Alors que la production mondiale de voitures et de camions électriques atteint des sommets inédits, l’industrie automobile se trouve confrontée à un défi majeur : développer des moteurs de traction qui égalent ou dépassent les performances, la fiabilité et la légèreté des meilleurs moteurs commerciaux actuels, mais sans recourir aux éléments des terres rares. Ces matériaux, comme le néodyme et le dysprosium, présentent des coûts environnementaux élevés et des risques pour la chaîne d’approvisionnement, la Chine dominant quasiment totalement leur marché. C’est dans ce contexte qu’une percée en science des matériaux par General Electric Aerospace (GE Aerospace) attire l’attention : un matériau magnétique biphasé qui pourrait redéfinir les moteurs à reluctance synchrone et briser le monopole des terres rares.
Pour comprendre le potentiel de ce matériau, il faut commencer par les bases des moteurs à reluctance synchrone. Comme tous les moteurs électriques, ils sont composés d’un stator et d’un rotor. Le stator génère un champ magnétique rotatif qui magnétise et agit sur le rotor, généralement fabriqué en acier électrique, un alliage ferromagnétique. Le rotor tourne grâce à un phénomène appelé reluctance, qui fait que les matériaux ferromagnétiques s’alignent avec les lignes de force du champ magnétique. Lorsque le champ magnétique du stator tourne, le rotor magnétisé s’alignera constamment avec lui, générant un couple.
Le problème clé dans les conceptions traditionnelles réside dans les structures du rotor appelées « ponts » et « piliers », qui relient ses sections magnétiques. Dans les rotors conventionnels, ces composants sont faits du même matériau ferromagnétique que le reste du rotor, donc ils se magnétisent. Cette magnétisation cause des interférences entre les lignes de flux magnétique, réduisant l’efficacité et limitant la puissance du moteur. Pour minimiser ce problème, les ingénieurs ont conçu des ponts et des piliers étroits, mais cela affaiblit la résistance mécanique du rotor, limitant sa vitesse de rotation et, par conséquent, la puissance du moteur.
C’est ici que le matériau biphasé fait la différence. Sa propriété unique est que, lorsqu’il est exposé à un champ magnétique fort, des régions distinctes du matériau acquièrent des degrés de magnétisation extrêmement contrastés : soit elles ne sont pas magnétisées du tout, soit elles sont fortement magnétisées. Cela permet aux ponts et aux piliers du rotor de ne pas être magnétisés, tout en pouvant être plus larges et plus solides. De cette façon, les interférences magnétiques sont éliminées sans compromettre la résistance mécanique, dépassant une limitation fondamentale des conceptions traditionnelles.
Les résultats des tests réalisés par GE Aerospace sont révélateurs. Dans une expérience, un moteur expérimental avec rotor biphasé a atteint une puissance de 23 kW à 14 000 tours par minute, tandis qu’un moteur avec rotor traditionnel, identique par ailleurs, n’a atteint que 3,7 kW dans les mêmes conditions. De plus, le moteur expérimental a atteint un rendement de pointe de 94 %, comparable à celui des meilleurs moteurs utilisés aujourd’hui dans les véhicules électriques commerciaux.
« Je suis convaincu que ce matériau changera la donne », déclare Ayman El-Refaie, Fellow de l’IEEE et professeur d’ingénierie électrique et informatique à l’Université Marquette de Milwaukee, Wisconsin, qui a lancé le projet de matériau biphasé chez General Electric en 2005. Son enthousiasme ne se limite pas aux résultats actuels, mais aussi au potentiel du matériau au-delà du moteur à reluctance synchrone.
