Le moteur-roue électrique

13/01/2013
Publication 3EI 3EI 2010-63
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2010-63:3352
DOI :

Résumé

Résumé : Dans le contexte d’une mobilité terrestre de plus en plus électrique, l’intégration d’un moteur électrique dans une roue est une solution permettant de proposer une architecture innovante pour une véhicule électrique ou hybride électrique. Cette solution présente l’avantage d’une très grande compacité de la fonction motrice permettant de supprimer la transmission mécanique. L’intégration de moteurs dans les roues permet également de réaliser électriquement des fonctions avancées (vrai entrainement à 4 roues motrices, antipatinage…) Dans cet article, nous rappelons que le fractionnement de la motorisation nécessite une optimisation du compromis masse/rendement pour ne pas détériorer les performances globales d’un véhicule équipé de moteurs-roues. La conception des moteurs-roues doit également prendre en compte le positionnement de la fonction motrice afin de limiter sa vulnérabilité en cas de chocs ou de roulage dans des environnements défavorables (eau, neige, boue…) En analysant les qualités relatives de chaque type de moteur électrique, nous montrons que les moteurs synchrones à aimants et les moteurs à réluctance variables sont deux bons candidats pour la réalisation de moteurs-roues. Ceci étant, l’analyse des solutions récemment construites montrent clairement que c’est le moteur à aimants qui est très majoritairement retenu car il présente le meilleur compromis masse, encombrement, couple et rendement, et ce malgré le coût élevé des aimants à base de Néodyme presque toujours utilisés.


Le moteur-roue électrique

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Le moteur-roue électrique Christophe ESPANET Université de Franche-Comté, Institut FEMTO-ST / Département ENISYS Parc Technologique – 2, avenue Jean Moulin – F90000 BELFORT Résumé : Dans le contexte d’une mobilité terrestre de plus en plus électrique, l’intégration d’un moteur électrique dans une roue est une solution permettant de proposer une architecture innovante pour une véhicule électrique ou hybride électrique. Cette solution présente l’avantage d’une très grande compacité de la fonction motrice permettant de supprimer la transmission mécanique. L’intégration de moteurs dans les roues permet également de réaliser électriquement des fonctions avancées (vrai entrainement à 4 roues motrices, antipatinage…) Dans cet article, nous rappelons que le fractionnement de la motorisation nécessite une optimisation du compromis masse/rendement pour ne pas détériorer les performances globales d’un véhicule équipé de moteurs-roues. La conception des moteurs-roues doit également prendre en compte le positionnement de la fonction motrice afin de limiter sa vulnérabilité en cas de chocs ou de roulage dans des environnements défavorables (eau, neige, boue…) En analysant les qualités relatives de chaque type de moteur électrique, nous montrons que les moteurs synchrones à aimants et les moteurs à réluctance variables sont deux bons candidats pour la réalisation de moteurs- roues. Ceci étant, l’analyse des solutions récemment construites montrent clairement que c’est le moteur à aimants qui est très majoritairement retenu car il présente le meilleur compromis masse, encombrement, couple et rendement, et ce malgré le coût élevé des aimants à base de Néodyme presque toujours utilisés. 1. Introduction La mobilité électrique a connu des hauts des bas depuis plus d’un siècle. Les premiers développements de l’automobile, notamment aux États-Unis, ont été réalisés avec des véhicules électriques. On cite très souvent la ‘Jamais Contente’ comme le premier véhicule à avoir dépasser au début du 20ème siècle les 100 km/h [i]. Pourtant c’est avec le pétrole (permettant de stocker beaucoup d’énergie dans une volume réduit et surtout permettant une recharge en énergie du véhicule très rapide) que l’industrie automobile a pris la dimension qu’on lui connaît maintenant. Pourtant, à chaque crise énergétique, dans les années 1970, puis dans les années 1990 et enfin depuis le début des années 2000, le véhicule électrique a fait l’objet de recherches et développements, bénéficiant des avancées technologiques de son époque : l’électronique de puissance et les batteries au Ni-Cd dans les années 1990, les machines à aimants et les batteries au Lithium dans les années 2000 et peut-être demain la pile à combustible. Aujourd’hui, le contexte n’a certainement jamais été aussi favorable : la prise de conscience des populations et des dirigeants de la limitation des ressources énergétiques fossiles, les problèmes environnementaux liés au rejet de CO2 dans l’atmosphère, le développement du vecteur énergétique ‘hydrogène’, sont autant de raisons de penser que l’électrification du véhicule et en cours et que, même si cela prendra encore plusieurs années, les véhicules terrestres vont utiliser des moteurs électriques de plus en puissants associés ou pas à des moteurs thermiques. En effet, les moteurs électriques offrent des performances intrinsèques très intéressantes en comparaison avec les moteurs thermiques. Un entrainement électrique de 100 kW aura un rendement maximal de l’ordre de 90% quand le moteur thermique plafonnera à 40% (cas du moteur à cycle Diesel). Par ailleurs, les moteurs électriques peuvent produire leur couple maximal même à vitesse de rotation nulle. En parallèle, l’introduction de moteurs électriques incite à repenser l’architecture du véhicule électrique. Dans ce contexte, nous nous proposons d’étudier dans cet article la solution originale visant à intégrer un moteur électrique dans les roues des véhicules. La première partie de cet article présente différentes architectures de véhicules électriques (ou hybrides électriques) possibles en prenant le parti de montrer comment passer progressivement d’une architecture adaptée au véhicule à moteur thermique à une architecture utilisant un moteur électrique intégré dans les roues. La deuxième partie détaillent les avantages et les limites de l’utilisation de propulsions électriques avec des moteurs intégrés dans les roues. Ensuite la troisième partie traite des contraintes liées au dimensionnement de moteurs électriques en vue de leur intégration dans une roue. Enfin la quatrième et dernière partie de cet article présente différents exemples récents de moteurs intégrés dans les roues, en essayant de dégager les solutions les plus abouties et de déterminer quel est l’avenir pour ce type de propulsion électrique. 2. Architecture des véhicules électriques Dans cette partie, nous proposons différentes architectures possible pour la propulsion électrique d’un véhicule. Pour cela, nous limitons notre analyse à un véhicule à quatre roues, mais la plus grande partie de l’analyse proposée est également valable pour d’autres types de véhicules (deux roues, véhicules lourds à 6 ou 8 roues…) Il ne s’agit pas ici de faire une présentation exhaustive de toutes les architectures possibles de véhicules électriques, mais plutôt de montrer comment on peut aboutir rationnellement à une structure utilisant des moteurs électriques intégrés dans les roues. Une analyse plus détaillée des architectures peut par exemple être consultée dans [ii]. La voie la plus simple pour réaliser un véhicule électrique est de remplacer le moteur thermique par un moteur électrique. L’architecture mécanique du véhicule est alors totalement conservée et les contraintes de dimensionnement en couple et en vitesse du moteur électrique sont les mêmes que celles du moteur thermique. Notamment, on conserve alors la boîte de vitesse et l’embrayage. La Figure 1 illustre cette première solution. Cette solution n’est pas utilisée en pratique, mais son intérêt serait d’être très proche des véhicules traditionnels. La boîte de vitesse permet la réduction du couple maximal (qui impose au premier ordre le volume du moteur électrique). Ceci étant, la boîte de vitesse crée des creux de couple au moment du changement des rapports de la boîte de vitesse et, pour un moteur donné, limite les zones pouvant être atteintes dans le plan couple vitesse. En fait la boîte de vitesse est bien adaptée aux moteurs thermiques qui ont une zone de fonctionnement optimale (i.e. couple et rendement élevés) limitée dans le plan couple-vitesse. Ainsi, la boîte de vitesse permet d’adapter le couple du moteur au couple nécessaire à la propulsion du véhicule. Or les moteurs électriques sont capables de fournir un couple constant élevé à basse vitesse et de fonctionner à puissance maximale constante sur une grande de vitesse. Il est donc inutile de compliquer et de pénaliser le rendement de la chaîne de propulsion par une boîte de vitesse lors de la propulsion d’un véhicule par un moteur électrique. Figure 1 : Architecture de véhicule électrique avec moteur unique centralisé et boîte de vitesse Figure 2 : Architecture de véhicule électrique avec moteur unique centralisé et réducteur fixe On peut ainsi remplacer la boîte de vitesse par un réducteur unique (cf. Figure 2). Cela permet à la fois de réduire le couple que le moteur électrique doit produire tout en éliminant le problème des creux de couple. La structure reste toujours très proche de l’architecture traditionnelle du véhicule à moteur thermique – avec un moteur central – mais l’avantage est d’avoir pu supprimer le système d’embrayage ce qui améliore l’agrément de conduite, simplifie la chaîne de traction et améliore son rendement. C’est cette solution qui est très majoritairement adoptée dans les véhicules électriques et hybrides électriques actuels (même si dans le cas des véhicules hybrides la chaîne de propulsion, plus complexe, associe mécaniquement plusieurs moteurs électriques et thermiques). Le système centralisé reste toutefois encombrant