- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Oui
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Oui
- Phase de développement de l'innovation
- Commercialisé depuis plusieurs années
- Date de création
- Date de mise à jour
En bref
Les moteurs électriques jouent un rôle crucial dans la transition vers une mobilité plus durable. Ils sont au cœur des véhicules électriques et hybrides, et représentent une alternative sérieuse aux moteurs à combustion interne.
Ils convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique et inversement. Grâce à leurs rendements élevés, leurs fonctionnements silencieux et leurs performances exceptionnelles, ils ont toutes les chances de perpétuer l'histoire de l'automobile.
Dans cette fiche, nous explorons les différents types de machines électriques utilisées dans les véhicules d'aujourd'hui. Nous aborderons les innovations récentes et les perspectives d’avenir dans ce domaine en pleine évolution.
- Innovation créatrice de nouvelles compétences
- Oui
- Innovation génératrice de nouvelles activités
- Oui
- Phase de développement de l'innovation
- Commercialisé depuis plusieurs années
- Date de création
- Date de mise à jour
Description détaillée
Les machines électriques
L'ensemble des machines électriques automobiles aujourd'hui, sont des machines à courant alternatif triphasé.
Elles présentent des avantages considérables de taille, de couple et de puissance par rapport à la machine à courant continu.
C'est pour ces raisons que les machines à courant continu ont été abandonnées.
L'alimentation électrique à généralement trois câbles (de couleur orange si elles sont alimentées avec plus de 60 Volts).
Quelque soit le type de machine, on retrouve trois phases U, V, W, afin de pouvoir générer un champ magnétique tournant dans le stator.
Définition machine électrique
Le terme "moteur électrique" s'inscrit dans le vocabulaire commun. Néanmoins, ce terme ne traduit pas toutes ses capacités.
Lorsqu'on utilise le terme "moteur électrique", on décrit une seule de ses fonctions, dans une phase de fonctionnement précise. La caractéristique principale d'une machine électrique, c'est sa capacité à inverser sa conversion d'énergie, ce que ne fait pas un moteur thermique. Le terme machine électrique est plus approprié.
- Lorsqu'on applique une énergie électrique à la machine, elle fonctionne comme un moteur.
- Lorsque l'arbre de la machine est entraîné de manière externe, elle fonctionne comme un générateur et fournit de l'énergie électrique.
Principe de base d'une machine électrique
Lorsqu'on fait circuler un courant électrique dans un conducteur, cela génère un champ magnétique autour de ce conducteur.
Les lignes de forces établies par le champ magnétique, vont générer des pôles magnétiques nord et sud, comme sur un aimant.
Ces pôles magnétiques générés dans le stator, vont rencontrer les pôles magnétiques des aimants du rotor. Lorsque 2 pôles de même nature sont en face, le rotor se met à tourner, il est repoussé et en même temps attiré par un pôle différent.
Il est relativement simple de démontrer la présence de ces forces invisibles.
Faire circuler un courant dans un bobinage, puis approcher une boussole, un élément métallique ou un aimant à proximité du champ magnétique, que vous venez de créer, pour en observer les effets.
Le champ magnétique tournant
Afin de conserver le rotor en mouvement, il est nécessaire de déplacer le champ magnétique en permanence autour du rotor.
Ce champ magnétique tournant est obtenu, grâce à l'alimentation successive des bobines du stator. Les unes après les autres, elles sont pilotées tous les 120 °. Avec au minimum 3 bobines, donc 3 phases, on peut faire tourner notre rotor sur un tour complet, soit 360°.
Ce champ magnétique tournant dans le stator est toujours présent, quelque soit le type de machine électrique : synchrone, asynchrone ou à flux axial.
La bobine U est alimentée à sa tension maximum en positif.
Un pôle nord s'établit sur la bobine U, ce qui attire le pôle sud du rotor.
La bobine V est alimentée. Les pôles magnétiques de la bobine U se sont inversés, depuis l'étape 1.
Cela a poussé le rotor vers la bobine V, qui en même temps l'attire avec son champ magnétique.
La bobine W est alimentée. La bobine V a inversé son champ magnétique,
pour pousser le rotor vers la bobine W, qui elle-même l'attire avec son champ magnétique.
En savoir plus
-
On observe que lorsque la tension de commande appliquée à une bobine diminue, celle de la bobine suivante commence déjà à augmenter. Ce déphasage de 120° entre les commandes garantit une rotation continue et fluide du rotor.
-
Lorsque l’alimentation devient négative, le courant dans la bobine s’inverse. Cette inversion provoque l’apparition d’un pôle sud au niveau de la bobine, ce qui a pour effet de repousser le rotor.