En effet, les avantages du matériau biphasé ne se limitent pas à un seul type de moteur. Des recherches menées à l’Université Marquette, à l’Université de Gyeongsang en Corée du Sud et à l’Université Technique d’Oufa en Russie ont démontré que le matériau biphasé offre des avantages dans les moteurs synchrone à aimants permanents et les générateurs. « Les bénéfices ne se limitent pas aux moteurs à aimants permanents internes (IPM) », explique El-Refaie. « Il offre des avantages dans d’autres types de machines pour différentes raisons. »
Malgré ces perspectives prometteuses, il existe encore des défis significatifs sur la voie de la commercialisation. Un inconvénient actuel du matériau est sa densité de flux de saturation maximale de 1,5 Tesla, nettement inférieure à la limite de l’acier électrique conventionnel, qui atteint 2 Tesla. La densité de flux est une mesure de la magnétisabilité d’un matériau, et une augmentation de cette propriété est l’objet de développements futurs.
Les obstacles les plus grands, cependant, se trouvent dans la production. Frank Johnson, membre senior de l’équipe de recherche sur le matériau biphasé de General Electric et aujourd’hui directeur technique de Niron Magnetics, explique : « La recherche de producteurs d’acier disposés et capables de fabriquer les tôles métalliques laminées pour la fabrication de rotors biphasés est un obstacle important. Les alliages que nous avons développés ont des composants à faible coût, ce qui crée un paradoxe : il devient un cas commercial difficile, à moins qu’il n’y ait une production très large et des investissements significatifs dans l’équipement. »
Actuellement, aucune entreprise ne propose de matériaux magnétiques biphasés adaptés aux machines de haute puissance. Outre General Electric Aerospace, la seule autre entreprise connue qui travaille dans ce domaine est Proterial, anciennement Hitachi Metals. GE Aerospace a refusé de permettre à ses chercheurs de parler de ce sujet dans des interviews, donc il n’est pas clair si elle licenciera ou fabriquera le matériau elle-même.
Cependant, le potentiel du matériau biphasé est indéniable. Si elle peut être produite à grande échelle, son impact serait transformateur. La réduction de la dépendance aux terres rares atténuerait non seulement les risques dans la chaîne d’approvisionnement, mais réduirait également les coûts environnementaux associés à leur extraction et leur traitement, qui incluent la pollution et la dégradation de l’écosystème. De plus, son faible coût intrinsèque, une fois la production de masse atteinte, pourrait rendre les moteurs électriques plus accessibles, stimulant l’adoption de véhicules électriques dans le monde entier.
L’industrie automobile électrique est constamment à la recherche de solutions durables et résilientes. À mesure que la demande pour les véhicules électriques croît, la pression pour innover dans les technologies de moteurs s’intensifie. Les matériaux biphasés représentent une alternative prometteuse, car ils combinent une haute performance avec une moindre dépendance à des ressources stratégiques et problématiques.
Le succès de cette technologie dépendra de la collaboration entre les scientifiques des matériaux, les ingénieurs de moteurs et les producteurs d’acier. Développer l’infrastructure de production nécessaire, de la fabrication des alliages à la laminage des tôles, exigera des investissements significatifs, mais les bénéfices à long terme pourraient être incalculables. L’adoption massive de matériaux biphasés ne révolutionnerait pas seulement les moteurs de véhicules électriques, mais pourrait également améliorer l’efficacité des générateurs et d’autres machines, contribuant à une plus grande durabilité dans de multiples secteurs.
En fin de compte, le test ultime pour le matériau biphasé sera sa capacité à passer des laboratoires aux lignes de production. Si cela se produit, la prochaine génération de véhicules électriques pourrait être propulsée par des moteurs non seulement plus efficaces et puissants, mais aussi plus résistants et respectueux de l’environnement.
L’innovation dans le domaine des matériaux magnétiques biphasés est un exemple clair de comment la science des matériaux peut transformer des industries entières. Dans un contexte où la transition vers l’électrification est une priorité mondiale, cette technologie pourrait être la clé pour un avenir où les véhicules électriques sont plus durables, plus abordables et moins dépendants de ressources stratégiques. Même si les défis restent nombreux, l’engagement des chercheurs et l’intérêt de l’industrie suggèrent que le matériau biphasé pourrait bien jouer un rôle central dans la prochaine ère de l’automobile électrique.
Auteur : Glenn Zorpette
Affiliation : IEEE Spectrum
DOI : 10.1109/MSPEC.2024.2300123