se passent de terres rares nécessaires à leur fabrication. Il s’agit ici d’un groupe de métaux qui n’ont de rares que le nom (on en trouverait autant que le cuivre utilisé pour les bobines par exemple), mais leur extraction et leur traitement sont connus pour être des activités extrêmement polluantes !
Aussi, notons que le bobinage du rotor peut être utilisé pour tirer un maximum de puissance de recharge en courant alternatif (sur bornes publiques ou à la maison), quand d’autres véhicules doivent avoir recours à un chargeur plus puissant. C’est pour cela que les premières Renault Zoé pouvaient accepter jusqu’à 43 kW avec leurs moteurs Continental. Mais ce n’est plus le cas, et Renault fait même payer au prix fort cet atout avec la Megane !
Mais tout n’est pas si beau avec un moteur à rotor bobiné. D’une part, la densité énergétique est plus faible, et cela nécessite une mise au point complexe pour proposer des caractéristiques similaires à celles d’une machine à aimants permanents. A ne pas confondre avec le rendement qui est similaire entre les deux technologies, bien que le rotor alimenté consomme de l’énergie. Et l’alimentation des bobines ne peut se faire que d’une seule manière : avec des balais. Ce sont les pièces qui permettent d’envoyer le courant au rotor. Comme pour toutes les pièces fixes en contact avec des pièces en mouvement, il y a de l’usure. La machine à rotor bobiné devra donc passer par la case entretien avant la machine à aimants. Mais elle pourrait aussi connaître des soucis de fiabilité en raison des poussières et débris produits par les balais. Bref, la longévité est mécaniquement plus compromise.
Machine électrique synchrone à rotor bobiné de Renault Megane e-Tech
Il n’est pas évident d’évoquer les avantages ou inconvénients directs de telle ou telle solution mécanique. Notamment en matière de rendement et d’efficience, la partie visible de l’iceberg, autrement dit la consommation, qui est aussi sensible à d’autres facteurs (aérodynamique, poids, efficacités des périphériques, …). Il en va de même lorsqu’il s’agit de lister les économies financières qui peuvent être réalisées, puisque de nombreux autres paramètres, à la discrétion ou non du fabricant, peuvent rapidement faire voler en éclat le prix final.
En tout état de cause, les avantages énergétiques peuvent être nombreux avec un moteur à rotor bobiné (moins de consommation à haute vitesse, plus de régénération, …). Reste qu’aux yeux du client final, les bénéfices sont aux abonnées absents. Il faut ajouter 2 000 € sur la table pour obtenir la charge AC 22 kW avec la Megane (11 kW en série avec les MG 4 64 kWh), alors qu’il existe des pièces d’usure qui peuvent sacrifier la fiabilité.
Il n’a donc pour lui que le respect de l’environnement et une certaine indépendance face aux métaux stratégiques, l’autre nom donné aux terres rares. Evidement, chaque économie est bonne à prendre. Mais on ne peut pas affirmer que l’économie réalisée (un aimant serait composé à 23 % de terres rares, principalement du néodyme et du samarium) soit suffisante pour justifier l’insistance des constructeurs sur leurs communiqués. Surtout pas pour une technologie qui utilise du cuivre (même recyclable à l’infini), sans doute aussi rare que les terres rares. Bref, c’est comme vouloir faire un régime alimentaire en remplaçant le Coca par du Coca Zero…
À lire aussi Timbre vert – MG va t-il lancer une citadine électrique encore moins chère que la MG4 ?Avec cette nouvelle rubrique Timbre Vert, les journalistes d’Automobile-propre sont là pour répondre à vos questions sur l’électromobilité. Choix d’un véhicule, besoin d’un renseignement technique… Envoyez-nous vos interrogations en commentaire ci-dessous ou par mail à cette adresse :
vosquestions[at]automobile-propre.com
« Ici, le courant qui circule dans le stator produit un champ magnétique, qui vient alors induire un champ sur les aimants présents dans le rotor. Ce phénomène met alors en mouvement le rotor, qui tourne au même régime que le courant magnétique. »
Explication n’ayant aucun sens physique et mélangeant les moteurs asynchrones (qui n’ont pas d’aimants) et les moteurs synchrones à aimants permanents. Le stator n’induit aucun champ sur les aimants. La vérité est ailleurs : Un aimant ou un électro-aimant ne produit pas qu’un champ magnétique, il a aussi un moment magnétique, objet physique très différent, lié à la matière même de l’aimant et ne se propageant pas à l’extérieur. Il le crée tout seul sans qu’un agent extérieur y induise quoi que ce soit. Le champ magnétique du stator agit sur le moment magnétique de l’aimant du rotor pour produire un couple. Vous trouverez la formule très simple dans n’importe quel cours de physique: le moment du couple mécanique produit est égal au produit vectoriel du moment magnétique par le champ magnétique.
