Comment fonctionne un moteur électrique?

La révolution des véhicules électriques, accélérée en raison des changements climatiques, apportera une toute nouvelle ère pour l’automobile. Notre façon de voir l’automobile sera complètement chamboulée par sa construction et l’énergie qu’elle consommera pour fonctionner.

Nous savons déjà qu’un véhicule électrique est alimenté par une batterie et des moteurs, mais la question se pose : comment fonctionne le moteur d’une voiture électrique et quels sont ses avantages et ses inconvénients face au moteur thermique? Voici quelques explications.

Plus vieux que le moteur thermique

Bien avant l’invention du moteur à combustion, les premiers concepts de moteurs électriques — également connus par les termes moteurs CC (pour courant continu ou direct current) ou moteur CA (pour courant alternatif ou alternating current) — étaient déjà sur la table. Si les premières notions du concept remontent au milieu des années 1700 avec les inventions de Benjamin Franklin, la première application sérieuse du principe, capable de faire fonctionner de la machinerie, a vu le jour en 1832 par l’invention du scientifique William Sturgeon.

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Au fil des années, le moteur électrique a connu un bel essor grâce à l’implication d’ingénieurs et d’inventeurs. La seconde partie du 19^e siècle a sans doute été celle où il a le plus évolué au point de devenir une priorité pour une pléthore d’applications, surtout industrielles. Voilà pourquoi, au tournant du 20^e siècle, les véhicules électriques prenaient déjà une grande place dans l’industrie des transports lourds et légers.

La diversification du principe

Plus le moteur électrique évoluait, plus il se diversifiait en fonction de différentes approches de conception. Voilà pourquoi il existe plusieurs types de moteurs électriques sur le marché : le moteur sans balais, le moteur synchrone, le moteur à induction, le moteur à aimants permanents et le moteur à réluctance, notamment.

Aujourd’hui, en raison du virage vers l’électrification des transports, l’industrie de l’automobile s’intéresse plus que jamais aux moteurs électriques. En fonction de leurs besoins et de leur budget, les constructeurs prioriseront divers types de moteurs. Par exemple, si la Tesla Model S est mue par un moteur électrique du type CA à 3 phases, la Model 3 à propulsion est plutôt équipée d’un moteur CA à aimants permanents à réluctance.

Comment fonctionne le moteur électrique?

À la base du fonctionnement de tous les moteurs électriques, il y a la réaction entre un électroaimant chargé en électricité et un ou des aimants qui ne sont pas chargés en électricité qu’on appelle des aimants permanents.

C’est cette force magnétique entre les pôles des aimants qui crée la force rotationnelle qu’on connaît du moteur électrique. Tant et aussi longtemps qu’une source d’électricité est en mesure d’alimenter l’électroaimant, le moteur électrique peut continuer de fonctionner (voir l’animation ci-dessous).

Certains moteurs électriques, comme ceux qu’on retrouve dans les véhicules électriques, ont la particularité de pouvoir inverser leur rotation. C’est possible quand on inverse les pôles de l’électroaimant en changeant la direction du courant électrique. C’est cette capacité de pouvoir inverser son mouvement qui permet au moteur électrique de consommer, mais aussi de générer de l’électricité.

C’est d’ailleurs ce qui se produit quand on active le freinage régénératif d’un véhicule électrique. La résistance — créée par la force cinétique du mouvement des roues — qu’on ressent derrière le volant provient de la capacité du moteur électrique de tourner dans la direction opposée (degré de résistance contrôlé par un ordinateur). Le processus de recharge de la batterie a lieu grâce au fait que le moteur produit de l’énergie au lieu d’en dépenser.

Un parallèle peut être fait avec une génératrice hydroélectrique qui n’est, à toutes fins utiles, qu’un énorme moteur électrique qui génère de l’électricité grâce à la force hydraulique de l’eau.

Le rotor et le stator

Tous les moteurs électriques sont composés d’un rotor et d’un stator. Un peu comme une orange et sa pelure, le rotor constitue la portion du centre du moteur électrique (l’orange), et il est habituellement composé d’aimants qui ne sont pas chargés en électricité.

