Les moteurs électriques

---

Description détaillée

L'alimentation électrique à systématiquement trois câbles (de couleur orange si elles sont alimentées en plus de 60 V).

Quelque soit le type de machine, on retrouve trois phases U, V, W, afin de pouvoir générer un champ magnétique tournant dans le stator.

En effet le stator est commun. La différence de taille du stator n'est pas un indicateur, cela dépends de la puissance de la machine.

On peut identifier une machine électrique en regardant la conception du rotor.

Avant d'aller voir le détail des rotors des différentes machines, arrêtons-nous sur le stator, pour observer les évolutions qui lui ont été apportées.

Le stator

 

Bobinage classique d'un stator :

 

Evolution du bobinage des stators

Une des solutions pour augmenter le couple d'une machine électrique c'est d'augmenter sa taille ou d'ajouter des fils de cuivre. Comme on peut le voir sur la photo précédente, il n'y a plus tellement de place pour en ajouter.

La solution apportée pour conserver la même taille de machine, est de passer de fil rond à des fils plats (carrés), pour en augmenter le remplissage. 

On peut faire l'analogie avec un moteur thermique. Pour augmenter le couple d'un moteur thermique, on peut augmenter sa cylindrée, mais on peut aussi mieux remplir les cylindres pour éviter d'augmenter sa cylindrée. C'est un peu ce qui s'est passé pour les stators.

En augmentant la quantité de cuivre dans le stator, on augmente la puissance du champ magnétique, donc le couple, sans augmenter la taille de la machine.

Cette évolution est appelée bobinage en épingle à cheveux.

Bobinage du stator en épingle à cheveux :

 

Le bobinage en épingle à cheveux permet de densifier le stator pour augmenter l'efficacité de la machine.

De plus, ce type de bobinage supporte mieux les sollicitations thermiques.

---

Les machines synchrones

La machine synchrone à aimants permanents (MSAP)

C'est la machine électrique la plus répandue sur la marché aujourd'hui, elle est présente chez beaucoup de constructeur de véhicule électrique, et particulièrement dans toute la famille des véhicules hybrides. Elle présente un rapport performance/taille très intéressant, pour une compacité permettant de glisser cette machine un peu partout. La machine à aimants permanents à une densité énergétique très élevée.

Ces machines sont dîtes synchrones, car le régime de rotation du champ magnétique tournant dans le stator est synchronisé sur le régime de rotation du rotor.

 

La machine électrique synchrone à aimants permanents domine le marché. Elle a représenté 70% de la production des machines pour VE en 2020. Presque tous les constructeurs utilisent ou ont utilisé des machines à aimants permanents, à l'exception de Renault et BMW sur ses nouveaux modèles, ont fait le choix de la machine synchrone à rotor bobiné.

Autres exemples 

Machine électrique synchrone à aimants permanents, montée sur des véhicules hybrides.

Ce type de machine sur véhicule hybride est souvent placé dans les positions, P2 ou P3. Elles peuvent être découplées du moteur thermique par un embrayage, pour un roulage en mode 100 % électrique.

La machine synchrone à aimants permanent va nous servir de comparaison avec les autres machines.

Avantages :

• très bon rapport couple/volume (densité, présente un faible encombrement)
• Rendement élevé à bas et moyen régimes (pas d'alimentation du rotor)
• Couple à bas régime

inconvénients :

• Coût
• Rendement à haut régime
• Aimants permanent, défluxage difficile

Ce type de machine électrique présente des performances intéressantes, néanmoins l'utilisation de certains matériaux pour la conception du rotor font débats, et oblige les constructeurs à trouver d'autres solutions. Cependant cela reste, à ce jour la machine électrique la plus répandue.

La machine synchrone à rotor bobiné (MSRB)

 

 

La spécificité de cette machine, c'est de se passer d'aimants permanents pour la conception de son rotor. Les pôles magnétiques nord et sud du rotor sont réalisés par un bobinage et une alimentation électrique.

Avantages : 

• Pas d'aimant coût inférieur
• Meilleur rendement à haut régime
• Défluxage rotor facilité

Inconvénients : 

• Encombrement des balais
• Rendement à bas et moyen régimes (alimentation du rotor)
• Risque d'usure des balais

Utilisation :

• Renault
• BMW

Exemple machine électrique Megane E-tech :

 

Evolution des machines synchrones

Les machines synchro-reluctantes (MSR)

 

Flèches vertes : Flux magnétique généré par le couple de réluctance du rotor.

Flèches rouges : Flux magnétique généré par les aimants.

Les forces s'additionnent, ces machines présentent un couple supérieur aux machines traditionnelles à aimants permanents, tout en utilisant à la fois moins d'aimants. 