car il nécessite une transmission pour relier les roues au moteur. De plus, la transmission mécanique, et en particulier le réducteur, peuvent nécessiter un entretien, être à l’origine de bruit et faire chuter le rendement. En outre la répartition de puissance sur les deux ou quatre roues motrices est réalisée mécaniquement grâce au différentiel. Cet ingénieux système limite pourtant le contrôle indépendant de chaque roue. Pour pallier à ce dernier défaut on peut imaginer une solution où la motorisation est répartie sur chaque roue du véhicule : on place à côté de chacune des roues un moteur et éventuellement un réducteur (cf. Figure 3). On utilise dans ce cas relativement souvent l’anglicisme ‘moteur hub’, c’est-à-dire littéralement ‘moteur dans le moyeu’. Cette solution est assez proche de ce qui est actuellement fait sur le bogies des locomotives ou des automotrices : le moteur est rapproché des roues motrices. De fait cette solution a été par exemple utilisé par Alstom pour réaliser un Tramway. La Figure 4 montre le moteur réalisé : il s’agit d’un moteur asynchrone avec un réducteur, le tout étant disposé à côté d’une jante qui vient recouvrir le dispositif. L’encombrement du système complet est tel que Michelin avait alors développé un pneumatique spécifique de grande largeur. L’intérêt d’une telle solution est de pouvoir contrôler de façon indépendante chaque roue. La simplicité mécanique permet d’utiliser des composants (moteurs et réducteurs) classiques, mais cela se fait au prix d’un encombrement plus important que l’intégration directe dans la roue. Finalement la solution ultime consiste à intégrer le moteur complètement dans la roue (cf. Figure 5). Dans ce cas il est difficile (mais pas impossible) d’incorporer également un réducteur et le plus souvent le moteur est en attaque directe. Cette solution permet d’obtenir une grande compacité de la fonction motrice et un contrôle précis (en couple et en vitesse) de chaque roue motrice. Le rendement de la chaîne de traction est optimal puisque cette dernière est réduite à son plus strict minimum. Ceci étant, il ne faut pas nier les difficultés mécaniques d’intégration, la vulnérabilité de la fonction motrice qui est incluse dans sa totalité dans les roues et surtout les contraintes fortes qui portent sur le dimensionnement du moteur (surtout dans le cas d’une attaque directe). Les avantages et les inconvénients de cette solution seront discutés plus en détail dans la partie suivante. Bien entendu, le concept de moteur- roue n’est pas exclusivement lié à l’intégration d’un moteur électrique et des moteurs-roues thermiques ou hydrauliques ont aussi été conçus, mais il faut reconnaître que la géométrie cylindrique des moteurs électriques rotatifs se prête mieux à l’intégration dans une roue. Figure 3 : Architecture de véhicule électrique avec moteurs à proximité des roues Figure 4 : Exemple de ‘moteur hub’ réalisé par la société Alstom Transport pour la traction d’un Tramway Figure 5 : Architecture de véhicule électrique avec moteurs intégrés dans les roues Figure 6 : Architecture de véhicule hybride électrique simplifié avec moteurs électriques intégrés dans les roues arrière et couplage des puissances ‘thermiques’ et ‘électriques’ par la route Figure 7 : Renault NEXT – un exemple de véhicule hybride à moteurs intégrés dans les roues arrière Nous terminerons cette partie en évoquant la possibilité de réaliser une chaîne de traction hybride électrique simplifié grâce à des moteurs intégrés dans les roues. La structure hybride série/parallèle est celle qui offre le plus de possibilités (modes tout électrique et tout thermique, freinage récupératif, accélération avec les pleines puissance thermique et électrique…), mais dans ce cas l’une des principales difficultés est de réaliser le couplage de puissance mécanique produite par le moteur thermique avec celle(s) produite(s) par la(les) machine(s) électrique(s). La solution la plus connue est celle exploitée par la société japonaise Toyota et qui consiste à utiliser un système mécanique qui est un train planétaire épicycloïdal. Ce dispositif permet de réaliser relativement simplement le couplage, mais ne permet pas de piloter librement le moteur thermique et les deux moteurs électriques car des conditions mécaniques doivent être respectées au niveau du train planétaire. L’utilisation de moteurs- roues peut permettre de réaliser ce couplage de façon simplifiée. L’idée est de maintenir la propulsion thermique classique sur les roues motrices, en réduisant la puissance du moteur thermique (on parle usuellement de ‘downsizing’), et d’installer sur les roues non motrices des moteurs-roues, comme représenté Figure 6. Ces moteurs sont alors dimensionnés pour assurer un fonctionnement tout électrique (en mode urbain par exemple), soutenir le moteur thermique sous-dimensionné et fournir de cette manière la même puissance que le véhicule thermique initial et assurer un freinage ou ralentissement récupératifs. On obtient alors un véhicule hybride série-parallèle dont la structure est relativement proche d’un véhicule thermique classique mais qui permet l’utilisation d’un moteur thermique plus faiblement dimensionné et l’exploitation des caractéristiques intrinsèques des moteurs-roues, à savoir leur compacité et leur modularité. Le véhicule NEXT développé par Renault en 1995 en est un premier exemple (cf. Figure 7). Un autre exemple de ce type de véhicule hybride est actuellement en cours de conception dans le cadre du projet PHEBUS (Propulsion Hybride Electrique Bi- mode pour Usages urbains) soutenu par l’ANR et financé par l’ADEME ; il s’agit d’un quadricyle lourd de la marque AIXAM qui sera hybridé selon l’architecture décrite ci-dessus [iii] (cf. Figure 25). 3. Intérêts et limites des moteurs-roues Dans ce paragraphe, nous détaillons les avantages et les inconvénients de l’intégration de moteurs électriques dans les roues d’un véhicule, de façon à dégager ensuite les véhicules qui pourraient être les mieux adaptés à ce type de motorisation. 3.1. Avantages des moteurs-roues Nous commençons par les avantages des moteurs- roues. Le premier avantage est clairement la compacité de la fonction motrice. En effet, le moteur et sa transmission sont tous les deux inclus dans la roue elle- même. La roue aura alors une liaison mécanique au châssis, mais également une liaison électrique (courant fort pour la puissance et courant faible pour les capteurs) et éventuellement une liaison hydraulique pour le refroidissement. Cette compacité est un atout pour un véhicule électrique car cela permet de gagner de la place pour disposer les organes de stockage d’énergie (dont le volume peut être considérable si on souhaite une autonomie importante) et de gestion d’énergie (les convertisseurs statiques et d’éventuels composants de stockage de puissance). L’agencement global des composants du véhicule est donc simplifié et cela permet de mieux positionner le centre de gravité du véhicule pour optimiser le comportement routier. La simplification extrême de la transmission mécanique permet a priori d’optimiser le rendement de la chaîne de traction, si toutefois le rendement de la machine électrique n’est pas pénalisé par l’attaque directe ou la faible place disponible pour intégrer le moteur dans une roue. Quoi qu’il en soit, dans le cas d’une attaque directe, les engrenages sont supprimés ce qui permet de réduire le bruit et les vibrations. Cette suppression devrait également conduire – de ce point de vue au moins – à une limitation de la maintenance et à une augmentation de la fiabilité. Enfin, la possibilité de contrôler indépendamment les quatre roues du véhicule permet de réaliser par voie électronique des fonctions avancées telles que l’anti- blocage des roues (ABS), l’optimisation de la stabilité du véhicule (ESP), mais aussi le pivot. Le contrôle de couple de chaque roue permet ainsi de démarrer presque en toute cisrconstance même si trois roues se trouvent en terrains glissants ou sont embourbées. Le réalisation du pivot (par contre rotation des deux roues d’un même essieu) permet d’améliorer la maniabilité du véhicule. Et la maîtrise du couple sur chaque roue permet d’envisager des franchissement difficiles avec de très fortes pentes (le couple est réglé sur chaque roue au maximum de ce que permet la liaison au sol). 3.2. Limites des moteurs-roues Nous détaillons maintenant les principaux inconvénients des moteurs intégrés dans les roues. 3.2.1. Vulnérabilité de la fonction motrice Le premier inconvénient – le plus évident peut-être – concerne la vulnérabilité de la fonction motrice. En effet, toute la fonction motrice étant dans la roue du véhicule, elle est peu protégée vis-à-vis des chocs et des projections de la route (eau, neige et sel en hiver, sable…) Cela fragilise objectivement le véhicule. Toutefois, l’argument est surtout économique car en ce qui concerne la disponibilité de la fonction motrice, il faut aussi considérer que le fractionnement de la puissance sur plusieurs moteurs augmente la disponibilité (même si celle-ci est en mode dégradé) : dans le cas de deux moteurs, la panne d’un moteur permet de conserver 50% de la puissance (en mode très dégradé car la puissance disponible sur une seule roue tendra à mettre le véhicule en rotation) ; dans le cas de quatre moteurs, la panne d’un moteur permet de conserver 50% de la puissance sans aucun problème de conduite. Finalement, la localisation du moteur dans les roues nécessite un renforcement des organes mécaniques de liaison au châssis et une conception mécanique optimisée de la jante et du rotor de la machine pour absorber les éventuels chocs et une protection/étanchéité renforcée du moteur pour éviter un encrassement pouvant conduire à un vieillissement prématuré. L’idéal est d’avoir un moteur complètement fermé, mais cela nécessite alors un refroidissement par convection forcée fluide ou un sous-dimensionnement thermique pour assurer un refroidissement par convection naturelle. 