Un nouveau moteur hybride promet une performance EV plus fluide et puissante
Un nouveau design de moteur électrique, développé par une équipe de chercheurs chinois, pourrait bien résoudre les deux principaux défauts qui ont longtemps freiné l’adoption des moteurs à réluctance variable (MRV) dans le secteur des véhicules électriques (VE). Ces moteurs, bien que robustes et économiques, ont été pénalisés par un couple irrégulier et une densité de couple limitée. Les chercheurs de l’Université des Sciences et Technologies Minières de Chine et de l’Université de Nanchang ont franchi une étape décisive en présentant un moteur à réluctance variable à flux hybride axial-radial avec rotor segmenté (ARFSRSRM), une innovation qui redéfinit les limites de cette technologie prometteuse.
Dirigée par le Dr. Wenju Yan, en collaboration avec ses collègues Hongwei Yang, Jun Xin, Hao Chen et Fengyuan Yu de l’École de Génie Électrique de l’Université des Sciences et Technologies Minières de Chine, ainsi que Qing Wang du Collège d’Ingénierie de l’Information de l’Université de Nanchang, cette recherche, publiée dans la revue scientifique de renom Power System Protection and Control, démontre que les MRV peuvent désormais rivaliser avec les moteurs à aimants permanents sur des critères essentiels comme la puissance, la douceur de fonctionnement et la compacité.
Le défi auquel le monde de l’automobile est confronté est immense. Alors que les constructeurs s’efforcent de produire des véhicules plus propres et plus efficaces, la dépendance aux moteurs à aimants permanents soulève des préoccupations majeures. Ces moteurs, bien que performants, reposent sur des terres rares, des matériaux dont l’extraction est coûteuse, géopolitiquement sensible et environnementalement préjudiciable. Cela crée des chaînes d’approvisionnement fragiles et des coûts élevés qui se répercutent sur le prix final des véhicules. Les moteurs à réluctance variable, en revanche, offrent une alternative attrayante. Ils sont construits à partir de matériaux simples et abondants comme l’acier laminé et le cuivre, sans aucun besoin d’aimants. Leur conception est fondamentalement simple, ce qui les rend extrêmement robustes, résistants aux températures élevées et faciles à fabriquer. Cependant, leur talon d’Achille a toujours été leur fonctionnement. Le couple produit par un MRV n’est pas constant, mais présente des pulsations, ou « ripple », qui se traduisent par des vibrations et un bruit de fonctionnement souvent décrit comme un « bourdonnement ». Ce manque de douceur a été un obstacle majeur à leur adoption dans les véhicules de série, où le confort du passager est primordial.
C’est précisément ce problème que le moteur ARFSRSRM a été conçu pour surmonter. L’ingéniosité de ce nouveau design réside dans sa topologie unique, qui fusionne deux types de flux magnétique dans une seule et même unité : un flux axial et un flux radial. Cette architecture hybride est le cœur de sa performance supérieure. Le moteur est construit autour d’un rotor central segmenté, partagé par deux systèmes statoriques distincts. D’un côté, un système à double stator axial, avec des stators positionnés aux deux extrémités du rotor. De l’autre, un stator radial externe qui entoure le même rotor. Cette intégration des deux chemins de flux sur un seul rotor crée une synergie qui n’existait pas dans les designs précédents.
La clé du succès de ce moteur réside dans un phénomène magnétique subtil mais puissant. Lorsque les pôles du rotor sont désalignés par rapport aux pôles du stator – une position naturelle entre chaque impulsion de couple – le design est tel que les flux magnétiques générés par les parties axiale et radiale s’opposent et se neutralisent partiellement. Cette annulation intelligente a pour effet de réduire considérablement l’inductance minimale des bobinages du moteur. Pour un moteur à réluctance variable, la différence entre l’inductance maximale (lorsque les pôles sont parfaitement alignés) et cette nouvelle inductance minimale plus faible est cruciale. Plus cette différence est grande, plus l’énergie magnétique stockée dans le système, appelée « énergie co-magnétique », est importante. Et c’est cette énergie co-magnétique qui se transforme directement en couple de sortie. En augmentant cette différence, le moteur ARFSRSRM produit un couple fondamentalement plus élevé, ce qui se traduit par une densité de couple bien supérieure à celle des MRV traditionnels.
Pour transformer ce concept théorique en une réalité performante, les chercheurs ont entrepris une analyse approfondie et une optimisation rigoureuse. Leur point de départ a été la définition des paramètres de base, ciblant un moteur de 1,5 kW capable de fonctionner à 1000 tr/min, une spécification typique pour un véhicule électrique urbain ou un moteur auxiliaire. Le moteur a été conçu pour être compact, avec un diamètre extérieur de 240 mm, afin de s’intégrer facilement dans les plateformes automobiles modernes.
