Les moteurs électriques

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Description détaillée

Avec la montée en progression dans le parc automobile de véhicule électrique ou hybride, on entend de plus en plus parler de moteur électrique, mais qu'est-ce qu'un moteur électrique et comment fonctionne t'il?

Tout d'abord une petite comparaison avec son homologue le moteur thermique que nous connaissons mieux.

Le moteur électrique est différent du moteur thermique sur bien des points :

Absence de pièces en mouvement alternatif.
Pas de piston, pas de bielles, pas de soupapes donc moins de pièces, moins de pannes et moins d'entretien.

Absence de combustion.
Place au silence!

Absence d'odeurs et autres rejets polluants.
Fini les mains qui sentent mauvais après avoir fait le "plein".
Bon pour l'environnement et la qualité de l'air dans nos grandes agglomérations, beaucoup moins de CO2, mais aussi de particules, de HC et autres polluants générés par le moteur thermique.

Réversibilité
Quand le moteur électrique reçoit du courant, il le transforme en énergie mécanique pour faire avancer le véhicule et quand la voiture ralenti, il transforme l'énergie cinétique de celle-ci en courant qui recharge la batterie.

Couple maximum au démarrage :
Qu'il soit synchrone ou asynchrone, le moteur électrique donne toujours son couple maximum au démarrage, ce qui permet à la voiture électrique de se passer d'embrayage et de boite de vitesses. Il en résulte un confort de conduite supérieur à celui procuré par les meilleures boîtes de vitesses automatiques.

Pas besoin de démarreur
Contrairement au moteur thermique, le moteur électrique n'a pas besoin de démarreur.

Pas besoin de stop and Start
Le moteur électrique étant en prise directe avec les roues motrices, il s'arrête et redémarre toujours avec la voiture. Il n'y a pas de régime de ralenti donc pas de consommation inutile de "carburant" et pas de conditions bien définies de fonctionnement comme sur un stop and Start.

Meilleur rendement
Contrairement à un moteur thermique dont le rendement plafonne généralement à 30% et est très variable sur une plage de régimes et de charges, le rendement d'un groupe motopropulseur électrique (moteur + électronique de commande) est supérieur à 90% sur une large plage d'utilisation.
La faible autonomie du véhicules électriques s'explique par le peu de quantité d'énergie embarquée: 30kWh correspondent potentiellement à 3 litres de carburant. Néanmoins en tenant compte du bon rendement du moteur électrique, cette quantité embarquée de 30kWh correspond à 10l de carburant.

Point commun
Le moteur électrique est comme le moteur thermique, qui existe en plusieurs versions, suivant le carburant utilisé.

Ainsi le moteur électrique se découpe en 2 familles:
• Les moteurs à courant continu
• Les moteurs à courant alternatif

Et chaque famille se divise en 2 "versions"
Pour les moteurs à courant continu:
• Le moteur à excitation série (plus utilisé aujourd'hui en automobile)
• Le moteur à excitation séparé

Pour les moteurs à courant alternatif:
• Le moteur synchrone
• Le moteur asynchrone
Localisation des moteurs électriques:

Sur l'essieu avant
Sur un véhicule électrique il remplace le moteur thermique, la boite de vitesse est supprimée au profit d'un réducteur qui relie le moteur aux roues. (Ex: Renault Fluence)

Sur un véhicule hybride, il peut comme sur un véhicule électrique être directement relié aux roues (ex: Chevrolet Volt) ou alors il s'intercale entre le moteur thermique et la boite de vitesses (ex: Honda Insight). Son emplacement dépend en règle générale du type d'hybride dont il s'agit.

Sur l'essieu arrière
Sur un véhicule électrique, il s'agit du même principe que sur l'essieu avant, on déplace juste les éléments à l'arrière du véhicule. Le véhicule devient donc une propulsion et plus une traction. (Ex: Citroën C-Zéro)

Sur un véhicule hybride, plusieurs cas se présentent:
• Moteur électrique seul sur l'essieu arrière avec moteur thermique sur l'essieu avant (ex: Peugeot 3008 Hy)
• Moteur électrique seul sur l'essieu arrière avec moteur thermique et électrique sur l'essieu avant (ex Lexus RX400h)
• Moteur électrique et thermique sur l'essieu arrière (ex: BMW série 7)

Essieu arrière d'une Citroën C-Zéro

Le moteur à courant continu

Excitation séparé
C'est une technologie présente surtout sur les anciens véhicules ou sur les produits dit de "niche".
Car si il est vrai qu'il présente un avantage remarquable, fonctionner directement avec le courant continu de la batterie, il présente cependant des inconvénients tels que:
• Un moins bon rendement de fonctionnement
• Une usure du collecteur à balais
• Une usure des balais de l'induit
C'est pourquoi aujourd'hui le choix des fabricants ou des constructeurs se tourne vers les moteurs à courant alternatif.

