- 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
Le moteur électrique synchrone continue d'évoluer, vers des niveaux d'efficacité toujours plus impressionnants ! Cette fiche met en lumière les bases de son fonctionnement, les différentes catégories de machines synchrones ainsi que les dernières avancées.
- 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
Définition la machine synchrone
Les machines sont dîtes synchrones pour la raison suivante :
Le régime de rotation du champ magnétique tournant, tourne à la même vitesse que le régime de rotation du rotor.
La vitesse de rotation du rotor est synchronisé, sur la vitesse de rotation du champ tournant.
La machine synchrone à aimants permanents (MSAP)
C'est la machine électrique la plus répandue sur le marché aujourd'hui, elle est présente chez beaucoup de constructeurs de véhicule électrique, et dans la quasi-totalité des véhicules hybrides.
La machine à aimants permanents à une densité énergétique très élevée. Elle présente un rapport performance/taille très intéressant. Sa taille contenue permet d'installer cette machine un peu partout.
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, qui ont fait le choix de la machine synchrone à rotor bobiné.
Autre exemple
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.
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.
La machine synchrone à aimants permanents 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.
- Aimants composés de "terres rares", néodyme (métal faisant débat, car son extraction à un fort impact environnemental).
Ce type de machine électrique présente des performances intéressantes, néanmoins, l'utilisation de certains matériaux pour la conception du rotor comme le néodyme font polémique, et oblige les constructeurs à trouver d'autres solutions.
Cependant, cela reste à ce jour la machine électrique la plus répandue. Sa densité énergétique exceptionnelle, son rapport volume/performance en fait la seule machine exploitable pour les implanter dans les architectures des véhicules hybrides. Elle est aussi pour cette raison le choix numéro un des constructeurs, pour les véhicules électriques, puisqu'elle équipe plus de 70 % des véhicules électriques.
Définition défluxage
Le champ magnétique dans le rotor et le champ magnétique créé dans le stator, sont les forces de bases qui vont mettre en mouvement le rotor.
A des régimes élevés ces forces vont être contre-productrice et vont brider la vitesse de rotation du rotor. C'est la vitesse nominale d'une machine.
Le défluxage dans une machine électrique est une technique utilisée pour augmenter la vitesse d’un moteur au-delà de sa vitesse nominale, ce qui entraîne une réduction du couple.
En pratique, le défluxage consiste à diminuer le flux magnétique généré par les aimants du rotor en ajustant les courants dans le stator, permettant ainsi au moteur de tourner plus rapidement tout en maintenant une puissance de sortie constante.
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 de cuivre 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 :
Les machines synchro-reluctantes (MSR)
Evolution des machines synchrones
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.
Ces machines sont aussi appelées machine synchrone IPM pour Internal Permanent Magnet. Les aimants sont insérés dans le rotor, ce qui apporte plusieurs avantages.
Avantages :
- Meilleure tenue mécanique et thermique des aimants, permettant un fonctionnement à haute vitesse sans risque de décollement ou de déplacement des aimants,
- Utilise moins d'aimants, (moins de ressources)
- Amélioration du rendement à haut régime,
- Diminution du risque de désaimantation, grâce à leur éloignement de l'entrefer.
Inconvénients :
- Le contrôle de ces machines peut-être plus complexe, nécessite des algorithmes avancés pour optimiser les performances,
- Machine complexe à fabriquer.
*Définition la réluctance
Propriété d'un matériau à s'opposer au passage d'un flux magnétique.
Exemple :
- Air ambiant, réluctance élevée.
- Acier, réluctance faible.
L'acier favorise le passage d'un flux magnétique, car il a une faible réluctance. Il conduit mieux le flux magnétique que l'air ambiant.
Pour faire une analogie, la réluctance est pour un champ magnétique, ce qu'est la résistance pour le passage du courant électrique. La résistance est un frein au passage du courant électrique. La réluctance, c'est la résistance pour la circulation d'un flux magnétique à travers un matériau.
Sur l'image de gauche :
- Les lignes de champ (flux magnétique) verticales créées par les bobines du stator, traversent le rotor. Comme le rotor présente une faible réluctance, les lignes de champs sont plus intenses sur le rotor que sur la partie à l'air libre, exerçant ainsi un couple sur le rotor qui le force à tourner pour retrouver l'équilibre. Cette force est le couple reluctant. Ce couple vient s'ajouter au couple magnétique, qui lui est généré par les aimants.
Sur l'image de droite :
- On s'aperçoit que le rotor à tourné pour s'aligner sur les lignes de champ. Le phénomène de réluctance à bien exercé un couple sur le rotor le forçant à tourner.
Les machines à flux axial
Cette catégorie de machine entre dans la famille des machines synchrones, néanmoins l'architecture des aimants, et bobines, modifie le sens des forces produites. La multitude de choix techniques des différents fabricants de machines à flux axial, nous ont poussés à dédier une fiche sur cette technologie de machine.
Consultez la fiche Innovauto sur les moteurs à flux axial.
Les machines asynchrones à flux axial ne sont pas utilisés dans l'automobile, moins efficaces et moins compactes, elles ne sont pas retenues par les constructeurs.
| 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.
|
|---|---|
| Constructeurs concernés | Tous les constructeurs disposent dans leurs gammes, de véhicules électriques ou hybrides. |
| 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 paragraphe "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, machine électrique, rotor bobiné, rotor à aimants permanents, machine synchro-reluctante, stator. |
Méthodes et pratiques
Les techniciens qui interviennent sur les machines électriques peuvent réaliser:
- Contrôles électriques de type résistance, et isolement "haute tension",
- Relevé de commande à l'oscilloscope,
- Remplacement de roulements de la machine électrique, (soit lors de campagne SAV, soit sur une plainte de bruit moteur, ou de façon préventive pour éviter la casse moteur)
- Remplacement de la machine électrique, (suite à la casse de roulements, ou surchauffe avec démagnétisation, ou défaut d'isolement)
- Contrôle/remplacement des balais, (moteur synchrone à rotor bobiné)
- Contrôle/remplacement du capteur résolveur,
- Calibrage capteur de position,
- Diagnostic de fuite d'huile,
- Diagnostic de fuite de liquide de refroidissement,
- Vidange et remplissage d'huile moteur, lors d'intervention sur la machine électrique,
- Vidange et remplissage liquide de refroidissement, lors d'intervention sur la machine électrique.
| Entreprises concernées aujourd'hui | Organismes de formation, Véhicules industriels, 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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