Cela fait 200 ans que le scientifique britannique Michael Faraday a mis au point le premier moteur électrique fonctionnel. Le rotor de Faraday a constitué une avancée significative dans la compréhension de la conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique, mais il était primitif et n’avait pas d’applications pratiques. C’est dans les années 1830 que William Sturgeon a mis au point le premier électro-aimant, inspirant Thomas Davenport et Thomas Edison à perfectionner les moteurs électriques modernes. La voie était alors ouverte pour une utilisation généralisée dans l’industrie et les transports.
Alors que les moteurs électriques de traction se sont surtout développés dans les années 1800, ils continuent aujourd’hui, deux siècles plus tard, à évoluer avec l’expansion du véhicule électrique, offrant de nouvelles technologies qui répondent à une nouvelle opportunité axée sur la demande. Ces dernières années, une plus grande attention a été accordée aux matériaux utilisés pour les moteurs électriques, ainsi qu’à la topologie sous-jacente.
Les objectifs de chaque développement sont différents. Certains cherchent à améliorer des caractéristiques telles que la puissance et la densité du couple, avec des technologies comme le flux axial. D’autres recherchent la rentabilité et la durabilité, en réduisant ou en éliminant complètement les terres rares. Dans un monde idéal, ces deux objectifs pourraient être atteints simultanément, mais dans la réalité, ils doivent être équilibrés. Le rapport du cabinet de conseil IDTechEx, intitulé “Electric Motors for Electric Vehicles 2024-2034“, se penche sur la technologie, la demande, l’utilisation des matériaux, et les prévisions de marché.
Le début de la fin pour les terres rares
Les matériaux magnétiques constituent un élément clé du marché des moteurs électriques. Entre 2015 et 2022, la part des moteurs à aimant permanent (PM) sur le marché des voitures électriques est restée constamment supérieure à 75%. Toutefois, la nécessité d’utiliser des terres rares, avec une chaîne d’approvisionnement fortement limitée à la Chine, a entraîné une forte hausse des prix en 2021 (comme en 2011/2012)..
Plusieurs constructeurs européens ont opté pour des conceptions sans aimants, comme les moteurs à rotor bobiné (courant alternatif et synchrone à excitation externe) utilisés par Renault et BMW ou l’utilisation de moteurs à induction par Audi. Si l’utilisation d’aimants sans terres rares a un impact significatif sur les performances, d’autres constructeurs ont choisi de réduire leur contenu en développant des matériaux avancés et en optimisant la conception des moteurs.
Cette année, Tesla a annoncé une nouvelle génération de moteurs qu’elle définit comme une machine PM sans terres rares basée sur des matériaux magnétiques alternatifs tels que les aimants en ferrite. Sans nécessiter de modifications importantes de la conception, son adoption entraînerait une perte de puissance et de couple de plus de 60%. Cette réduction des performances pourrait être compensée par l’optimisation de divers aspects de la conception. Les fabricants s’intéressent également à de nouveaux alliages magnétiques, tels que les aimants en nitrure de fer de Niron.
IDTechEx prévoit que les moteurs à particules resteront dominants, notamment en raison de la prédominance de la Chine sur le marché des véhicules électriques. Toutefois, il prévoit que la quantité de terres rares par moteur sera réduite et que les matériaux magnétiques alternatifs progresseront sur le marché.
Alternatives technologiques : moteurs axiaux et moteurs roues
Les moteurs à flux radial sont les moteurs intégrés traditionnels des véhicules électriques. Mais il existe deux alternatives émergentes qui suscitent beaucoup d’intérêt dès leur première approche du marché : les moteurs à flux axial et les moteurs intégrés aux roues.
Dans les moteurs à flux axial, le champ magnétique est parallèle à l’axe de rotation (qui est perpendiculaire dans les moteurs à flux radial). Les avantages des moteurs à flux axial sont une puissance et une densité de couple plus élevées, ainsi qu’un facteur de forme bien adapté à l’intégration dans divers scénarios. La technologie a évolué vers l’entrée sur le marché. Daimler a acquis YASA, l’un des pionniers de ces moteurs, pour l’utiliser dans la future plateforme électrique AMG. En outre, Renault a conclu un partenariat avec WHYLOT pour utiliser des moteurs à flux axial dans ses véhicules hybrides à partir de 2025.
Les moteurs à roue ont été la technologie adoptée par certaines marques. Protean est la plus avancée de toutes. Dongfeng a fait la démonstration de la première voiture de tourisme homologuée équipée de ProteanDrive (la plateforme de moteur à roue), qui suivra en 2023 avec d’autres essais.
L’exposition a également servi de cadre à de nouveaux fabricants tels que Rivian, qui commercialise déjà le pick-up électrique R1T et a démontré les énormes possibilités de contrôle offertes par cette technologie.
La start-up israélienne REE Automotive a développé une plateforme électrique modulaire basée sur des moteurs de roues, une batterie structurelle et des systèmes de contrôle par câble. Les modules REEcorner intègrent tous les composants de la transmission, du groupe motopropulseur, de la suspension et de la direction dans l’unité elle-même. De cette manière, la plateforme REEboard devient un châssis électrique complètement plat et modulaire au poids réduit qui offrira plus d’espace libre pour libérer la conception des véhicules qui l’utilisent.
Le système de modules e-Corner que les Coréens de Hyundai ont introduit par l’intermédiaire de leur société technologique Hyundai Mobis est très similaire. Chacun de ces modules intègre les systèmes de suspension, de freinage et de direction dans le moyeu de la roue. De cette manière, chacun d’entre eux peut être contrôlé indépendamment. Extérieurement, un véhicule équipé de quatre modules e-Corner ne diffère pas esthétiquement d’un véhicule conventionnel. Il ne sera pas non plus différent dans l’utilisation quotidienne, bien que la situation change lorsqu’il s’agit de manœuvrer.
Enfin, il y a le cas des camionnettes électriques de la société américaine Lordstown, actuellement en grande difficulté financière, qui a également opté pour cette solution. Son seul modèle présenté, un pick-up électrique appelé Endurance, dispose d’un système de propulsion à traction intégrale basé sur des moteurs électriques installés dans les roues.
IDTechEx s’attend à une forte augmentation de la demande de moteurs à flux axial et de moteurs intégrés dans les roues dans certaines catégories de véhicules, mais ne s’attend pas à ce qu’ils supplantent complètement les machines traditionnelles à flux radial dans un avenir proche.