3.2.2. Surdimensionnement des solutions multi- moteurs Nous consacrons maintenant un paragraphe à une problématique intrinsèque liée au dimensionnement des moteurs électriques dans le cas du fractionnement de la motorisation [iv]. Pour cela nous nous appuyons sur l’étude proposée par [ii]. L’analyse est qualitative et repose sur de nombreuses hypothèses, mais elle permet de mettre en évidence un problème réel lié au fractionnement de la motorisation. Pour mener cette étude, nous considérons une machine simplifiée de type synchrone pour laquelle le couple T s’exprime en fonction du nombre de paires de pôles p, du rayon d’entrefer Re, du volume de la cylindrée Ve (c’est-à-dire le volume du cylindre dont la surface extérieure est au milieu de l’entrefer), de la valeur moyenne de l’induction crée par le rotor dans l’entrefer sous un pôle Be, de la force magnétomotrice statorique par pôle Fp et d’un coefficient lié au bobinage statoriques kb : T = 2kb Ve Be Fp π p Re (1) Il est également supposé que : • La masse totale de la machine électrique Mmot est proportionnelle au volume de la cylindrée : Mmot = km Ve (2) • Les pertes fer peuvent être négligées devant les pertes Joule (limitant la validité des conclusions à de faibles fréquences de conversion d’énergie) ; • Les échauffements ∆T de la machine sont proportionnels au rapport des pertes Joule sur la surface de d’échange extérieure Sext : ∆T = k∆T PJ Sext (3) De plus il est possible de démontrer que les pertes Joule dans la machine sont proportionnelles au produit de la densité surfacique de courant efficace dans les encoches δ par la densité linéique de courant efficace à la surface du stator λ : PJ = kJ δ λ = kJ Fp Senc Fp π p Re (4) où Senc est la surface de toutes les encoches présentes sous un pôle. En ne considérant que les pertes Joule, le rendement du moteur η s’exprime simplement par : η = T Ω T Ω + PJ (5) Pour effectuer la comparaison, nous considérons premièrement le cas mono-moteur et deuxièmement le cas multi-moteurs avec Nm moteurs. Nous supposons en outre que les Nm moteurs sont obtenus en effectuant une homothétie de rapport kh sur toutes les dimensions géométriques du moteur unique de la solution mono- moteur. Dans les calculs qui suivent, toutes les caractéristiques relatives à la solution mono-moteur portent un indice 1 et celles relatives à la solution multi-moteurs portent l’indice 2. Chaque motorisation doit produire le même couple Tmax et atteindre la même vitesse Ωmax. En utilisant l’équation (1), on peut écrire : 2kb1 Ve1 Be1 Fp1 π p1 Re1 = L Nm 2kb2 Ve2 Be2 Fp2 π p2 Re2 ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ (6) L’homothétie ne change pas le type de bobinage ni la polarité de la machine. Donc, s’il est possible d’appliquer le même rapport d’homothétie sur toutes les dimensions géométriques et en particulier sur l’entrefer, on obtient la relation suivante : Fp2 Fp1 = 1 Nm Ve1 Ve2 Re2 Re1 = 1 Nm kh 2 (7) Nous introduisons alors trois ratios pour comparer les performances des deux solutions de motorisation : • ρM, le ratio des masses des deux motorisations, en utilisant la relation (2) : ρM = Nm Mmot2 Mmot1 = NmVe2 Ve1 = Nmkh 3 (8) • ρPJ, le ratio des pertes Joule des deux motorisations, en utilisant les relations (4) et (7) : ρPJ = NmPJ2 PJ1 = Nm Fp2 Fp1 ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ 2 Re1 Re2 Senc1 Senc2 = 1 Nmkh 7 (9) • ρ∆T, le ratio des échauffements des deux motorisations, en utilisant les relations (3) et (9) : ρ∆T = ∆T2 ∆T1 = PJ2 PJ1 Sext1 Sext2 = 1 Nm 2 kh 9 (10) À partir des relations précédentes, on peut considérer deux types de comparaison. La première consiste à maintenir le rendement de la motorisation constante. Pour cela, il est nécessaire de maintenir les pertes Joule constantes, car la puissance électromagnétique des deux motorisations est la même. Dans ces conditions, le rapport d’homothétie vérifie la relation suivante : kh = Nm −1 7 (11) Et, en utilisant les relations (8) et (10), on obtient les expressions des ratios des masses et des échauffements : ρM( )η = Nm 4 7 (12) ρ∆T( )η = Nm −5 7 (13) Nous traçons alors Figure 8 les coefficients de variation de la masse et des échauffements d’une solution multi-moteurs par rapport à une solution mono-moteur. Nous constatons une augmentation de la masse (plus de 100% pour 4 moteurs). Réciproquement, si on souhaite maintenir la masse totale, le rendement sera nécessairement affecté. Nous constatons également une diminution des échauffements, ce qui est logique car la surface d’échange totale augmente alors que les pertes restent les mêmes. On en vient logiquement à la seconde comparaison, qui consiste à maintenir les échauffements constants. Dans ces conditions, le rapport d’homothétie vérifie la relation suivante : kh = Nm −2 9 (14) Et, en utilisant les relations (8) et (10), on obtient les expressions des ratios des masses et des pertes Joule : ρM( )η = Nm 1 3 (15) ρ∆T( )η = Nm 5 9 (16) Nous traçons alors Figure 9 les coefficients d’augmentation de la masse et des échauffements d’une solution multi-moteurs par rapport à une solution mono-moteur. Nous constatons une augmentation de la masse, plus modérée toutefois que dans le cas où le rendement est constant, et une augmentation des pertes qui traduit une diminution du rendement. Figure 8 : Évolution de la masse totale et des échauffements d’une solution multi-moteurs versus une solution mono- moteur en fonction du nombre de moteurs utilisés dans la solution multi-moteurs, à rendement maintenu constant Figure 9 : Évolution de la masse totale et des pertes Joule d’une solution multi-moteurs versus une solution mono- moteur en fonction du nombre de moteurs utilisés dans la solution multi-moteurs, à échauffements maintenus constants En conclusion de ces deux analyses, nous constatons finalement que lors de la segmentation de la fonction motrice, il n’est pas possible de maintenir la masse et le rendement qui se dégradent l’un et/ou l’autre. Au total, cela pénalisera nécessairement l’autonomie du véhicule, soit d’une fait d’une détérioration du rendement, soit du fait d’une augmentation de la masse de la fonction motrice. Une bonne solution de compromis est probablement de maintenir les échauffements constant : avec deux moteurs, les pertes Joule augmentent de 40% et la masse totale de 25%. 3.2.3. Problème des masses non suspendues Une autre problème souvent évoqué par les spécialistes automobiles est la masse des parties non suspendues, c’est-à-dire mécaniquement non supportée par la suspension du véhicule. Pour comprendre ce problème, nous pouvons considérer le véhicule comme un système oscillant à deux ressorts amortis (cf. Figure 10). Le premier ressort modélise le comportement du pneumatique qui est à l’interface entre la route et les masse non suspendues (roue, moteur, système de freinage…) Le second ressort modélise la suspension du véhicule qui se situe entre les parties non suspendues et les parties suspendues (tout le châssis et ce qu’il supporte, dont les passagers). Les irrégularités de la route sont une source d’excitation du système oscillant et sont à l’origine de déformations du pneumatique et de l’amortisseur. Entre deux irrégularités, le système oscillant évolue en revenant à l’équilibre. Il effectue des oscillations dont la fréquence est liée à la raideur des ressorts et aux masses des parties suspendues et non suspendues et dont l’amplitude décroit en fonction des amortissements de la suspension et du pneumatique. Qualitativement, on comprend que si l’effet inertiel de la masse m1 non suspendue est trop grand, il y a d’une part un risque du décollement du pneu (perte d’adhérence) et d’autre part une fréquence d’oscillation plus basse, donc des oscillations qui durent plus longtemps. Cette approche est très schématique, mais elle montre bien les problèmes de tenue de route et de confort liés à des masses non suspendues trop importantes. Ainsi l’augmentation de la masse des roues peut être néfaste au comportement routier du véhicule et la suspension doit être soigneusement dimensionnée pour limiter ces désagréments. Figure 10 : Représentation mécanique simplifiée du comportement vibratoire d’un véhicule : modélisation par un système oscillant équivalent constitué par le pneumatique, la suspension ainsi que les masses suspendues et non suspendues 3.3. Conclusions Finalement, les différents avantages et inconvénients décrits ci-dessus permettent d’envisager le moteur-roue pour les grandes familles suivantes de véhicules. Il s’agit tout d’abord des véhicules mono- moteurs tels que les vélos électriques (on verra plus loin dans cette article que c’est de très loin l’application la plus importante des moteurs-roues) ; ces applications ne sont pas pénalisées par le fractionnement de la motorisation et le postionnement de la masse additionnelle (généralement au centre de la roue arrière ne pénalise pas trop le confort de conduite). Il s’agit ensuite des gros véhicules dont on recherche une mobilité extrême, tels que les véhicules militaires ou tout-terrains ; dans ce cas on peut accepter l’augmentation de la masse (et du coût) dans la mesure où les moteurs-roues confèrent en contrepartie au véhicule des fonctionnalités très difficiles à obtenir par ailleurs (pivot, accélérations très marquées, avancement en terrain très boueux ou très glissant…) En outre les vitesses de déplacement sont généralement relativement faibles et la tenue de route ou le confort routier (liés aux masses importantes non suspendues) ne sont pas des facteurs clés pour ce type de véhicule. Enfin, la réalisation de véhicules hybrides avec un essieu à moteurs-roues peut être pertinente pour de petits véhicules où la variation de masse additionnelles de deux moteurs-roues sera relativement faible devant la masse totale du véhicule, même si le surcoût risque par ailleurs d’être une réelle difficulté. 