Moteur à aimants permanents (PMSM)

Le moteur synchrone à aimants permanents, abrégé PMSM, est la machine électrique qui entraîne la grande majorité des véhicules électriques à batterie et des hybrides rechargeables actuels. Cette suprématie tient à un détail décisif : son rotor porte son propre champ magnétique, créé par de puissants aimants fixes et non par un courant venu de l'extérieur. Comme ce champ est présent en permanence, le moteur ne gaspille aucune énergie pour le produire, d'où un rendement exceptionnel et un rapport puissance/poids comme un rapport puissance/volume très favorables. Le résultat est un ensemble compact et léger, capable de fournir un couple généreux dès l'arrêt, exactement ce qu'exige une voiture particulière.

Sur le plan mécanique, le moteur comporte deux organes principaux : un stator fixe garni de bobinages en cuivre et un rotor mobile dans lequel sont logés les aimants. Lorsque l'onduleur injecte un courant alternatif triphasé dans les bobinages du stator, il engendre un champ magnétique tournant. Les aimants du rotor s'accrochent à ce champ et le suivent, si bien que le rotor tourne au même rythme, ou de façon synchrone, ce qui vaut à la machine son nom de moteur synchrone. Dans la plupart des architectures automobiles, les aimants sont noyés à l'intérieur des tôles d'acier du rotor plutôt que fixés en surface ; cette implantation interne ajoute une part utile de couple de réluctance et permet au rotor de tourner sans danger à haut régime, sans risque que les aimants soient éjectés.

Les aimants eux-mêmes sont généralement des aimants de terres rares au néodyme-fer-bore, souvent enrichis de dysprosium ou de terbium pour éviter leur démagnétisation à chaud. Leur puissance est la source du rendement du moteur, mais aussi son principal inconvénient. Les terres rares coûtent cher, leur approvisionnement est géographiquement concentré, et leur extraction comme leur raffinage pèsent lourd sur les plans environnemental et géopolitique. Les constructeurs cherchent donc à réduire la teneur en aimants, à repenser les rotors pour limiter les terres rares lourdes, voire, sur certains modèles, à associer un PMSM sur un essieu à un moteur asynchrone dépourvu d'aimants sur l'autre.

Un pilotage précis suppose de connaître précisément la position du rotor : le moteur s'appuie donc sur un capteur de position, le plus souvent un résolveur, qui renseigne l'onduleur, lequel ajuste la forme du courant plusieurs milliers de fois par seconde. Le même matériel permet au moteur de fonctionner en générateur lors du freinage régénératif, transformant l'élan de la voiture en charge stockée. Une particularité pratique découle de ce champ permanent : comme les aimants induisent toujours une force contre-électromotrice, un PMSM ne peut pas rouler en roue libre aussi proprement qu'un moteur asynchrone, et à très haut régime il faut le gérer activement par défluxage afin d'éviter un couple résistant parasite ou une surtension.

Dans la chaîne de traction, le PMSM s'intercale entre l'onduleur, qui lui fournit un courant soigneusement mis en forme, et un réducteur qui adapte son régime élevé à la vitesse des roues. Sa principale alternative est le moteur asynchrone, qui sacrifie un peu de rendement au profit d'un coût moindre et de l'absence de terres rares ; le choix entre ces deux machines reste l'une des décisions d'ingénierie déterminantes derrière la chaîne de traction d'une voiture électrique et son rendement global.