Avantages :

• Meilleure tenue mécanique et thermique des aimants
• Utilise moins d'aimants (moins de ressources)
• amélioration du rendement à haut régime

Inconvénients : 

• Le contrôle de ces machines peut-être plus complexe, nécessite des algorithmes avancés pour optimiser les performances
• Machine complexe à fabriquer

---

Les machines asynchrones

 

Cette machine s'identifie aussi par son rotor, qui est composé uniquement de barres d'aluminium en court-circuit. Aussi appelé rotor à cage d'écureuils.

Le rotor ne nécessite aucune alimentation électrique. Pourtant au démarrage un courant électrique va se mettre à circuler au sein de ses barres, générant ainsi des pôles magnétiques au niveau du rotor. 

Ces machines sont aussi appelées machines à induction. 

En effet, pour qu'elle fonctionne. La circulation d'un courant électrique dans les barres du rotor doit être induite par le champ magnétique tournant du stator.

Cette machine est appelé asynchrone, car le régime de rotation du rotor n'est pas synchronisé sur le régime de rotation du champ tournant dans le stator. le régime de rotation du champ magnétique tournant dans le stator, tourne à une vitesse supérieure au régime de rotation du rotor.

Il est d'abord nécessaire de générer un courant électrique dans le rotor avant qu'il se mette en mouvement. c'est ce qui va créer le décalage entre les deux régimes de rotations.

A l'utilisation, on ne détecte pas de temps de réponse, l'évolution des électroniques de puissances, rendent imperceptible le temps d'induction.

 

Ce type de machine est utilisé comme machine principale sur des véhicules demandant des couples importants, type SUV.

Mais elle est également utilisé en seconde machine sur le train avant pour proposer 4 roues motrices.

Comme elle présente une faible trainé, elle est alimentée uniquement en cas de besoin de motricité, et sur le train arrière on retrouve une machine synchrone. 

Exemple :  Tesla model 3, Audi Q4 E-tron, VW ID GTX, etc...

Avantages : 

• Pas d'aimant, coût inférieur
• Rendement à haut régime
• Rotor simple et léger
• Pas de frein magnétique à vide

Inconvénients : 

• Glissement donc pertes nécessaires pour avoir du couple
• Rendement à bas et moyen régime
• Rotor complexe à refroidir 
• Rendement diminue avec la demande en couple

---

Evolution des machines électriques

Les machines électriques à venir.

La machine électrique à flux axial : 

Développée par la société WHYLOT (Française)

La machine est beaucoup plus petite. Elle laisse présager des emplacements plus proche des roues et un gain de place considérable dans le véhicule. 

Jusqu'ici les différentes machines électriques que l'on a vu génèrent des couples perpendiculairement à l'axe de sortie de la machine. 

Dans cette évolution de machine, les couples générés le sont toujours par des champs magnétiques entre rotor et stator. 

En revanche, la génération des couples se font parallèlement à l'axe de sortie de la machine, grâce à un positionnement spécifiques des bobines et des aimants. 

La machine est appelée à flux axial, car les forces établit par les champs magnétiques se font dans l'axe de sortie de la machine.

On constate également un double stator.

 

Les moteurs à flux axial sont considérés comme la solution d'avenir pour les véhicules électriques, RENAULT à investi dans cette société. WHYLOT à déposé 50 brevets et 20 supplémentaires partagés avec RENAULT.

Mercedes s'est associé avec la société YASA, concurrent Anglais, qui développe également des machines électriques à flux axial.

 Ca démontre l'intérêt des constructeurs pour ces futurs machines électriques.

Avantages :

• Gain de poids
• Plus efficace
• Plus compacts

Inconvénients : 

• Complexité de conception, ce qui peut augmenter les coûts de développement

La machine électrique à double rotor :

Développée par la socièté DEEPDRIVE (Allemande) :

 

Cette société allemande est accompagnée financièrement par BMW.

L'idée de cette architecture avancée est la machine intégrée au moyeu de roue. La machine intègre l'onduleur.

Caractéristiques des machines développées par DEEPDRIVE :

RM 1500

Taille : 19"
Couple : 1.500Nm
Puissance de pointe : 150kW
Efficacité : 96,6%
Poids : 32kg
 

• Convient aux véhicules électriques de classe compacte et de taille moyenne
• Permet aux véhicules à longue portée d'être équipés de batteries LFP / Sodium-Ion
• Impact minimisé sur les masses non suspendues grâce au moteur léger avec frein à tambour intégré
• Avec frein intégré en collaboration avec Continental (récemment récompensé « Innovation de l'année 2023 »)

 

RM 2400

Taille : 20"
Couple : 2.400Nm
Puissance de pointe : 250kW
Efficacité : 97%
Poids : 37kg
 

• Adapté aux véhicules électriques axés sur les performances
• Permet aux véhicules à longue portée d'être équipés de batteries LFP / Sodium-Ion
• Faible impact sur les masses non suspendues grâce au frein à tambour intégré
• Avec frein intégré en collaboration avec Continental (récemment récompensé « Innovation de l'année 2023 »)

En adoptant les machines électriques, l’industrie automobile non seulement répond aux défis environnementaux actuels, mais ouvre également la voie à des innovations futures qui transformeront notre manière de concevoir et d’utiliser les véhicules. 