Article intéressant…… Mais pas évident à décrypter pour un néophyte.
En conclusion, pour le quidam, les petites différences techniques ne se verront pas au volant !!! A la différence entre un moteur diesel et un moteur essence !!! L’agrément perçu sera le même et les différences de performance, si tenté qu’il y en ait, seront aussi similaires…
Bref, c’est plus un choix du constructeur….
La seule question qui pourrait avoir un impact concret pour un utilisateur, c’est la fiabilité dans le temps !! Et donc un rapport coût/longévité plus intéressant pour l’une ou l’autre de ces technologies ??
D’ailleurs, pour AP, il serait peut être intéressant de voir un article concernant les soucis de fiabilité qu’ont pu rencontrer les différentes marques de VE. Et pourquoi ces problèmes ? Et combien ça coûte ?
Il se dit qu’un VE est beaucoup plus fiable qu’un VT, mais concrètement, qu’en est il ??
Les principaux avantages du moteur synchrone à rotor bobine par rapport à une machine à aimants permanents :
1) on peut controler le courant donc le flux d’excitation. 3 principaux avantages :
1.1) le defluxage à haute vitesse s’effectue de manière très simple, zn diminuant le courant d’excitation. Le cos phi au stator peut rester quasi unitaire et donc le rendement optimal. Sur une machine à aimants, le defluxage s’effectue par le stator, en augmentant la composante directe du courant de manière à ‘combattre’ le flux des aimants : cela signifie diminuer le cos phi, augmenter le courant reactif donc augmenter les pertes dans la machine et l’onduleur. Le rendement à haute vitesse de la machine à aimants sera moins bon.
1.2) la sécurité : en coupant le circuit d’excitation, on garanti totalement l’absence de couple (AZT)
1.3) la gestion des court-circuits statoriques : là encore, en coupant le circuit d’excitation, on rend le moteur électromagnétiquement inerte instantanément. Sur une machine à aimants, le couple de CC est beaucoup plus violent (il peut endommager la transmission) et tant que le rotor tourne (donc que le vehicule n’est pas à l’arrêt total), on entretient le courant de court-circuit.
2) le rotor n’utilise pas de ‘terres rares’ (Samarium et Cobalt essentiellement), qui ne sont pss si rares mais sont par contre très cheres. Donc en théorie le moteur à rotor bobine est moins cher à fabriquer.
Les principaux inconvénients :
1) l’ensemble balais – bagues lisses de l’excitation s’use. Mais leur remplacement n’est ni complexe ni couteux (et sur la Zoé, il est donné pour la durée de vie du moteur : de fait, si nombre de Zoé ont dû subir un changement du convertisseur de recharge, de la barre stabilisatrice ou d’un roulement moteur, les changements de balais sont rarissimes).
2) à puissance équivalente, le moteur à rotor bobine est sensiblement plus lourd que son cousin à aimants permanents.
3) hors defluxage, le rendement est tres légèrement moins élevé (on parle de moins d’un point de rendement environ, et comme on l’a vu plus haut il se rattrape en defluxage à haute vitesse).
Si Tesla met des moteurs asynchrones dans les roues avant, c’est qu’il a trouvé un avantage pour la consommation. Je ne pense pas qu’on peut conclure que le Asynchrone est moins efficient. Je pense qu’il y a une plage d’utilisation où il est plus efficient. D’ailleurs les Tesla Dual Motor consomme moins que les propulsions alors qu’elles sont plus lourdes. Il y a une raison.
de tout cela j’ai compris que le moteur à aimant permanent est plus fiable et plus efficace à long terme je pense même à mon petit niveau que ce moteur est increvable …
Excellent question ! et bel article ;)
La réponse n’est pas facile à donner et d’affranchir de trop de technique est difficile mais atteint !
