IDTechEx discute de 4 façons d'éliminer les terres rares dans les moteurs électriques et une que vous n'avez pas entendue

BOSTON, 14 août 2023 /PRNewswire/ -- L'utilisation de terres rares dans diverses technologies modernes a attiré l'attention au fil des années. Mais avec la demande croissante de véhicules électriques (VE), le problème a été mis au premier plan. En 2022, 82 % du marché des voitures électriques utilisait des moteurs électriques basés sur des aimants permanents aux terres rares. La Chine contrôle largement l’offre de terres rares, ce qui a entraîné une forte volatilité des prix au cours des années précédentes, avec un pic important en 2011/2012 et une forte hausse entre 2021 et 2022. Surtout, par rapport à d'autres technologies, plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour éliminer l'utilisation de terres rares dans les moteurs électriques, qui seront décrites dans cet article avec les avantages, les inconvénients et l'adoption.

Cet article est basé sur le dernier rapport d'IDTechEx « Moteurs électriques pour véhicules électriques 2024-2034 » qui analyse différentes technologies de moteurs en termes de performances, de matériaux, d'adoption sur le marché et de potentiel futur.

Pour décrire brièvement la construction d'un moteur électrique, une pièce fixe (stator) comporte des bobines de métal (généralement du cuivre) alimentées par un courant électrique pour générer un champ magnétique. Ce champ fera alors tourner la partie tournante du moteur (rotor). Dans un moteur à aimant permanent (PM) aux terres rares, les aimants sont situés sur le rotor.

1. Le moteur à induction

Dans un moteur à induction (ou moteur asynchrone), le champ magnétique tournant produit par le stator induit des courants sur le rotor, qui à son tour produit un champ magnétique attiré/repoussé par le champ radial des enroulements du stator. Le moteur à induction utilise des barres ou des enroulements en cuivre ou en aluminium sur le rotor. Ces moteurs présentent généralement une bonne puissance de pointe et une bonne densité de couple sur de courtes périodes, mais peuvent s'avérer difficiles à gérer thermiquement et ont généralement un rendement inférieur à celui des options PM.

Les moteurs à induction ont été courants sur le marché des véhicules électriques, constituant le principal choix de Tesla jusqu'à la sortie du modèle 3 (qui a adopté une conception PM). Sur le marché automobile, certains partisans demeurent, comme Audi et Mercedes, mais les moteurs à induction sont désormais largement utilisés comme moteur secondaire, utilisé pour l'accélération car ils ne créent pas de traînée lorsqu'ils ne sont pas utilisés, éliminant ainsi le besoin d'un découpleur.

2. Le moteur à rotor bobiné

Également connu sous le nom de moteur synchrone à excitation externe (EESM), le moteur synchrone à rotor bobiné (WRSM) remplace les aimants du rotor par des enroulements de bobine qui peuvent être alimentés par un courant continu pour générer un champ magnétique. Cela présente l’avantage de pouvoir contrôler à la fois le champ du stator et celui du rotor. Les inconvénients sont les étapes de fabrication supplémentaires nécessaires pour ajouter des enroulements au rotor et des balais sont nécessaires pour transmettre la puissance au rotor. Ces moteurs ont historiquement également eu une puissance et une densité de couple inférieures, mais les versions modernes sont comparables aux moteurs PM.

Renault a été l'un des premiers partisans de cette technologie dans la Zoe, mais maintenant BMW et Nissan ont adopté cette conception, et MAHLE de niveau 1 a présenté une version avec transfert de puissance sans fil vers le rotor, éliminant les balais.

3. Le moteur à réluctance commutée

Les moteurs à réluctance commutée (SRM) sont potentiellement les plus simples à construire, le rotor étant en grande partie construit en acier. L'acier du rotor a une faible réluctance par rapport à l'air qui l'entoure, de sorte que le flux magnétique traverse préférentiellement l'acier tout en essayant de raccourcir son trajet de flux, faisant tourner le rotor. Malgré leur simplicité et leur fiabilité, les SRM souffrent généralement d'une puissance et d'une densité de couple inférieures ainsi que d'autres problèmes, notamment l'ondulation du couple et le bruit acoustique.

Alors que les SRM se limitent en grande partie à des applications plus industrielles ou plus lourdes, des efforts importants sont déployés pour les développer pour les véhicules électriques. Des entreprises comme Turntide Technologies ont ajouté davantage de pôles de rotor et de stator et ont mis au point des systèmes de contrôle plus sophistiqués pour surmonter les problèmes traditionnels. Advanced Electric Machines, basée au Royaume-Uni, a développé un nouveau type de moteur avec un rotor segmenté qui reste de construction simple mais est censé éliminer le bruit acoustique et l'ondulation du couple tout en améliorant la puissance et la densité de couple ; cette conception est au centre d'un projet aux côtés de Bentley.