Dans l’histoire séculaire de l’automobile, il y a eu plusieurs tentatives pour révolutionner l’architecture établie du moteur à combustion interne. À de rares exceptions près, comme les Mazda Wankels, personne n’a réussi à saper le système de piston éprouvé avec bielle et manivelle. Le secteur automobile est désormais confronté à une feuille blanche, étant à l’aube de l’industrialisation de masse de la voiture électrique, pour les moteurs desquels il existe des propositions et des solutions de toutes sortes. Parmi celles-ci, la technologie PCB gagne du terrain en Amérique, basée sur des stators beaucoup plus légers car dépourvus de supports en fer grâce au moulage des bobinages en cuivre.
Technologie
La force de poussée d’un moteur électrique provient de l’interaction des champs électromagnétiques internes entre le rotor et le stator. Dans la configuration la plus courante, le champ magnétique du stator est généré par le passage d’un courant alternatif à l’intérieur de bobines de cuivre enroulées autour de noyaux de fer. Les structures ferreuses, en plus d’offrir un support mécanique pour les enroulements de cuivre, sont également utiles pour concentrer le champ électromagnétique, en évitant sa dispersion dans le milieu environnant. D’autre part, les éléments en fer sont également parmi les principaux responsables du poids du moteur électrique, ainsi que des sources d’inefficacités de toutes sortes. En fait, ils sont induits à l’intérieur du fer courants parasites qui d’une part surchauffent le moteur et d’autre part entravent la variation continue du champ électromagnétique, effets qui se traduisent tous deux par des pertes d’énergie inutilisable. Un autre effet secondaire sont les ondulations de couple, avec les lignes de flux du champ magnétique qui, obligées de contourner les éléments en fer, provoquent vibrations, avec pour résultat une réduction du confort et de la fiabilité.
Des recherches sur les moteurs PCB, acronyme de Printed Circuit Board, sont menées en Amérique depuis quelques années, en référence à la technologie de moulage des circuits électriques couramment utilisée pour les cartes électroniques. Parmi les entreprises leaders du secteur, citons la Technologie de stator PCB ECM du Massachusetts et de la Infinitum électrique d’Austin au Texas qui, selon son fondateur et PDG Ben Schuler, est le premier à avoir fait évoluer la technologie pour la rendre applicable au marché de masse. L’idée est de conserver un stator qui génère le champ électromagnétique, tout en révolutionnant son architecture. Les éléments en cuivre ne s’enroulent plus autour des structures en fer, mais viennent imprimé directement sur les cartes de support. Le moteur est également conçu et assemblé comme une unité à flux axial, où les disques du rotor et du stator sont montés parallèlement et concentriques l’un à l’autre.
Les avantages
En éliminant les structures en fer du stator, les pertes de rendement dues aux courants parasites sont également réduites. Il bénéficie également d’une réduction de la teneur en fer et en cuivre, réduisant les coûts de production, les dimensions et l’empreinte carbone dans le cycle de vie. Cependant, les avantages exacts dépendent de la manière dont la technologie PCB est mise en œuvre dans le moteur. Infinitum Électrique il s’en est servi pour donner vie à son moteur axial Noyau d’air composé d’un rotor, à son tour sans fer, placé entre deux stators de circuit imprimé, une architecture qui élimine efficacement les ondulations de couple et les vibrations. La société d’Austin parle de un stator 90% plus léger par rapport aux moteurs traditionnels et une économie de 50 % sur le poids et les dimensions de l’ensemble du moteur par rapport à des unités de puissance égale. En ce qui concerne la teneur en cuivre, une réduction de 66 % est estimée pour un moteur de base de 10 chevaux par rapport à un autre de même puissance. Mais cela profite aussi la fiabilité, éliminant les problèmes liés à l’isolation et aux bobinages traditionnels. Pour le moteur de Infinitum électrique de plus, les circuits en cuivre sont imprimés sur un support isolant en résine époxy verre, avec le même coefficient de dilatation thermique pour limiter les déformations et les contraintes mécaniques dues à l’échauffement du moteur lors de son utilisation. Enfin, selon les puissances en présence, il est possible d’opter pour un refroidissement par air ou par huile, conduisant à des densités de courant deux à trois fois plus élevées, jusqu’à 56 A/m2. Reste à résoudre le problème de la faible inductance des bobinages moulés, qui peut cependant être compensé par l’utilisation d’inverseurs MOSFET carbure-silicium haute fréquence.
Applications et performances
Infinitum électrique commence à opérer dans le secteur du refroidissement des moteurs HVAC dans les installations industrielles, puis s’étend également au secteur de la mobilité. Grâce à la conception compacte qui limite les dimensions axiales, les moteurs Noyau d’air ils sont modulaires, avec la possibilité d’assembler des rotors et des stators en nombre variable selon la puissance requise. Dans le domaine de la mobilité, la société texane parle d’applications pour les voitures, les véhicules utilitaires légers et lourds, les véhicules volants à décollage vertical, les engins agricoles et le transport maritime, avec des puissances allant de 50 à 250 kW. Par exemple, pour les bus et les véhicules utilitaires légers, un moteur de traction électrique est disponible avec une puissance continue de 150 kW, équivalant à un peu plus de 200 chevaux, pour un pic 300 Kw, environ 410 chevaux. Le faible poids, avec une masse active de seulement 20 kg, bénéficie également d’un système de refroidissement astucieux qui voit le fluide circuler à l’intérieur d’un arbre central, pour ensuite être distribué aux éléments extérieurs via la force centrifuge. L’efficacité maximale est de 95 %, tandis que le couple maximal de 190 Nm, bien que discret, n’est pas un record. D’autre part, le moteur Noyau d’air il peut atteindre de bonnes vitesses de rotation, jusqu’à 7500 tr/min nominaux et 10000 tr/min crête. Ceci est possible grâce au contenu réduit d’aimants très concentrés qui, profitant de l’absence de fer dans le rotor, ont été positionnés de manière à minimiser les contraintes mécaniques et l’affaiblissement du champ magnétique à haute vitesse.
Grâce à leur compacité et leur légèreté, les moteurs PCB conviennent également aux applications de faible puissance. Sur une voiture électrique, ceux-ci trouvent leur place dans l’actionnement de la direction assistée, des vitres, du système de refroidissement et de climatisation ainsi que pour l’infodivertissement. Technologie de stator PCB ECM (en couverture) propose à la place déjà des moteurs pour vélos à pédalage assisté et travaille actuellement sur le projet d’une moto 100% électrique. Les moteurs à circuit imprimé promettent des avantages intéressants mais, comme pour les nombreuses alternatives proposées pour les moteurs à combustion, seul le temps sanctionnera leur succès sur le marché ou limitera leur présence dans des applications de niche.