Pour ceux qui veulent plonger dans al technique on peut citer ce lien pour les moteur bobinés de la ZOE : https://construire-sa-moto-electrique.org/moteur/renault-zoe#avantages
Les aimants ça se recycle aussi je suppose.
Gros sujet, bien détaillé mais parfois ça devient confus (ex. on sait plus quel type de moteur est décrit).
Pas sûr que « densité énergétique » soit adapté à un moteur.
A noter que suivant la puissance on peut se passer du néodyme. Un noyau ferromagnétique peut suffire.
Je trouve cet article intéressant mais j’ai du mal à comprendre comment la charge de la batterie via les bornes publiques passerait par la machine synchrone à rotor bobiné. J’ai aussi du mal à comprendre que ce procédé augmenterait la puissance de recharge sur bornes publiques. Cela signifierait que la machine synchrone qui fonctionnerait alors en génératrice fournirait plus de puissance que celle prélevée sur le réseau des bornes ? 🤔
Ne faites vous pas une confusion entre recharge sur borne publique et régénération (récupération de l’énergie cinétique) où l’action sur l’aimant influerait considérablement l’énergie récupérée ?
Merci pour vos réponses éclairées et pour cet article intéressant?
Les métaux stratégiques (lithium, cobalt, etc.) sont des éléments dont font partie les terres rares mais ce n’est pas la même chose.
pour moi le cuivre n’est pas une terre rare et le fait de la grande facilité de recyclage est un avantage écologique. Une conclusion qui pour moi tombe à coté et qui tente de discréditer une solution d’avenir. à suivre
Tous les matériaux et les terres « rares » sont rares et de plus en plus et tout ces matériaux et surtout terres rares ne sont pas toujours très facile à recycler.
La gestion des batteries et notamment la charge par le freinage mais aussi et bien sur pour revenir à une autonomie optimale est encore plus cruciale pour une batterie et surtout pour garder le plus longtemps possible ses caractéristiques initiales et ce, en tenant compte de l’utilisation de la VE. Sur ces points, les constructeurs ont encore beaucoup de marge si ils le veulent et comme nous sommes encore et malheureusement dans une société de consommation, pas certain du tout qu’ils investissent lourdement dans ces domaines qui pour l’instant, sont remplacer par des propositions de rachats pour mieux vendre une VE neuve, mais demain, avec les coûts des matières premières la tendances va changer et celui qui aura les meilleurs ingénieurs dans ces domaines sera le gagnant….
Effectivement, la question reste pertinente aux vues des performances entre les deux technologies. Si le moteur à aimant surpasse celui à rotor bobiné aux faible vitesse et couple (< 60km/h), ce dernier reprend l’avantage dans les hautes vitesses, grâce à son dé-fluxage via le courant rotorique. Même le moteur IPM Tesla à forte réluctance n’égale pas celui à rotor bobiné sur ces faibles couples au-delà des 5000 rpm (comparés aux max possible). Le moteur à aimants surpasse son homologue qu’au couple proche du max.
merci pour cet article technique éclairant
En revanche, je ne comprends pas bien votre conclusion comparative, car passer au Coca zéro diminue beaucoup les calories ingérées, il s’agit donc bien d’un régime efficace sur le plan diététique au sens de la charge calorique, même si des effets paradoxaux de prise de poids sont observées chez les consommateurs de substituts au saccharose ( et en disant cela, je ne conteste pas le fait de poursuivre la consommation d’un poison, un poison sans sucre, mais un poison tout de même)
Je n’ai pas retrouvé de chiffres, mais il est fort probable que les moteurs asynchrones à cage d’écureuil des roues avant des Tesla Dual Motor aient un rendement (bien) supérieur aux moteurs synchrone des Zoé. Et probablement aussi de la MG4.
Et le moteur à reluctance variable des roues arrières est au delà de ce que sait faire n’importe quel autre constructeur. Sans parler de l’électronique de puissance, qui participe à l’excellent rendement des Tesla (SiC au lieu de Si).
C’est plus facile de financer de la R&D quand on ne reverse pas de dividendes, qu’on n’a pas besoin de dépenser 15% du prix de la voiture en marketing pour la vendre, ni à donner 10% aux concessionaires.
Un incovénient de taille dans le rotor bobiné est le rendement déplorable lors de la recharge en AC 7 kW lorsque le moteur est utilisé comme transfo de recharge. Rédhibitoire pour moi.