- La commande en courant alternatif permet d'exploiter les forces de répulsions et les forces d'attractions des champs magnétiques des bobines, en inversant le sens du courant. C'est pour cette raison que la machine à courant alternatif, présente des performances supérieures, à la machine à courant continu.
Les deux grandes familles de machine
Il existe deux familles de machine électrique :
- Les machines synchrones
- Les machines asynchrones
Extérieurement, il est difficile de les différencier.
Le stator est commun. La différence de taille du stator n'est pas un indicateur, cela dépend du type de bobinage et de la puissance de la machine.
On peut identifier une machine électrique en observant 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 champ magnétique du stator, pour augmenter l'efficacité de la machine.
De plus, ce type de bobinage supporte mieux les sollicitations thermiques.
Les types de machines électriques
La machine synchrone
C'est la machine électrique la plus répandue sur le marché aujourd'hui. La machine synchrone, en particulier celle à aimants permanents, est un choix de référence pour les véhicules électriques comme pour les véhicules hybrides, car elle présente une densité énergétique très élevée. Elle a le meilleur rapport performance/taille.
Cette machine est identifiable par la composition de son rotor, composé le plus souvent :
-
D'aimants permanents,
ou
- D'un bobinage de cuivre.
Le rotor ci-dessus est composé uniquement de bobines de cuivre. Celles-ci assurent la production du champ magnétique du rotor et remplacent les aimants permanents.
Avantage :
Le cuivre nécessite de l'énergie, de l'eau pour être extrait et produit. Son impact environnemental est plus faible car ses filières sont bien établies, et il est largement recyclé comparativement à l'extraction du néodyme, qui compose les rotors à aimants permanents. Ce dernier à un impact écologique plus important que la production du cuivre.
Inconvénient :
Il faut alimenter électriquement le rotor, ce qui impacte légèrement son rendement à haute vitesse.
En savoir plus
Consultez la fiche Innovauto au sujet des machines synchrones.
La machine asynchrone
Cette machine s'identifie aussi par son rotor. Il est composé de barres en aluminium reliées entre elles, à leurs extrémités. Aussi appelé rotor à cage d'écureuils.
Son fonctionnement repose sur le principe physique de l'induction. La rotation du champ magnétique tournant du stator, induit un courant dans le rotor. Ainsi, le courant circulant dans les barres d'aluminium génère un champ magnétique au sein du rotor.
A l'apparition des forces générées par le champ magnétique du rotor, les forces établies par le champ magnétique du stator vont forcer le rotor à tourner.
Le rotor ne nécessite aucune alimentation électrique directe. C'est l'induction qui génère des pôles magnétiques au niveau du rotor.
Ce type de machine est utilisé comme machine principale sur des véhicules demandant des couples importants, type SUV et sportives, avec des performances élevées.
En revanche cette machine présente un rendement plus faible à petite et moyenne vitesse, directement lié au "glissement". Plus la demande de couple est importante, plus son rendement baisse. Afin d'exploiter les avantages de cette machine sans souffrir de ses inconvénients, elle est parfois associée à une machine synchrone qui se trouve sur un autre essieu du véhicule.
Exemple de véhicules avec machine synchrone sur l'essieu arrière et machine asynchrone sur l'essieu avant :
- Tesla model S et model X et model 3 (Toutes les versions avec un "D" dans le monogramme arrière "Dual Motor") ;
- Volkswagen ID4 GTX ;
- Audi Q4 E-TRON,
- VOLVO XC40 Recharge Twin Motor.
Cette combinaison est aujourd'hui nécessaire lorsqu'on cherche à proposer un niveau élevé de performance combiné à une efficacité énergétique. Néanmoins, cette architecture, présente un coût plus important à la fabrication, nécessitant des électroniques de pointes, pour assurer la gestion et le pilotage de chaque machine aux moments opportuns.
Mais aussi comme machine secondaire pour proposer 4 roues motrices, dans les situations qui le nécessitent.
En savoir plus
Consultez la fiche Innovauto au sujet des machines asynchrones.
La machine à flux axial
Evolution des machines électriques.
Exemple de machine à flux axial développée par la société WHYLOT (Française).
La machine est beaucoup plus petite. Le diamètre reste identique, mais la dimension en largeur est divisée par 3 pour les mêmes puissances. Elle permet un positionnement plus proche des roues et donc un gain de place considérable dans le véhicule.
Le couple de cette machine est généré par les forces d'attractions et de répulsions des champs magnétiques entre rotor et stator, comme sur les machines précédentes, à flux radial.
Par contre, la génération du couple se fait parallèlement à l'axe du rotor, grâce à un positionnement spécifiques des bobines et des aimants.
