Moteurs à aimants permanents à flux axial

Axial-flux motors sont en train de devenir l’une des technologies de moteur électrique les plus importantes pour les véhicule électrique hautes performances. Par rapport aux moteurs radiaux conventionnels, ils peuvent fournir un couple et une puissance très élevés dans un ensemble beaucoup plus fin. Cela les rend particulièrement attractifs pour les voitures de sport et les véhicule électrique de performance, où l’espace, le poids, la stabilité thermique et les accélérations répétées comptent autant que la puissance maximale.

Un moteur axial-flux à aimants permanents, souvent abrégé en moteur AFPM, utilise le même principe électromagnétique de base qu’un moteur synchrone à aimants permanents (PMSM), mais avec une disposition différente du circuit magnétique. Au lieu de construire le moteur sous la forme d’un long cylindre, un moteur axial-flux a une forme plus proche d’un disque fin.

Une façon simple d’imaginer la différence est la suivante : un moteur radial ressemble à un cylindre, tandis qu’un moteur axial-flux fonctionne comme une paire de disques magnétiques se faisant face.

Comment ça fonctionne

Dans un moteur synchrone à aimants permanents (PMSM) conventionnel, le trajet principal du flux magnétique est perpendiculaire à l’axe de rotation. Dans un moteur axial-flux, le trajet principal du flux est parallèle à l’axe. Le résultat est un moteur en forme de disque fin plutôt que de long cylindre.

Disposition du rotor et du stator : Les composants principaux d’un moteur AFPM sont des disques plats. La disposition la plus courante dans l’automobile hautes performances est la configuration en H, également appelée topologie yokeless-and-segmented-armature (YASA). Deux disques de rotor portant des aimants permanents se trouvent de chaque côté d’un disque de stator central, l’enserrant par la gauche et par la droite.

Circuit magnétique : Les aimants permanents sur les deux disques de rotor font face au stator des deux côtés simultanément. Le flux magnétique passe directement d’un rotor, à travers l’enroulement du stator, puis vers le rotor opposé. Cela crée un trajet magnétique court, à faibles pertes. Il n’y a pas de fer de retour conventionnel derrière les aimants, raison pour laquelle cette topologie est dite « yokeless ».

Enroulement du stator : Le stator se compose de segments bobinés individuellement, disposés en anneau autour de l’axe. Chaque segment est une bobine séparée. Cela simplifie l’enroulement, le refroidissement et l’assemblage par rapport à un stator radial continu, mais exige aussi une fabrication précise et un contrôle strict des tolérances.

Commutation et contrôle : Comme tout moteur synchrone, un moteur AFPM nécessite une commutation électronique. Un onduleur haute performance alimente les bobines du stator en courant alternatif triphasé. Un retour de position provenant d’un resolver ou d’un encodeur permet un contrôle vectoriel du champ afin de maintenir le champ du stator aligné avec les aimants du rotor.

Production du couple : Comme les deux faces du rotor contribuent simultanément au couple et que les aimants se situent près du diamètre extérieur du disque, le bras de levier effectif est important pour une masse donnée du moteur. C’est la principale raison pour laquelle les moteurs AFPM peuvent atteindre une densité de couple très élevée.

Pourquoi c’est important dans les véhicule électrique

Pour les constructeurs de véhicule électrique, l’attrait principal des moteurs axial-flux n’est pas seulement la puissance de pointe élevée. La forme mince du moteur peut rendre l’ensemble du groupe motopropulseur plus facile à intégrer, surtout dans les voitures de performance avec plusieurs moteurs. Elle permet aussi aux ingénieurs de placer davantage de matériau magnétique actif plus loin de l’axe de rotation, augmentant ainsi le couple sans allonger le moteur.

Pour les conducteurs, l’avantage se traduit par de fortes performances au départ, une réponse rapide au couple et une meilleure répétabilité lors d’une conduite soutenue. Il est donc probable que cette technologie apparaisse d’abord dans des véhicule électrique de performance coûteux avant de devenir courante dans les modèles grand public.

Les moteurs axial-flux sont particulièrement utiles lorsqu’un constructeur souhaite combiner une puissance élevée avec un encombrement réduit. C’est pourquoi cette technologie est attractive pour les véhicule électrique de performance, les voitures de sport électriques, les hypercars hybrides et les applications où la longueur du groupe motopropulseur est limitée.

Moteurs axial-flux vs moteurs radial-flux

Avantages

Couple et densité de puissance élevés : Un moteur AFPM peut délivrer plus de couple par kilogramme et par litre qu’un PMSM radial de puissance comparable. Le trajet de flux court et le grand diamètre actif permettent au moteur de produire un couple important dans un ensemble très compact. Dans la Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé, les moteurs axial-flux ne mesurent que quelques centimètres de large, mais chaque moteur peut délivrer plusieurs centaines de kilowatts selon l’application.

Fort potentiel de puissance continue : Avec une conception à refroidissement direct adaptée, un moteur AFPM peut soutenir une fraction élevée de sa puissance maximale plus longtemps que de nombreuses machines radiales compactes. Cela rend la technologie bien adaptée aux applications exigeant des accélérations répétées à pleine charge, comme la conduite sur circuit, où un moteur conventionnel peut devoir réduire sa puissance à mesure que les températures augmentent.

Intégration compacte : Le format en disque fin libère de l’espace le long de l’essieu moteur. C’est utile pour les groupes motopropulseurs où deux moteurs partagent un même essieu, ou lorsque le moteur doit s’insérer entre le pack batterie et les roues sans allonger l’empattement.