L’étape la plus critique a été l’optimisation des performances. L’équipe a identifié quatre paramètres structurels clés qui influencent le couple moyen, la douceur de fonctionnement et la densité de couple : la longueur du sabot du pôle du stator radial (Ht), l’angle d’arc du pôle du stator radial avec sabot (βs1), la largeur de l’entrefer entre le sabot du pôle du stator axial et le rotor (Wsro), et la largeur de la rainure du rotor (Wrslot). Tester toutes les combinaisons possibles aurait été une tâche titanesque. Pour contourner ce problème, les chercheurs ont utilisé la méthode Taguchi, une technique statistique puissante de conception d’expériences. Cette méthode leur a permis de sélectionner un ensemble de seulement 16 simulations par éléments finis tridimensionnels (FEM) parmi les 256 combinaisons théoriques possibles. Ce « plan d’expérience orthogonal » a réduit de façon spectaculaire le temps de calcul tout en garantissant des résultats statistiquement robustes.
L’objectif de cette optimisation était triple : maximiser le couple moyen (Tav), maximiser le coefficient de fluidité du couple (τ) – une mesure inverse du ripple – et maximiser la densité de couple (Tp). En analysant les résultats des 16 simulations, les chercheurs ont calculé une « matrice de poids » pour chaque objectif, quantifiant l’impact de chaque niveau de paramètre. En combinant ces matrices avec des facteurs de pondération (0,4 pour le couple, 0,3 pour la fluidité et 0,3 pour la densité), ils ont pu déterminer la combinaison optimale de paramètres, identifiée comme « 1244 ». Cette combinaison correspond à une longueur de sabot de 1,5 mm, un angle d’arc de 16 degrés, un entrefer axial de 10,5 mm et une largeur de rainure de rotor de 17 mm.
Les résultats de cette optimisation sont impressionnants. Par rapport au design initial, le moteur ARFSRSRM optimisé a vu son couple moyen augmenter de 23,4 %, son coefficient de fluidité s’améliorer de 19,54 % et sa densité de couple bondir de 32,7 %. Ces gains ne sont pas des chiffres abstraits ; ils se traduisent par des avantages concrets. Un moteur avec une densité de couple plus élevée peut être plus petit et plus léger pour une puissance donnée, ce qui améliore l’efficacité du véhicule et augmente son autonomie. Un coefficient de fluidité plus élevé signifie moins de vibrations et de bruit, offrant une expérience de conduite beaucoup plus agréable et raffinée.
La crédibilité de ces résultats repose sur une validation rigoureuse. Les chercheurs ont d’abord comparé leur modèle de simulation avec les données mesurées sur un prototype physique d’un moteur ARFSRSRM similaire, publié dans une étude antérieure. La concordance étroite entre les caractéristiques de flux simulées et les données réelles a validé la précision de leur modèle par éléments finis. Ensuite, ils ont comparé leur nouveau moteur ARFSRSRM avec un moteur à réluctance variable radial classique (RFSRSRM) de même taille extérieure. Les simulations ont révélé que le rapport entre l’inductance maximale et minimale de l’ARFSRSRM était de 2,58, contre 1,94 pour le RFSRSRM. Cette plus grande plage d’inductance est la preuve directe de sa capacité supérieure à générer du couple.
L’analyse des courbes de couple statique a été encore plus révélatrice. Lorsque les chercheurs ont simulé le couple produit par les composants axial seul, radial seul, puis par la combinaison hybride, ils ont fait une découverte clé : le couple total du moteur hybride était supérieur à la simple somme des couples des deux composants séparés. Ce phénomène « super-additif » prouve que les deux circuits magnétiques ne fonctionnent pas indépendamment, mais interagissent de façon synergique pour produire une puissance de sortie plus élevée.
Les tests en conditions dynamiques, plus proches de l’usage réel, ont confirmé ces performances. Sous une alimentation de 96 V CC, le moteur ARFSRSRM a produit un couple moyen de 14,39 Nm à 1000 tr/min en mode de contrôle par découpage de courant (CCC), avec un coefficient de fluidité de 1,13. À 1500 tr/min en mode de contrôle par position angulaire (APC), il a produit 9,54 Nm avec un coefficient de 0,83. En comparaison, le moteur RFSRSRM classique a produit un couple moyen plus faible (10 Nm et 9 Nm respectivement) et a montré un ripple de couple plus élevé. La densité de couple de l’ARFSRSRM a également été bien supérieure, atteignant 5,9 x 10³ N/m³ contre 3,92 x 10³ N/m³ pour son homologue radial.
Au-delà de la puissance brute, le moteur a démontré une excellente réponse dynamique. Dans des scénarios de simulation de « vitesse variable » et de « charge variable », le moteur a stabilisé sa vitesse en moins de 0,15 secondes, un temps de réponse crucial pour un contrôle précis dans les transmissions modernes de VE, notamment pour la récupération d’énergie au freinage.
Les implications de cette recherche sont vastes. En surmontant les faiblesses historiques des MRV, cette équipe a ouvert la voie à une technologie de propulsion qui est non seulement plus puissante et plus douce, mais aussi plus durable et potentiellement moins chère. L’absence d’aimants permanents simplifie la chaîne d’approvisionnement, réduit les coûts et diminue l’impact environnemental. La conception simple et robuste suggère également une fiabilité accrue et des coûts de maintenance plus faibles.
Wenju Yan, Hongwei Yang, Jun Xin, Hao Chen, Fengyuan Yu, Qing Wang, China University of Mining and Technology, Nanchang University, Power System Protection and Control, DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.246010