4. Contraintes de dimensionnement des moteurs- roues et choix du type de moteur Dans ce paragraphe, nous présentons succinctement les principales contraintes de dimensionnement de la machine électrique et de son convertisseur et nous faisons une analyse comparative des différents types de moteurs électriques. Même si l’analyse qui suit est plus spécifiquement orientée vers la réalisation des moteurs- roues, la plupart des arguments sont également vrais dans le cadre plus général des moteurs pour la traction des véhicules électriques. 4.1. Optimisation de l’encombrement et de la masse La première contrainte de dimensionnement est évidente, elle est liée à l’encombrement nécessairement limitée par la jante dans laquelle il faut intégrer le moteur. Or, il est connu que la minimisation du volume d’une machine électrique passe par l’augmentation de la fréquence f de conversion d’énergie qui est égale au produit du nombre de paires de pôles p par la fréquence de rotation n. De là, deux solutions sont envisageables. La première consiste à réaliser un moteur en attaque directe. Cela permet de supprimer tout organe de transmission, mais le couple à fournir est élevé en même temps que la fréquence de rotation est basse. Cela conduit donc naturellement à des machines à (très) forte polarité (à l’image des alternateurs hydrauliques). La deuxième solution consiste à utiliser un réducteur. Cette intégration présente une véritable difficulté d’intégration mécanique dans la roue, mais elle permet de réduire le couple que le moteur doit fournir. Dans ce cas on converge naturellement vers des machines rapides dont la fréquence électrique f est généralement limitée par des contraintes mécaniques liées à la grande vitesse périphérique du rotor ou par les pertes magnétiques dans les tôles statoriques. Dans les deux cas, l’encombrement limité et la fréquence de conversion (permettant l’optimisation du volume de la machine) conduisent à des pertes et des échauffements qui sont d’autant plus difficiles à évacuer que la machine est confinée : à la difficulté de conception d’une machine compacte s’ajoute la difficulté d’intégration du système de refroidissement. Pour les faibles puissance (véhicules deux-roues), le refroidissement est généralement naturel avec assez souvent un système de brassage de l’air à l’intérieur de la machine pour améliorer l’efficacité de la convection et favoriser ainsi l’évacuation de la chaleur. Dans le cas de moteurs de forte puissance, le refroidissement est forcé à l’aide d’un fluide caloporteur tel que de l’eau glycolée (de la même façon que dans un moteur thermique de voiture traditionnelle). Cela permet d’optimiser le volume et la masse de la machine électrique tout en conservant des échauffements compatibles avec la tenue en température des matériaux et la durée de vie recherchée de la machine. Les différents éléments abordés dans ce paragraphe seront illustrés dans la partie 5 avec des exemples concrets. 4.2. Comparaison des différentes machines électriques Dans ce paragraphe, nous passons en revue les différents types de machines électriques tournantes afin de dégager les technologies les plus intéressantes pour la réalisation d’un moteur roue. Les critères de comparaison retenus sont les suivants : • la capacité à produire un couple élevé dans un encombrement donné si on cherche à réaliser un moteur à attaque directe ; • la capacité à atteindre une fréquence de rotation élevée si on cherche à réaliser un moteur associé à un réducteur ; • le niveau de pertes pour un volume et une puissance à fournir donnés de façon à minimiser la consommation énergétique du système de motorisation et à faciliter le refroidissement ; • la facilité de faire varier le flux par pôle de la machine (défluxage) pour obtenir un bon compromis de dimensionnement entre la machine et le convertisseur ; • la simplicité du refroidissement dont on a montré l’importance dans le paragraphe précédent ; • la robustesse de la machine pour tendre vers une machine sans entretien et avec un niveau de fiabilité élevé ; • le coût de la machine que ce soit au niveau de la fabrication ou des matériaux, car c’est un point clé pour des applications automobiles potentiellement de grande série ; • l’électronique de puissance qui doit être prise en compte dans l’analyse de chaque type de machine car tous les moteurs nécessitent un convertisseur statique pour fonctionner en vitesse et couple variables avec un bon rendement, et ce en ayant à disposition une source énergétique qui est presque toujours une source de tension continue plus ou moins fluctuante. La présentation est faite à chaque fois sous forme de tableau pour permettre une analyse plus synthétique. Des compléments sur les principes de fonctionnement et les caractéristiques de chaque type de machine peuvent être consultés dans [ii,v]. Enfin, nous limitons principalement notre analyse à des moteurs à flux radial. Les moteurs à flux axial présentent l’avantage d’avoir une surface d’entrefer plus grande conduisant à un meilleur couple spécifique mais ils posent un problème mécanique d’équilibrage des force axiales, qui est d’autant plus prégnant que le moteur doit être intégré dans une roue et donc peut être soumis à des accélérations très fortes liés à d’éventuels chocs. Peu d’exemples de moteurs-roues à flux axial ont d’ailleurs été publiés à ce jour. 4.2.1. Moteur à courant continu (MCC) Critère Évaluation du critère pour le MCC à excitation bobinée séparée ou à aimants permanents Couple La structure polyphasée de l’induit d’un MCC permet d’atteindre un couple important qui est toutefois limité par la densité de courant limitée au niveau du collecteur, le phénomène de commutation et la saturation magnétique. L’amélioration des deux derniers points nécessite l’utilisation d’enroulement de compensation et de pôles de commutation qui complexifient grandement la construction de la machine. Vitesse La vitesse de rotation d’un MCC est limitée par le système balais/collecteur, même s’il existe maintenant des systèmes autorisant des vitesses périphériques de l’ordre de 50 à 70 m/s. Rendement Le rendement d’un MCC est dégradé par le système balais-collecteur dont les pertes mécaniques (tribologie) et électriques sont en outre difficiles à évaluer. Variation du flux, défluxage La variation du flux d’un MCC est possible et simple pour un rotor bobiné, mais elle est impossible pour un rotor à aimants permanents (qui conduit pourtant aux meilleures performances massiques). Refroidissement Les pertes dans un MCC sont principalement localisées à l’induit qui est tournant, donc le refroidissement est difficile à effectuer (nécessité de joints tournants). Robustesse Le MCC est très bien connu car il a été très longtemps utilisé dans des applications de fort couple (laminoir, traction ferroviaire…) et il est encore très utilisé pour les accessoires automobiles et l’électronique de loisir donc sa construction est bien maîtrisée. Le système balais/collecteur produit cependant les poussières et les balais subissent une usure qui diminue la fiabilité de la machine et nécessite une maintenance régulière. Coût Le coût de l’ensemble convertisseur machine est favorable du fait de l’expérience industrielle, mais munie d’aimants permanents et du fait de la présence du système balais/collecteur, le coût de la machine est finalement plus élevé que celui d’une MAS ou d’une MRVDS par exemple. Électronique de puissance et commande Pour fonctionner dans les 4 quadrants du plan couple/vitesse, le MCC est alimenté par un hacheur de tension constitué d’un pont complet (4 interrupteurs). La commande est relativement simple et très bien maîtrisée aujourd’hui. Le dimensionnement du convertisseur sera plus favorable dans le cas d’une excitation réglable de façon à pouvoir atteindre des vitesses élevées à puissance constante par défluxage. 4.2.2. Moteur asynchrone (MAS) à cage Critère Évaluation du critère pour le MAS à cage Couple Le couple spécifique de la MAS à cage est limité par la saturation magnétique et les pertes rotoriques ; il est généralement plus faible que celui des machines synchrones, surtout lorsque ces dernières sont excitées par des aimants permanents. Vitesse La vitesse d’un MAS à cage peut être très élevée dans le cas d’un rotor à cage à encoches fermées, voire d’un rotor massif, car il n’y a aucun contact tournant et le rotor est mécaniquement ‘homogène’. On peut atteindre des vitesses périphériques allant jusqu’à 300 m/s. Rendement Le rendement d’un MAS à cage est pénalisé par les pertes rotoriques. En effet, la création du couple nécessite l’existence de courants induits dans le rotor qui sont à l’origine de pertes rotoriques souvent importantes. De même la machine étant magnétisée par le stator, cela nécessite en permanence l’existence d’un courant statorique de magnétisation qui pénalise le facteur de puissance et le rendement. Variation du flux, défluxage Grâce au contrôle vectoriel, il est possible de contrôler avec précision le flux dans la MAS à cage au stator et au rotor et donc de fonctionner à puissance constante sur une grande plage de vitesse. Refroidissement Les pertes rotoriques (toujours présentes de par le principe de fonctionnement d’un MAS) sont délicates à évacuer car présentes au niveau d’une partie en rotation. Robustesse Le point délicat d’une MAS à cage se situe au niveau des barres de la cage d’écureuil (qui peuvent vibrer, s’échauffer, se casser, être l’origine de phénomène d’électroérosion…), mais il existe maintenant des méthodes éprouvées de diagnostic en ligne permettant de détecter les défauts et d’effectuer la maintenance de la machine. Coût En l’absence de matériaux coûteux et du fait de la standardisation de la fabrication, le coût de la MAS à cage peut être très compétitif (ce qui explique son utilisation très rependue dans les procédés industriels). Mais cet argument est à relativiser dans le cas de la réalisation d’un moteur-roue qui est une machine spéciale plutôt conçue en dehors des standards industriels. Électronique de puissance et commande L’électronique de puissance d’alimentation d’une MAS à cage est un onduleur de tension fonctionnant en MLI afin de contrôler les courants statoriques et par suite contrôler l’amplitude et la phase du flux dans la machine. Son coût est comparable à celui des onduleurs utilisés pour les machines synchrones, si ce n’est que le facteur de puissance étant souvent plus faible, cela induit un surdimensionnement en courant de interrupteurs. 