Le stator est l’enveloppe externe du moteur électrique (la pelure), là où se situent les bobines de l’électroaimant. Ces bobines sont ordinairement composées d’un métal conducteur comme le cuivre. Plus il y a de bobines à l’intérieur du stator, plus il pourra être chargé magnétiquement, ce qui augmente ainsi la puissance et le couple du moteur électrique.

Un courant électrique, habituellement généré par une batterie (dans le cas d’un véhicule électrique), est envoyé vers l’électroaimant. Plus la force du courant électrique est forte (plus on enfonce la pédale de l’accélérateur), plus la force magnétique entre le rotor et le stator sera grande, ce qui permettra au moteur de tourner plus rapidement et de générer plus de puissance et de couple.

Moteur CA ou CC?

La principale distinction entre les moteurs CA et CC réside dans le type de courant électrique qu’ils utilisent, ce qui aura un impact direct sur leur comportement et leurs performances.

À titre d’exemple, le moteur CA peut tourner dans la direction opposée en raison du fait que le courant alternatif peut justement changer de direction, une caractéristique impossible avec le courant continu qui alimente le moteur CC.

Voilà pourquoi le moteur CA est utilisé pour faire avancer les véhicules électriques. Il génère aussi habituellement plus de couple et de puissance, ce qui le rend efficace pour faire avancer un véhicule qui est lourd. En revanche, ce type de moteur consomme plus d’électricité.

Le moteur CC, quant à lui, génère moins de puissance et de couple et ne peut tourner que dans une seule direction. Il requiert toutefois moins d’électricité pour fonctionner. Il sera donc utile pour faire fonctionner de la machinerie ou exécuter une tâche simple qui ne requiert pas beaucoup de puissance, faire fonctionner les essuie-glaces d’un véhicule, par exemple.

Le moteur synchrone ou le moteur asynchrone?

Dans l’univers des moteurs CA, il existe deux types de moteurs, le moteur synchrone et le moteur asynchrone, aussi connu sous l’appellation moteur à induction. Chacun octroie à un véhicule électrique des caractéristiques bien distinctes, selon les besoins.

Dans un moteur synchrone, le rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique créé par le stator, ce qui lui permet de générer plus de couple à bas régime. Ce type de moteur est généralement plus compact que le moteur à induction, ce qui en fait le moteur de choix pour la grande majorité des constructeurs d’automobiles.

Dans un moteur à induction, le rotor est attiré par la force magnétique, ce qui le force à continuellement être en mode rattrapage avec le stator, ce qui cause une sorte d’effet élastique. Ceci confère toutefois à ce moteur la capacité de générer beaucoup plus de puissance à mesure qu’il monte dans les tours.

Quels sont les avantages et les inconvénients du moteur électrique?

L’avantage évident du moteur électrique par comparaison avec le moteur thermique est le fait que, durant son fonctionnement, il ne génère aucun déchet polluant ni de CO₂. Voilà pourquoi il devient si intéressant dans la lutte contre les changements climatiques.

Nettement plus simple dans sa conception et considérablement plus durable par sa construction et les matériaux utilisés, le moteur électrique s’est montré nettement plus fiable et endurant que le moteur thermique. Ce moteur est également capable de générer beaucoup plus de puissance et de couple en fonction de sa taille par rapport au moteur thermique.

Sa simplicité de conception permet aux constructeurs d’automobiles de simplifier la conception et la construction des voitures, ce qui réduit ainsi les coûts de production et améliore la fiabilité.

En revanche, le moteur électrique est toujours dépendant d’une source d’électricité. Même si les batteries des véhicules électriques s’améliorent, elles ne confèrent pas encore aux propriétaires le même degré de liberté qu’une voiture thermique en raison des délais de recharge et des infrastructures moins bien établies que les stations d’essence.

Ensuite, il y a l’argument que la construction d’un moteur électrique nécessite l’utilisation de terres rares, ce qui vient avec son lot de controverses environnementales et humanitaires. Certes, certains constructeurs, comme Tesla, ont récemment annoncé que leurs futurs moteurs électriques élimineront les terres rares, mais la situation n’en demeure pas moins problématique.

Les différents types de moteurs électriques et leurs avantages et inconvénients

Le tableau ci-bas montre les différents types de moteurs électriques avec leurs avantages et inconvénients.