Composition

1. Inducteur
2. Induit
3. Collecteur avec balais et porte balais
4. Réducteur

L'inducteur: c'est la partie fixe du moteur, relié à la carcasse du moteur.
Il est composé soit de bobinage soit d'aimants.

L'induit: c'est la partie en rotation, il est composé de fils reliés au collecteur

Collecteur: ensemble de pistes se succédant permettant d'alimenter chaque fils de l'induit.
Balais: ils sont au nombre de 2 minimum (1 plus et 1 moins) et permettent l'alimentation de l'induit tout en étant en rotation.
Réducteur: Ici un train épicycloïdal, il permet la démultiplication entre le moteur électrique et les roues.

Véhicule concernés
106, Saxo, Partner, Berlingo

Les moteurs à courant alternatif
Les moteurs à courant alternatif ont pendant longtemps été laissés de côté, n'utilisant pas directement le courant continu produit par la batterie de traction, il fallait donc faire appel à une électronique de puissance pour modifier le courant continu en courant alternatif mais cet électronique ne permettait pas d'avoir des rendements correct par rapport à l'utilisation d'un moteur a courant continu.

De nos jours l'électronique de puissance ayant évolué, elle nous permet de créer un courant alternatif élevé à fréquence et intensité variable à partir du courant continu de la batterie de traction. C'est à partir de ce moment là que le moteur alternatif à pris le "dessus" du moteur à courant continu dans l'automobile.


Le moteur synchrone
C'est la technologie la plus présente sur le marché aujourd'hui.
Deux familles de moteur synchrones sont en compétition: celles à rotor bobinés, qui utilisent des bobinages pour créer le champ magnétique rotorique pouvant être modulé électroniquement, ce qui facilite le pilotage à haute vitesse.
Et celle du rotor à aimants permanents, pour lesquels aucune alimentation électrique n'est nécessaire pour le rotor. Mécaniquement cette solution est plus "élégante". En revanche ces moteurs utilisent en général des aimants à terres rares qui font l'objet de toutes les convoitises sur le marché des matières premières. Par ailleurs, le bon rendement de ces moteurs dépend du caractère "permanent" du champ magnétique qu'ils créent, mais qui pourrait diminuer avec les années.
 Composition:

1. Alimentation électrique 330 AC (3 phases)
2. Entraînement moteur
3. Rotor
4. Masse polaire
5. Bobinage
6. Stator
7. Liquide de refroidissement
8. Capteur de température de phase
9. Résolveur (capteur de position)
10. Roulement

Le stator: c'est la partie fixe du moteur, relié à la carcasse du moteur.
Il est composé de bobinage.

Le rotor: C'est la partie mobile du moteur. Il peut être composé soit d'aimants soit de bobinage avec pour ce dernier un collecteur 2 pistes et 2 balais.


Véhicule concernés
PSA 3008 I-On, DS4
Toyota Prius, Auris, Yaris
Opel Ampera
BMW série 7 X6
Honda Insight
Renault Fluence, Kangoo, Zoé

Le moteur asynchrone
C'est une technologie peu présente mais que certains constructeurs comme Renault par exemple n'ont pas hésité à exploiter sur un de leurs véhicules.

Le moteur asynchrone est moins couteux qu'un moteur synchrone et plus robuste.
Il a par contre moins de couple et un rendement moindre.
Le moteur asynchrone est un moteur compact et fiable néanmoins pour son fonctionnement, il induit un glissement magnétique (friction). Ce glissement implique des pertes au niveau du rotor avec un rendement qui plafonne à 92% et qui tombe à 85% sur une plage de fonctionnement plus étendue.

Composition
Le moteur asynchrone est quasiment semblable au moteur synchrone. Les stators sont identiques dans les deux machines seulement le rotor d'un moteur asynchrone au lieu d'être constitué d'un aimant ou d'un électroaimant est un assemblage de deux anneaux fixés par des conducteurs (appelé « cage d'écureuil »)

Le stator: c'est la partie fixe du moteur, relié à la carcasse du moteur.
Il est composé de bobinage.
 

Le rotor: C'est la partie mobile du moteur. Il est composé de deux anneaux reliés par des conducteurs.

Véhicule concernés
Renault Twizy,
Tesla roadster et model S

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Méthodes et pratiques

Les techniciens qui interviennent sur les moteurs 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

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Impact sur les compétences en atelier

Pour intervenir sur les moteurs électriques, le technicien doit:

• Savoir différencier les moteurs électriques
• Connaître le fonctionnement  et la gestion des moteurs 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

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Exemple d’outillage approprié

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