4.2.3. Moteur synchrone à rotor bobiné (MSyRB) Critère Évaluation du critère pour le MSyRB Couple Le couple pouvant être produit par un MSyRB est limité par la saturation magnétique et les échauffements statoriques. Pour un volume donné, il est plus élevé que dans le cas de la machine asynchrone, mais plus faible que pour une machine synchrone excitée par des aimants permanents. Le système bague balais est par ailleurs encombrant et détériore donc le couple volumique. Vitesse La vitesse de rotation d’un MSyRB est limitée par le bobinage rotorique (surtout dans le cas de pôles saillants) et le contact tournant permettant l’alimentation de ce bobinage Rendement Le rendement d’un MSyRB est bon. À noter toutefois que les pertes Joule d’excitation peuvent être élevées pour une machine compacte. Le rendement est moins élevée à basse vitesse que pour une machine à aimants qui ne nécessite pas d’excitation, mais il peut devenir meilleur à haute vitesse car le défluxage de la machine à aimant peut nécessiter l’augmentation du courant statoriques alors qu’il suffit de réduire le courant d’excitation pour la machine à rotor bobiné. Variation du flux, défluxage Le flux d’un MSyRB est facilement réglable par action sur le courant d’excitation. Refroidissement Le refroidissement du rotor d’un MSyRB est complexe mais les pertes qui y existent ne sont pas très élevées sauf pour une machine très compacte. Robustesse La robustesse du MSyRB est limitée par le è b /b l i i l fi bili é système bague/balais, mais la fiabilité est généralement bonne. Coût Le coût d’un MSyRB est plus élevé que pour la MAS à cage du fait du bobinage rotorique qui peut être complexe dans le cas d’une machine à rotor lisse. Électronique de puissance et commande Le MSyRB peut être alimenté par un onduleur de courant à thyristors qui est une solution simple et peu coûteuse, même s’il ne faut pas omettre la nécessité d’une inductance de lissage permettant la réalisation de la source de courant. Cette inductance elle-même peut être volumineuse et coûteuse. Le dimensionnement des composants de puissance est généralement optimal car le facteur de puissance est toujours proche de l’unité et le défluxage est réalisé par l’alimentation du rotor. 4.2.4. Moteur synchrone à aimants permanents (MSyAP) Critère Évaluation du critère pour le MSyAP Couple Le couple spécifique d’un MSyAP est très élevé, car on peut atteindre la même induction d’entrefer que dans une machine synchrone à rotor bobiné avec un volume rotorique plus faible, surtout dans le cas d’excitation par des aimants permanents à base de terres rares (Néodyme ou Samarium) et lorsque les aimants sont enterrés (grâce au couple de saillance). L’encombrement n’est pas pénalisé par un système de contacts tournants. Vitesse La vitesse de rotation d’un MSyAP est surtout limitée par la tenue mécanique des aimants, mais aussi les pertes magnétiques dans les tôles statoriques et les aimants permanents (si ceux-ci sont conducteurs). On peut atteindre des vitesses périphériques allant jusqu’à 200 m/s avec des aimants enterrés ou des aimants surfaciques frettés. Rendement Le rendement d’un MSyAP est bon du fait de la possibilité d’avoir une induction d’entrefer élevée, mais il peut-être pénalisé par la forme de l’induction qui peut avoir un contenu harmonique riche et par l’existence de pertes dans le rotor (aimants permanents et culasse) du fait de l’existence de courants de Foucault. Il peut aussi être pénalisé par la nécessité d’injecter dans la machine un courant statorique négatif dans l’axe d pour réduire le flux et accélérer la machine à puissance constante. Variation du flux, déluxage Le principal problème de la MSyAP réside dans le fait que le flux des aimants est fixé par la géométrie de la machine et la température. Le seul moyen de faire varier le flux est d’injecter un courant statorique produisant un flux en opposition de phase avec celui créé par le rotor : ce courant ne permet pas de produire du couple mais il permet de diminuer le flux créé par les aimants permanents. Ce courant supplémentaire peut être à l’origine de pertes Joule additionnelles. Ce point sera vu plus en détail dans le paragraphe 4.3. Refroidissement Le refroidissement d’un MSyAP est relativement simple car, si les pertes rotoriques sont maîtrisées, seul le stator doit être refroidi. Robustesse Le MSyAP est relativement robuste. Les seuls aspects à noter sont d’une part la tenue mécanique et en température des aimants permanents, et d’autre part les inductances généralement faibles qui peuvent provoquer des dv/dt importants lors d’alimentation par onduleurs de tension en MLI, ces dv/dt pouvant être à l’origine de courants de fuite détériorant les paliers ou de décharges partielles détériorant les bobinages. Mais cela peut aussi être le cas avec des MAS. Coût Le coût d’un MSyAP est l’autre point négatif des machines à aimants permanents. En effet, pour être vraiment performantes, ces machines doivent utiliser des aimants à base de terres rares (Néodyme ou Samarium). Or ces matériaux sont intrinsèquement onéreux. En outre leur production est quasiment exclusivement localisée en Chine qui depuis 2009 spécule régulièrement sur ces matériaux en augmentant leur coût ou en limitant la quantité exportée. Électronique de puissance et commande L’électronique de puissance alimentant un MSyAP est un onduleur de tension contrôlé en courant par MLI comme pour la machine asynchrone. Le dimensionnement en courant est lié à la plage de défluxage possible et au facteur de puissance de la machine qui peut être mauvais lors du fonctionnement défluxé. 4.2.5. Moteur synchrone à réluctance variable (MSyRV) Critère Évaluation du critère pour le MSyRV Couple Le couple spécifique d’un MSyRV est lié au facteur de saillance, c’est-à-dire au rapport de l’inductance dans l’axe direct Ld sur l’inductance dans l’axe transverse Lq. Plus ce rapport est important, plus le couple sera élevé. Or pour obtenir un rapport élevé, on a recourt à des rotors très particuliers (par exemple des rotors axialement laminés ou des rotors à barrières de flux) qui peuvent être difficiles et coûteux à réaliser. Il est donc difficile d’atteindre des couples spécifiques comparables aux MSyAP avec de telles machines. Vitesse La vitesse des MSyRV est limitée par la topologie du rotor. En effet pour obtenir un couple spécifique élevé, il faut avoir recourt à une machine constituée de plusieurs matériaux magnétiques et non magnétiques, ce qui a tendance à déséquilibrer la machine et à la rendre moins résistante aux forces d’inertie importantes à haute vitesse. Rendement Comme pour la MAS, le champ magnétique dans la MSyRV est créé par les courants statoriques, mais avec un bon rapport Ld/Lq, le courant nécessaire peut être faible et la machine est moins pénalisée que la MAS. Les pertes au rotor sont très faibles. Au total, le rendement peut être élevé. Variation du flux, défluxage Le flux dans la MSyRV est réglé par la phase du courant statorique comme pour la machine à aimants permanents. Là encore, la plage de défluxage sera d’autant plus grande que le rapport Ld/Lq sera élevé. Refroidissement Le refroidissement des machines à réluctance est simple car les pertes sont très majoritairement localisée au stator. Robustesse La MSyRV est très robuste : le rotor est passif (pas de contacts tournants) et il est faiblement influencé par les paramètres d’environnement tels que la température. Notons toutefois que les rotors composites à fort Ld/Lq peuvent présenter des difficultés de tenue mécanique. Coût L’absence d’aimants, le rotor passif et le stator très classique conduisent à un coût de machine relativement limité. Mais il faut prendre en compte le coût de l’électronique de puissance qui, encore une fois, sera très lié au rapport Ld/Lq. Électronique de puissance et commande Une MSyRV est alimentée par un onduleur de tension contrôlé en courant comme une MASAP. Le dimensionnement en courant de l’onduleur est principalement influencé par le rapport Ld/Lq de la machine. Plus ce facteur est faible, plus grand sera courant absorbé par la machine, d’où le surdimensionnement du convertisseur (et le surcoût) et la diminution du rendement. 