---

---

Méthodes et pratiques

Les techniciens qui interviennent sur les machines électriques peuvent réaliser:
 

• Contrôles électriques
• Résistances, isolement "haute tension"
• Relevé de commande à l'oscilloscope
• Remplacement du moteur
• Contrôle / remplacement des balais
• Contrôle / Remplacement du capteur résolveur

---

Impact sur les compétences en atelier

Pour intervenir sur les machines électriques, le technicien doit:
 

• Savoir différencier les machines électriques
• Connaître le fonctionnement et la gestion des machines électriques
• Savoir appliquer une méthode de diagnostic
• Savoir utiliser un outil de diagnostic
• Connaitre les procédures de sécurité liées à l'intervention sur un véhicule électrique ou hybride
• Posséder une habilitation.

Les interventions d'entretien nécessite de: 
 

• Connaître les procédures d'intervention,
• Posséder à minima un niveau averti.

Les personnes ne possédant pas d'habilitation ou à minima d'un niveau averti ne sont pas autorisées à intervenir sur ces véhicules.

Les habilitations

Le travail sur véhicules électriques et hybrides nécessitent une habilitation selon la réglementation NF C18-550.

Il est important de bien identifier les limites d’actions de son titre d’habilitation.

 

Voici quelques exemples d'interventions et le titre d'habilitation nécessaire pour être autorisé à réaliser l'intervention :

Votre titre d’habilitation est lié à une norme délimitant votre périmètre d’action. Les métiers de l’automobile sont liés à la norme NFC 18-550. Cette norme ne vous autorise pas à travailler sur les infrastructures électriques (prise, borne de recharge…)

Pour cela, il est important d’identifier quel « domaine d’intervention » est couvert par votre titre d’habilitation.
 

Dans le domaine de l’automobile, on distingue plusieurs types d’intervenants :

•Une personne NON habilitée - Ordinaire

C’est une personne n’ayant reçu aucune formation sur les risques électriques. Ne sachant pas analyser les risques électriques et donc intervenir en sécurité, elle n’est pas autorisée à intervenir sur un véhicule électrique ou hybride.

 

•Une personne NON habilitée – Avertie

C’est une personne ayant suivi une formation sur les risques électriques. A travers cette formation et une évaluation, l’apprenant a justifié qu’il est en mesure de réaliser une analyse de risque avant d’intervenir. Il est donc autorisé à travailler sur un véhicule électrique (hors chaîne de traction) si le véhicule est conforme. En cas de détection d’un risque, il stoppe son activité, et alerte la personne qui devra sécuriser ce véhicule.

 

•Une personne habilitée – B0L

C’est une personne habilitée pour réaliser des travaux non électriques, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle est autorisée à travailler hors chaîne de traction. A condition que le véhicule ne présente pas de risque électrique. Elle connaît ses limites d’interventions et ne travaille pas en présence de risque électrique.

 

•Une personne habilité - B2L

C’est une personne habilitée pour réaliser des travaux électriques, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle peut travailler sur la chaîne de traction du véhicule, si celui-ci est consigné. Elle ne travaille pas en présence de risque électrique.

 

•Une personne habilitée – B2VL

C’est une personne habilitée pour réaliser des travaux électriques au voisinage, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle est autorisée à sécuriser la chaîne de traction d’un VE/VH au voisinage d’une PNST (c’est-à-dire à moins de 30 cm), même si elle n’est pas consignée, par exemple pour isoler une pièce nue sous tension. Elle est équipée d'EPI.

 

•Une personne habilitée – BCL

C’est une personne habilitée à consigner un VE/VH, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle est équipé d’EPI.

Un BCL seul n'est pas autorisé à travailler sur un véhicule électrique ou hybride. Il le consigne pour permettre à une personne habilitée (B2L, B2VL…) de faire les réparations.

Dans l’automobile on trouve rarement des personnes habilitées uniquement BCL !

 

•Une personne habilitée – B2TL

C’est une personne habilitée aux travaux sous tension, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle peut travailler sous tension, c’est-à-dire intervenir dans la batterie de traction.

Exemple : Remplacement d’un module dans la batterie, d’un capteur, d’un bus bar, d’un BMS, des relais de puissance...

Elle a des EPI spécifiques, et ne travaille qu’avec des outils isolés. Une habilitation sous tension ne remplace pas une habilitation hors tension.

 

 

---

Exemple d’outillage approprié

Outils de démontage du moteur électrique
Outils spécifiques constructeur
Outil de diagnostic
 

Exemple : 
 

Selon la norme NF C18-550, L'ensemble des outils utilisés lors d'intervention sur chaine de traction doivent répondre à un niveau d'isolation de 1000 Volts.

Tous les outils classiques du mécanicien( clé plate, clé à pipe, cliquets, douilles, pinces, tournevis, etc...) existe en version isolé 1000V.

Outillage nouveau :