La machine est appelée à flux axial, car les forces créées par les champs magnétiques sont orientées, dans la même direction que l'axe du rotor.
A noter
Dans cet exemple de machine à flux axial, un second stator à été ajouté, pour en augmenter le couple.
Les moteurs à flux axial sont considérés comme la solution d'avenir pour les véhicules électriques.
Pour exemple :
- RENAULT à investi dans cette société. WHYLOT à déposé 50 brevets et 20 supplémentaires partagés avec RENAULT.
- MERCEDES rachète en 2021 la société YASA, concurrent Anglais de WHYLOT, qui développe également des machines électriques à flux axial. La composition est légèrement différente, YASA utilise 2 rotors et un stator, dans l'exemple de WHYLOT on constate 2 stators et un rotor.
Cela démontre l'intérêt des constructeurs pour ces machines électriques.
En savoir plus
Consultez la fiche Innovauto au sujet des machines à flux axial.
Position des machines électriques
La société des ingénieurs de l'automobile (SIA) à défini un codage pour l'emplacement des machines électriques dans la chaine cinématique d'un véhicule.
Conclusion
Les machines électriques représentent une avancée majeure dans le domaine de l’automobile, offrant une alternative durable et efficace aux moteurs à combustion interne traditionnels.
Grâce à leur rendement énergétique supérieur, leur faible impact environnemental et leur capacité à intégrer des technologies de pointe, ils sont au cœur de la transition vers une mobilité plus durable.
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.
| Diffusion sur le marché | Les machines électriques sont présentes chez tous les constructeurs. Même des constructeurs comme MORGAN, qui ne propose pas à ce jour d'hybridation ou d'électrification de la traction, embarque au moins une machine synchrone servant de générateur d'électricité, appelé aussi alternateur. Exemple d'usage de la machine synchrone à rotor bobiné :
Exemple d'usage de la machine synchrone à aimant permanent : Cette typologie de machine inonde le marché avec les exemples des véhicules électriques ci-dessous, mais aussi parce qu'elle équipe tous les véhicules hybrides depuis 25 ans.
Exemple d'usage de la machine asynchrone :
|
|---|---|
| Constructeurs concernés | Tous les constructeurs disposent dans leurs gammes, de véhicules micro hybride, full hybride ou électrique. |
| Innovation engendrant des entretiens | Oui |
| Innovation engendrant des réparations | Oui |
| Types de réparations |
|
| Dispositif législatif en rapport avec l'innovation | NFC 18-550 Selon cette réglementation, les interventions sur la chaine de traction d'un véhicule électrique ou hybride, nécessite une habilitation pour être autorisé à intervenir. Pour en savoir plus, rendez-vous au chapitre "Impact sur les compétences en atelier" |
| Contrôle technique | Depuis le 01 janvier 2014, les centres de contrôle technique doivent être en mesure de contrôler les véhicules électriques ou hybrides comme le prévoit l'arrêté du 18 juin 1991 modifié. Ce texte impose que les contrôleurs doivent disposer d'une habilitation électrique spéciale pour contrôler les VE/VH (B2XL contrôleur technique).
Avec les mêmes conséquences que sur un véhicule thermique, un signalement sur le procès verbal d'une défaillance majeure ou critique selon l'état. Extrait : Fuite excessive de liquide autre que de l’eau susceptible de porter atteinte à l’environnement ou constituant un risque pour la sécurité des autres usagers de la route. IT VL F8/8.4.1/ défaillance majeure. A cela s'ajoute les spécificités du véhicule électrique ou hybride avec les contrôles de l'état des câbles et connecteurs haute tension. Rappel : Pour effectuer ces contrôles dans de bonnes conditions de sécurité, les contrôleurs techniques doivent porter leurs équipements de protection individuels (EPI), gants isolants et sur-gants en cuir, caque et visière de protection anti-UV... |
| Mots-clés | Moteur, électrique, synchrone, asynchrone, machine électrique, rotor bobiné, rotor à aimants permanents, machine à induction, machine synchro-reluctante, stator. |
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,
- Calibrage capteur de position.
| Entreprises concernées aujourd'hui | Carrosserie / Peinture, Centres auto, Spécialistes, MRA, RA2, RA1 |
|---|---|
| Métiers concernés | Carrossier et Peintre, Contrôleur technique, Démonteur automobile, Encadrement d'atelier, Mécanicien technicien VI-VU, Mécanicien-Technicien Auto, Mécanicien-Technicien Moto |
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,
- Observer une vigilance accrue lors de la manipulation de rotor à aimants permanents, afin de se prémunir du risque de blessure aux mains.(La puissance des aimants présente un risque pour l'opérateur)
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 :
Outillage pour intervention sur machine électrique :
@Mobipolis
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