4.2.6. Moteur à réluctance variable à double saillance (MRVDS) Critère Évaluation du critère pour le MRVDS Couple Les MRVDS ne fonctionnent pas comme les machines synchrones par interaction de champs tournants mais pas attractions de dents (ou plots) magnétiques. Dans le cas de machines à grand nombre de dents, le couple spécifique peut être très élevé et voisin de celui obtenu avec des MSyAP. Vitesse Les MRVDS sont de bonnes candidates pour atteindre des vitesses de rotation élevées. Pour ces machines, la vitesse est principalement limitée par les pertes aérodynamiques et la résistance du rotor au forces d’inertie. La vitesse périphérique peut atteindre jusqu’à 300 m/s. Rendement Si la MRVDS est saturée, le ‘coût’ énergétique de la magnétisation tend à s’annuler. Comme les pertes rotoriques sont très faibles, le rendement est donc plus élevé que celui d’une MAS et comparable voire supérieur à celui d’une MSyAP. Variation du flux, défluxage Le fonctionnement à puissance constante des MRVDS est plus complexe car ces moteurs ne sont pas alimentés par des courants sinusoïdaux (sous peine de perdre l’intérêt de ces machines en terme de couple spécifique). Le ‘défluxage’ est obtenu en décalant la démagnétisation des dents, mais il faut optimiser la forme des dents ainsi que la phase de démagnétisation pour augmenter la plage de vitesse en régime de défluxage sans développer un couple trop pulsatoire et sans pénaliser le rendement. Refroidissement Le refroidissement des MRVDS est simple car seul le stator est à l’origine de pertes importantes. Mais dans ce type de machine les bobinages sont concentrés (ce qui est un avantage en terme de coefficient de remplissage en cuivre) et la surface de contact fer/cuivre est plus faible ce qui augmente la résistance thermique entre les bobines et le circuit magnétique statorique et par conséquent la température du cuivre pour des pertes données. Robustesse La MRVDS est de construction très simple (surtout en l’absence d’excitation par des aimants permanents) et la fiabilité est très bonne. Le seul problème concerne les variations des forces magnétiques existantes au niveau des dents rotoriques et statoriques. Pour obtenir un couple moyen élevé, il est nécessaire de disposer de forces tangentielles importantes. Or les forces tangentielles importantes vont inévitablement s’accompagner également de forces normales intenses. Les variations de ces forces peuvent être à l’origine de vibrations et de bruit acoustique. Coût La construction simple et l’absence d’aimants permettent de limiter le coût de la machine, même si, en comparaison avec la MSyAP, la présence d’aimants de bonne qualité permet par ailleurs de réduire la quantité de fer et de cuivre. Électronique de puissance et commande Chaque phase est indépendante et elles est alimentée par un demi-pont asymétrique. Au total, le nombre de composant ne change pas mais la structure n’est pas très commune et elle n’est pas intégrée dans des modules industriels. Si la machine est optimisée (‘bien’ saturée) le dimensionnement des composants semi- conducteurs peut être plus bas que celui d’une MSAP défluxable. 4.2.7. Synthèse de la comparaison des machines électriques Le moteur à courant continu est principalement pénalisé par le système balais/collecteur que ce soit au niveau de l’encombrement, de la fiabilité ou du rendement. Le moteur asynchrone est de construction simple, il est relativement économique mais il est trop limité en couple spécifique et en rendement pour être un bon candidat pour l’intégration dans une roue. Le moteur synchrone à rotor bobiné présente de bonnes qualités en terme de couple spécifique, mais le système bague/balais ne favorise pas l’intégration dans une roue à cause de l’encombrement et du refroidissement du rotor. Les deux moteurs les plus favorables sont donc le moteur synchrone à réluctance variable et le moteur synchrone à aimants permanents. Nous verrons dans la prochaine partie que la machine la plus utilisée est la machine synchrone à aimants permanents, du fait de ses performances inégalées en terme de couple spécifique et de rendement et ce malgré le coût élevé lié aux aimants. 4.3. Optimisation de l’ensemble machine et convertisseur statique Comme nous l’avons évoqué dans le précédent paragraphe et comme nous le verrons dans la partie suivante, la machine synchrone à aimant permanents est la machine la plus utilisée dans la réalisation des moteurs-roues. Nous allons donc nous intéresser maintenant dans cette partie aux contraintes liées au convertisseur statique pour l’alimentation de cette machine. Le convertisseur statique utilisé pour l’alimentation des machines synchrones à aimants permanents est l’onduleur de tension. Pour contrôler le couple de la machine, l’onduleur est commandé en MLI (Modulation de Largeur d’Impulsion) de façon à contrôler la forme des courants statoriques (amplitude et phase pour un courant sinusoïdal). Pour atteindre les fréquences de rotation les plus élevées, il est également possible de ne plus contrôler que la phase des tensions statoriques (fonctionnement en pleine onde). L’onduleur de tension est principalement constitué de deux parties. La première correspond aux interrupteurs de puissance. Leur type (IGBT, MOS…) et leur nombre dépend de la structure du convertisseur, des calibres de tension et de courant, des fréquences de travail… Nous nous limiterons ici à la structure la plus classique contenant six interrupteurs montés en pont de Graëtz. Les deux principaux critères de dimensionnement qui vont permettre de choisir le calibre des interrupteurs (en fait la quantité de silicium) sont la tension maximale à tenir à l’état bloqué et le courant maximal à commuter pour chaque interrupteur. Pour l’onduleur deux niveaux à six transistors, la tension maximale à tenir à l’état bloquée est simplement égale à la tension du bus continu. Quant au courant maximal à commuter, il est défini par le courant maximal qui circule dans les phases de la machine à aimants et par le déphasage du fondamental du courant par rapport au fondamental de la tension (le facteur de puissance en régime sinusoïdal). Or ce courant est essentiellement lié aux nombre de spires Ns dans les bobines statoriques de la machine. En effet, le couple maximal produit par la machine est proportionnel à la force magnétomotrice sous un pôle (cf. équation (1)), qui est elle-même proportionnelle au produit du nombre de spires Ns et du courant efficace (dans le cas d’une machine à répartition du champ sinusoïdal). Pour fournir un certain couple tout en minimisant le courant efficace, il convient alors d’augmenter le nombre de spires. Mais dans ce cas, en appliquant la pleine tension et en maintenant le courant en phase avec la force électromotrice, la vitesse maximale peut ne pas être atteinte. La solution évidente est de diminuer le nombre de spire pour pouvoir augmenter la vitesse, mais alors le courant pour produire le couple maximal augmente et provoque un surdimensionnement en courant des interrupteurs de puissance (et également des câbles et des connecteurs par la même occasion). La solution est alors de réduire le flux créé par les aimants en appliquant un courant qui créé un champ en opposition de phase avec le champ produit dans les aimants (défluxage). Lorsque la pleine tension est atteinte, la vitesse est alors augmentée en déphasant le courant par rapport à la force électromotrice (application d’un courant négatif dans l’axe d). Cette technique permet d’augmenter la vitesse simplement tout en ayant un nombre de spires élevé (donc un courant de phase limité), mais elle n’est vraiment efficace que si la réduction du flux ne nécessite pas d’appliquer un courant dans l’axe d trop intense, car cela induirait des pertes Joule additionnelles trop importantes. Pour cela il est nécessaire de posséder des machines dont l’inductance dans l’axe d est importante. De ce point de vue, les machines à aimants enterrés et à concentration de flux sont ainsi plus intéressantes que les machines à aimants déposées en surface ; on dit que ces machines sont défluxables. L’utilisation de machine à double excitation est aussi une solution intéressante : le flux maximal est produit par les aimants et un bobinage additionnel permet de réduire le flux. Mais il faut reconnaître que les machines avec aimants montés en surface – surtout dans le cas d’une attaque directe – sont plus simples à intégrer dans une jante : on peut utiliser une structure inversée avec le rotor extérieur et déposer directement la jante sur le rotor. En résumé, le dimensionnement des interrupteurs de puissance d’un onduleur de tension alimentant une MSyAP résulte principalement d’un compromis au niveau du choix du nombre de spires : ce nombre de spires doit être le plus grand possible pour minimiser le courant statorique à commuter pour produire le couple maximal et il ne doit pas être trop élevé pour ne pas induire trop de pertes Joule à vitesse élevée du fait de l’existence du courant (négatif dans l’axe d) permettant de défluxage. La deuxième partie de l’onduleur de tension qu’il faut dimensionner est le filtre d’entrée permettant la stabilisation de la tension du bus continu et le lissage du courant absorbé sur le bus continu. Ce filtrage est généralement réalisé par un filtre LC : le condensateur stabilise la tension qui est commutée par l’onduleur et la bobine du condensateur lisse le courant. Le lissage du courant est d’autant plus important si ce courant est débité par une batterie car les variations importantes du courant de batterie peuvent accélérer son vieillissement. Dans le cas d’une machine à répartition de champ sinusoïdale, le courant absorbé sur le bus continu sera d’autant plus ondulé que le déphasage du courant par rapport à la tension sera important. Ainsi, si on souhaite effectuer un défluxage important de la machine, il sera nécessaire de dimensionner correctement le filtre en tête du convertisseur. 5. Quelques exemples de moteurs-roues Dans cette partie nous présentons maintenant quelques exemples de moteurs-roues. Nous nous limitons préférentiellement à des exemples récents et à des moteurs-roues qui ont été réellement montés sur des véhicules prouvant ainsi leur fonctionnalité. 