Inertie du rotor plus faible : Un rotor en forme de disque peut avoir une inertie de rotation plus faible qu’un long rotor cylindrique. Le moteur peut répondre rapidement aux demandes de couple, contribuant à une réponse vive à l’accélérateur et à une délivrance précise de la puissance.

Efficacité potentiellement élevée : Le trajet court du flux magnétique peut réduire certaines pertes, et la configuration compacte des enroulements peut aider à réduire l’usage de cuivre. Cependant, l’efficacité réelle dépend de la conception complète du moteur, de l’onduleur, du système de refroidissement et du point de fonctionnement. Les moteurs axial-flux ne sont pas automatiquement plus efficaces dans toutes les situations de conduite.

Limites

Matériaux à terres rares : Comme la plupart des moteurs à aimants permanents hautes performances, un moteur AFPM utilise des aimants à terres rares tels que le néodyme-fer-bore (NdFeB) ou le samarium-cobalt (SmCo). Ces aimants sont coûteux, et la chaîne d’approvisionnement est concentrée dans un nombre limité de pays.

Complexité mécanique : La configuration H à double rotor applique de fortes forces axiales au stator des deux côtés. Le carter du moteur doit absorber ces forces sans laisser varier l’entrefer entre rotor et stator. Cela élève les exigences en matière de conception des roulements, de rigidité du carter, de précision d’assemblage et de tolérances de fabrication.

Chemin thermique à travers le disque du stator : Un moteur radial peut refroidir son stator via une chemise d’eau autour de l’extérieur du carter. Dans un moteur AFPM, le stator est pris en sandwich entre deux rotors, donc le refroidissement doit atteindre directement les bobines du stator. Les conceptions hautes performances utilisent généralement un refroidissement direct par huile pulvérisée sur les bobines segmentées ou à travers celles-ci, ce qui ajoute de la tuyauterie, des pompes, des exigences d’étanchéité et de la complexité de gestion thermique.

Coût et passage à l’échelle : Les moteurs AFPM sont encore moins matures en production de masse que les moteurs radiaux conventionnels. Le stator segmenté, le contrôle précis de l’entrefer, le positionnement des aimants et le système de refroidissement direct peuvent augmenter les coûts, surtout avant que les volumes de production n’augmentent.

Nouveaux procédés de fabrication : Le poinçonnage des disques de rotor, l’alignement des aimants, l’enroulement du stator segmenté et le contrôle d’entrefer très faibles exigent des techniques de production qui ne faisaient pas traditionnellement partie de la fabrication de moteurs électriques grand public. Mercedes-Benz a indiqué qu’environ 65 des quelque 100 étapes de production utilisées pour fabriquer ses moteurs axial-flux dans l’usine de Berlin-Marienfelde sont nouvelles, dont beaucoup sont décrites comme des premières mondiales.

Résistance au roulement libre : Comme tous les moteurs à aimants permanents, un moteur AFPM peut produire de la résistance lorsque le rotor tourne sans alimentation, car les aimants continuent d’induire une tension dans les bobines du stator. Certains véhicule électrique réduisent cette perte en déconnectant mécaniquement le moteur lorsqu’il n’est pas nécessaire, en particulier sur un essieu secondaire.

Utilisation dans les véhicules électriques de série

La Mercedes-AMG GT 4-Door Coupé est l’une des premières voitures électriques à batterie de série à utiliser des moteurs axial-flux comme principaux moteurs de traction. La voiture utilise trois moteurs axial-flux développés par YASA : un sur l’essieu avant et deux sur l’essieu arrière, intégrés dans une High-Performance Electric Drive Unit arrière et une unité d’entraînement avant. Dans la version GT 63, la puissance système maximale atteint 860 kW.

YASA est un spécialiste britannique des moteurs électriques acquis par Mercedes-Benz en juillet 2021. Sa technologie axial-flux a été développée pour les futurs véhicule électrique de performance Mercedes-AMG, où la haute densité de puissance, l’intégration compacte et les performances répétables sont des objectifs de conception essentiels.

D’autres constructeurs hautes performances ont également montré de l’intérêt pour les conceptions axial-flux. Ferrari a annoncé la technologie de moteur axial-flux pour son programme Elettrica, tandis que Koenigsegg utilise le moteur axial-flux compact Quark dans la Gemera. Ces applications montrent où cette technologie est actuellement la plus pertinente : des véhicules coûteux, axés sur la performance, où la compacité et la puissance élevée justifient la complexité supplémentaire.

Résumé

Les moteurs axial-flux offrent une autre façon d’intégrer un moteur de traction électrique. En orientant le flux magnétique le long de l’axe de rotation plutôt que transversalement, ils peuvent fournir un couple et une puissance très élevés dans un ensemble fin en forme de disque.

Cette technologie n’est pas un remplacement universel des moteurs radial-flux. Elle apporte des défis en matière de refroidissement, de fabrication, de coût, de contrôle de l’entrefer et d’utilisation d’aimants à terres rares. Toutefois, pour les véhicule électrique hautes performances, les avantages sont significatifs. Les moteurs axial-flux permettent aux ingénieurs d’intégrer davantage de puissance dans moins d’espace, d’améliorer la réponse au couple et de supporter une conduite répétée à forte charge.

Pour cette raison, les moteurs axial-flux sont susceptibles de devenir une technologie importante dans la prochaine génération de voitures électriques de performance avant de se diffuser progressivement dans des segments plus larges de véhicule électrique à mesure que la production s’étoffe et que les coûts baissent.

En savoir plus

Regardez cette vidéo Munro Live pour une analyse plus approfondie de la conception et de la fabrication des moteurs axial-flux.