5.1. Le moteur-roue : une idée ancienne Il convient tout d’abord de rappeler que le moteur- roue électrique n’est pas une idée neuve. Nous trouvons la première trace dans un brevet américain de 1884 (cf. Figure 11). En 1898, Ferdinand Porsche développa un véhicule hybride à moteurs électriques intégrés dans les quatre roues (cf. Figure 12). La Lohner-Porsche possède à la fois un moteur thermique et des moteurs électriques alimentés en énergie électrique par une batterie. Ces deux exemples montrent que l’idée d’intégrer un moteur dans une roue a plus d’un siècle et est apparu pratiquement en même temps que les premiers moteurs électriques produits industriellement et en même temps que les premiers développement des véhicules à quatre roues motorisés. Figure 11 : Moteur-roue du brevet de W. Adams Figure 12 : Moteur-roue de la Lohner-Porsche hybride 1898 Figure 13 : Moteur-roue et vélo électrique de Wavecrest Laboratories 5.2. Des applications dans les véhicules à deux roues Les véhicules à moteur-roue les plus repandus sont sans aucun doute les véhicules à deux roues, au premier rang desquels le vélo électrique. En effet, le développement à grande échelle (très grande échelle en Chine) du vélo à assistance électrique s’est accompagné du développement de moteurs électriques intégrés dans la roue de ces vélos. Des développements moins nombreux ont également vu le jour pour la motorisation de scooters ou de motos électriques, principalement en Chine également. Dans ce paragraphe nous présentons deux exemples de moteurs-roues pour véhicules à deux-roues. Le premier exemple concerne le moteur développé en 2005 par Wavecrest Laboratories pour l’armée américaine, puis installé sur des vélos à destination du grand public (toutefois plutôt haut de gamme) [vi]. Ce moteur équipe les roues avant et arrière d’un vélo (cf. Figure 13). Il s’agit d’un moteur synchrone à aimants permanents montés en surface et à bobinages dentaires, monté dans la roue en attaque directe. Le constructeur annonce une puissance maximale de 750 à 1000 W et une couple maximal de 80 N.m pour un refroidissement par convection naturelle et une alimentation par un bus continu de 36 V. La masse n’est pas connue avec précision, mais en 2010, ces performances font de ce moteur le plus puissant sur le marché des vélo électriques. Nous citons également un deuxième exemple de moteur-roue utilisé dans des véhicules à deux roues. Il s’agit du moteur-roue développé par Ez-Wheel [vii]. La société française Ez-wheel, créée en 2010, s’est spécialisée dans le développement de moteurs-roues électriques pour tout type de véhicule (scooters, vélos, triporteurs, brouettes, lits médicalisés…) Le constructeur donne des informations pour un moteur- roue de 10’’ destiné à de la manutention. La technologie du moteur est de type synchrone à aimants permanents, sans plus d’informations sur la disposition des aimants ou le type de bobinage. Le couple maximal vaut 70 N.m, la puissance en régime S1 vaut 180 W et la vitesse de rotation maximale vaut 100 tr/min (7 km/h). Le moteur intègre un réducteur de rapport voisin de 3 et la masse totale de la roue (moteur, réducteur et jante) vaut 10 kg. La température de fonctionnement est comprise entre -20 et + 60°C. La particularité des développements de cette société est de fournir une solution clef en main de traction électrique à base de moteur-roue : le constructeur fournit la roue électrique, mais également une batterie et une interface de pilotage du moteur sans fil. Figure 14 : Moteur-roue Ez-Wheel 5.3. Les moteurs-roues de la société TM4 Nous présentons dans ce paragraphe les moteurs- roues de la société TM4 [viii]. Cette société est historique sur le marché des moteurs-roues. En effet, TM4 a été créée pour poursuivre les travaux initiés par Pierre Couture au sein d’Hydro Quebec sur le moteur- roue dans les années 1980. Aujourd’hui TM4 développe des solutions pour véhicules électriques et hybrides, mais aussi pour la production d’énergie (éoliennes et groupes électrogènes). La Figure 15 présente le moteur-roue développé dans les années 1990. Il s’agit d’une structure synchrone triphasée à attaque directe, à aimants montés en surface et à bobinages répartis (cf. Figure 15). Cette structure convient très bien à l’intégration directe dans la roue. Elle a toutefois été abandonnée au profit d’une structure de type ‘moteur hub’ (cf. Figure 16). TM4 donne en référence le véhicule Citroën C-Métisse (cf. Figure 17). Il s’agit d’un ‘véhicule hybride doté d’un système de motorisation diesel hybride qui combine un moteur à combustion à l’avant, couplé avec deux moteurs-roues électriques TM4 à attaque directe dans les roues arrières du véhicule’. Pour ce véhicule, les performances indiqués par le constructeur sont les suivantes (pour chaque roue) : • puissance en continu : 15 kW ; • couple maximal : 300 N.m ; • vitesse maximale : 1900 tr/min ; • refroidissement par liquide. Au niveau technologique, le rotor est extérieur pour maximiser la rayon d’entrefer et donc le couple spécifique. Les aimants sont montés en surface et leurs formes sont optimisées pour minimiser le couple de détente. Le bobinage réparti utilise du fil méplat permettant de maximiser le remplissage et l’évacuation de la chaleur, autorisant ainsi une densité de courant plus importante qu’avec du fil rond. La forme des tôles statoriques utilisant des encoches rectangulaires non fermées permet de faciliter le réalisation du stator. Figure 15 : Moteur-roue TM4 développé dans les années 1990 Figure 16 : Moteur hub TM4 développé dans les années 2000 Figure 17 : Citroën C-Métisse équipés de deux moteurs- roues TM4 sur l’essieu arrière 5.4. Les moteurs-roues de la société Magnet Motors Un autre acteur important des moteurs-roues est la société allemande Magnet Motors [ix]. Cette société développe des moteurs-roues depuis les années 1980 et a intégré des moteurs dans de nombreux véhicules, surtout dans des véhicules lourds militaires ou civils. La Figure 18 présente la technologie développée dans les années 1990. Il s’agissait d’une technologie très proche de celle développée dans les mêmes années par TM4 : moteur synchrone à rotor extérieur et aimants montés en surface. Le bobinage, quant à lui, est de type dentaire. Aujourd’hui les moteurs proposés par Magnet Motors sont à rotor intérieur et intègre un réducteur planétaire pour optimiser l’encombrement du moteur- roue. Le Tableau 1 précise les caractéristiques de deux motoréducteurs pour intégration dans une roue. Notons que le refroidissement est effectué par conversion forcée avec un liquide de type eau glycolée (50%- 50%). Les deux moteurs triphasés sont dimensionnés pour être alimentés sous 800 V max. Le fonctionnement autorise un fonctionnement avec une surpuissance d’environ 25% par rapport à la puissance continue (150 kW au lieu de 120 kW pour le moteur M69 par exemple). 5.5. L’Active-Wheel de Michelin Nous consacrons maintenant un paragraphe à l’Active-Wheel de Michelin. Il s’agit d’une roue électrique intégrant non seulement un moteur de propulsion très compact mais également une suspension électrique et un système de freinage permettant de fournir une solution complète de propulsion électrique intégrée dans une roue (cf. Figure 19) ; seul le convertisseur est ‘délocalisé’. Contrairement à TM4 et Magnet Motors, Michelin a choisi de concevoir un moteur très rapide avec un fort rapport de réduction, permettant de converger vers une solution extrêmement compacte. Les caractéristiques techniques de la machine de traction sont les suivantes : • machine à aimants permanents à rotor intérieur à concentration de flux ; • puissance continue : 30 kW ; • vitesse de rotation maximale : 18 000 tr/min ; • fréquence d’alimentation à la vitesse maximale : 900 Hz ; • masse totale de la machine électrique seule : 5,8 kg ; • refroidissement : convection forcée à eau. Figure 18 : Moteur-roue Magnet Motors développé dans les années 1990 Tableau 1 : Exemples de caractéristiques de moteurs-roues produit par Magnet Motors Caractéristique Moteur M69 Moteur M70 Illustration Puissance continue (kW) 120 50 Couple maximal (N.m) 2130 1050 Vitesse de rotation maximale (tr/min) 3210 2200 Dimensions Ø 478mm x 180 mm Ø 437mm x 134 mm Masse du moteur- roue (kg) 90 34 Type de refroidissement liquide liquide Plusieurs brevets [x] ont été déposés par Michelin concernant la construction de la machine électrique. Ces brevets permettent de disposer de plus d’informations sur la technologie de la machine. La Figure 20 présente le stator de la machine : le bobinage est réalisé par le ‘fond’ de l’encoche, ces dernières étant fermées. L’ensemble constitué des 18 dents et des bobinages triphasés est ensuite assemblé sur la culasse statorique permettant un bobinage plus aisé et un assemblage plus simple. De façon à améliorer le transfert thermique dans le stator, ce dernier est imprégné avec une résine particulière constituée de résine époxy chargée (farine de silice, alumine). Le rotor est présenté Figure 21. Il est constitué de 6 pôles et les aimants sont enterrés et aimanté tangentiellement de façon à réaliser une concentration de flux. Des cales métalliques (probablement non magnétiques) permettent la tenue des aimants et les pôles sont réalisés en tôles magnétiques solidarisées par des tirants. Cette technologie est plus simple à réaliser au niveau de la disposition des aimants dans le circuit magnétique rotorique car il n’est plus nécessaire de coller les aimants. Ceci étant, l’assemblage des pôles feuilletés et des aimants en une pièce pouvant tenir la vitesse de rotation de 18000 tr/min présente d’autres difficultés en terme d’équilibrage et de tenu mécanique. Les aimants enterrés de cette manière conduisent à un fort effet de saillance qui permet de réduire la quantité de silicium du convertisseur (augmentation de la plage de défluxage), de bénéficier d’une induction élevée dans l’entrefer et d’un couple de saillance marqué. L’ensemble de ces avantages a permis la réalisation d’une machine ayant une densité spécifique de puissance supérieure à 5 kW/kg. La Figure 22 présente deux véhicules équipés de l’Active-Wheel. Il s’agit d’une part d’un véhicule de sport (la Venturi Volage) et d’un véhicule urbain (Heuliez WILL), montrant la diversité des applications possibles, exploitant les performances importantes du moteur-roue et/ou la compacité extrême de la fonction motrice. Figure 19 : Active Wheel de Michelin Figure 20 : Stator de l’Active Wheel de Michelin Figure 21 : Rotor de l’Active Wheel de Michelin (a) (b) Figure 22 : Exemple de véhicule équipés de l’Active-Wheel e Michelin : (a) Venturi Volage (véhciule de sport) – (b) Heuliez WILL (véhicule urbain) 5.6. Les moteurs-roues de la société Novelté Système Nous terminons cette revue d’exemples de moteurs- roues par les réalisations de la société Novelté Système (anciennement Technicréa). Les développements ont toujours été réalisés en étroite collaboration avec le département ENISYS de l’Institut FEMTO-ST (anciennement l’Institut de Génie Énergétique, puis le Laboratoire d’Électronique, Électrotechnique et Systèmes). La société Novelté a développé à la fin des années 1990 un vélo électrique et le moteur-roue spécifique à attaque directe associé (cf. Figure 23). Il s’agit d’un moteur synchrone à aimants permanents à 26 pôles (pour maximiser le couple spécifique). Sa puissance nominale vaut 250 W, sa vitesse de rotation maximale vaut 250 tr/min (35 km/h) et il est capable de produire un couple maximal de 30 N.m. Le rotor est extérieur et possède des aimants montés en surface. La machine est à bobinages répartis à une encoche par pôle et par phase, produisant des forces électromotrices trapézoïdales. De façon à exploiter au mieux les harmoniques de la fém, la machine est alimentée par des quasi-créneaux de courant. La tension d’alimentation est de 36 V et l’électronique de puissance est intégrée au centre du stator. Le moteur est refroidi par convection naturelle grâce à un système de picots disposés sur les flasques du rotor et du stator qui permettent un brassage de l’air lors de la rotation du moteur. La masse totale de la roue est inférieure à 10 kg. Figure 23 : Vélo électrique développé par Novelte et moteur- roue spécifique développé en collaboration avec l’Institut FEMTO-ST Tableau 2 : Caractéristiques de deux moteurs-roues pour applications militaires développés par Novelté Système et l’Insititut FEMTO-ST Caractéristique Moteur A Moteur B Illustration Taille de la roue 22,5’’ 27’’ Réducteur Attaque directe Réducteur de rapport 3.75 Puissance continue (kW) 30 45 Puissance maximale (kW) 60 100 Couple maximal à la roue mesuré (kN.m) 6 pendant 60s 22 pendant 20s Vitesse de rotation maximale (tr/min) 400 435 Tension du bus continu (V) 540 à 600 540 à 800 Masse moteur-roue complet (kg) 150 300 Type de refrodissement Eau glycolée Eau glycolée (a) (b) Figure 24 : Moteur-roue Novelté/FEMTO à réluctance excité et à rebouclage transversal de flux : (a) prototype de 2 kW, (b) dessin CAO d’un prototype de 30 kW Figure 25 : Moteur-roue Novelté/FEMTO pour le projet PHEBUS Sur la base de la même technologie, Novelte et FEMTO-ST ont également conçu des moteurs-roues pour des véhicules lourds dans le cadre de contrats avec la DGA. Le Tableau 2 précise les caractéristiques de deux moteurs-roues prototypes réalisés et testés. À notre connaissance le moteur-roue B est le moteur intégré dans une roue produisant le plus fort couple à l’échelle mondiale. Novelte et FEMTO-ST ont aussi développé un moteur-roue sur la base d’une autre technologie. Il s’agit d’un moteur à réluctance variable excité à effet Vernier et rebouclage transversal du flux. Le rotor est extérieur. Le moteur-roue (dans une jante de 22,5’’) est à attaque directe, la puissance en régime S1 vaut 30 kW et la vitesse maximale vaut 400 tr/min. Le couple maximal que le moteur est capable de fournir est de 3200 N.m pendant 60s. Le moteur est constitué de circuit magnétiques en forme de U – également dénommés ‘arceaux’ – disposés de telle sorte que la base du U soit dans la direction axiale et que les deux ‘jambes’ soient dans la direction radiale. Les U statoriques sont bobinés et les U rotoriques sont excités par des aimants permanents. Pour un cahier des charges comparable au moteur A du Tableau 2, l’effet de la saturation magnétique qui provoque des flux de fuite entre les arceaux rotoriques et statoriques limite le couple maximal à 3200 N.m au lieu de 6000 N.m pendant la même durée de 60s. Le refroidissement est du même type dans le deux cas (convection forcée avec eau glycolée). Enfin, plus récemment, Novelte et FEMTO-ST ont développé un moteur-roue pour véhicule hybride urbain dans le cadre du projet PHEBUS (cf. Figure 25). Ce moteur est toujours de type synchrone à aimants montés en surface et rotor extérieur, mais il utilise un bobinage autour des dents au stator [iii]. Le rotor contient 34 aimants et le stator 36 dents. Le bobinage est triphasé et toutes les dents sont bobinées (deux bobines par encoche). Cela permet de réduire le couple de détente très fortement et, avec l’ouverture d’encoche choisie, cela permet également d’obtenir des forces électromotrices très sinusoïdales. Le moteur, intégré dans une jante de 15’’, a une puissance continue de 1,5 kW, une puissance maximale de 4,5 kW, il produit un couple maximal de 240 N.m en attaque directe pendant 12s et il peut atteindre la vitesse de rotation de 600 tr/min. Le refroidissement se fait par convection naturelle et la tension du bus continu du véhicule est de 200 V. Enfin, le frein à tambour est complètement intégré au moteur-roue. La masse totale des parties actives de la machine électrique est de 8 kg et la masse additionnelle de la roue due à sa motorisation est de 12 kg, sachant que l’électronique de puissance n’y est pas intégrée. Le rendement prévu par la simulation au régime S1 est supérieur à 95%. 6. Conclusions Dans cette article, nous avons décrit le concept de traction électrique utilisant un moteur électrique intégré dans la roue plus couramment appelé moteur-roue électrique ou roue électrique. Nous avons pu voir que cette solution permet une forte intégration de la fonction motrice, libérant ainsi le véhicule des organes de transmission mécanique. Parfois le frein ou l’électronique de puissance sont également intégrés. Michelin, avec son Active-Wheel, a poussé le raisonnement encore plus loin en intégrant un système de suspension électrique. Nous avons également montré les deux limites principales du moteur-roue. Premièrement le fractionnement de la motorisation, en comparaison avec une solution mono-moteur, conduit soit à une masse plus grande à rendement équivalent, soit à une baisse du rendement à masse équivalente. Cela oblige à une optimisation soigneuse du compromis masse- rendement pour ne pas pénaliser les performances d’un véhicule équipé de moteurs-roues. La masse doit être également minimisée pour limiter les masses non suspendues afin de ne pas détériorer le comportement routier du véhicule. L’autre défaut est la vulnérabilité de la fonction motrice qui est entièrement placée dans le roue. Or cette dernière est peu protégée contre d’éventuels chocs et contre les pollutions extérieures. L’analyse des motorisations possibles et des principales solutions existantes a montré la très forte prédominance des moteurs à aimants permanents, même si théoriquement la machine à réluctance variable pourrait également se positionner favorablement tout en étant plus économe. La prédominance du moteur à aimant est essentiellement due au fait que c’est la machine qui permet le meilleur compromis rendement, masse et couple spécifique. Les structures à aimants déposés en surface sont plus simples à intégrer dans une roue (c’est la solution observée en grande majorité dans les machines existantes), mais pourtant les rotors à aimants insérés permettent un meilleur dimensionnement du convertisseur statique et un couple spécifique encore meilleur. En conclusion, le moteur-roue est une solution innovante et bien adaptée à des certains types de véhicules : les deux roues tout électriques, les véhicules lourds (militaires ou civils) et les véhicules urbains hybrides électriques à architecture simplifiée utilisant un couplage par la route des puissances électriques et thermiques. Le coût, la vulnérabilité du dispositif et la modification importante de l’architecture du véhicule ne permet toutefois pas d’envisager aujourd’hui une telle solution pour la voiture routière traditionnelle. 7. Remerciements Je remercie Bernard Multon, professeur à l’École Normale Supérieure de Cachan (Antenne de Rennes) pour les discussions intéressantes menées pendant la rédaction de cet article, en particulier sur les machines à réluctance variables (qu’elles soient synchrones ou à double saillance). 8. Références [i] Revue Générale de l’Électricité, Dossier spécial sur le véhicule électrique, n°10/93, novembre 1993. [ii] B. Multon, ‘Motorisation des véhicules électriques’, Techniques de l’Ingénieur, Référence E3996, Février 2001. [iii] H.C.M. Mai, F. Charih, F. Dubas, D. Chamagne, C. Espanet, ‘Comparaison de deux types de bobinage d'une MSYAP pour la propulsion d'un véhicule hybride urbain’, Électrotechnique du Futur, Compiègne, 24-25 Septembre 2009. [iv] C. Espanet, ‘Modélisation et conception optimale de moteurs sans balais à structure inversée – Application au moteur-roue’, Thèse de doctorat de l’Université de Franche-Comté, Janvier 1999. [v] Z. Q. Zhu, D. Howe, ‘Electrical Machines and Drives for Electric, Hybrid, and Fuel Cell Vehicles’, Proceedings of the IEEE, Vol. 95, No. 4, April 2007, pp. 746-765 [vi] http://www.wavecrestlabs.com/ (lien valide au 01/01/2011). [vii] http://ez-wheel.com/fr/ (lien valide au 01/01/2011). [viii] http://www.tm4.com/ (lien valide au 01/01/2011). [ix] www.magnet-motor.com/ (lien valide au 01/01/2011). [x] Références des brevets portant sur la technologie de l’Active-Wheel de Michelin : FR2898836A1A1, EP1901416A2, EP1359657A1, WO0235685A1, EP1756929A1