Vous souhaitez connaître dans les moindres détails le fonctionnement d'un moteur de Tesla ? Quelles sont les évolutions qu'il a subies avec les années ? Qu'est-ce qui fait qu'elles sont les meilleures voitures électriques sur le marché ?
Bonjour à tous, ici Model Sport, préparateur et accessoiriste pour la marque révolutionnaire Tesla !
Dans cette explication détaillée, nous allons voir ensemble:
- Le fonctionnement des différents types de moteurs
- Quels moteurs sont sur les Tesla
- Le système de refroidissement utilisé pour les moteurs de la marque américaine
En finissant cette lecture, vous connaîtrez exactement comment Tesla surpasse la concurrence.
Meilleur moteur électrique pour voiture
Voyons dans un premier temps pourquoi Tesla utilise les meilleurs moteurs disponibles sur le marché.
Puis, regardons ce qui différencie les deux types de moteurs utilisés sur leur voiture électrique.
Quel type de moteur pour voiture électrique ?
Dans le monde automobile actuel, il existe deux types de moteurs électriques: Synchrone et Asynchrone.
Ces deux types de moteurs ont leur avantage et leur inconvénient.
Il est donc normal que Tesla utilise sur ses versions "dual motors" les deux technologies différentes. Nous retrouverons donc sur le moteur arrière des Tesla actuelles un moteur à aimant permanent synchrone (d'ailleurs, sur les versions propulsion c'est le seul moteur présent).
Et sur l'essieu avant, nous retrouverons un moteur à induction asynchrone.
Bon, si vous êtes déjà en train de vous dire "la vache, il va me parler de mes cours de physique, mais en pire". Non, je vais m'efforcer de vulgariser le fonctionnement des moteurs et l'utilisation des termes associés.
Comment savoir si un moteur est synchrone ou asynchrone ?
La plus grosse différence entre un moteur Synchrone et Asynchrone se situe au niveau du rotor :
- Le moteur Synchrone sera constitué d'un rotor à aimant permanent ou a électro-aimant.
- Le moteur Asynchrone aura un système conducteur au niveau de son rotor, tout comme son stator.
Pourquoi est-ce appelé moteur Synchrone ?
Car le rotor tourne en synchronisme parfait avec le champ magnétique tournant, il n'y a pas de décalage.
Et pour l'Asynchrone ?
Vous l'aurez deviné, il existe un décalage entre le champ magnétique et la vitesse du rotor. Pour imager dans votre esprit ce concept, imaginez tourner un axe avec vos mains remplies de graisse. Il existera un glissement.
D'ailleurs, le glissement est le nom donné à ce décalage, qui est considéré comme une perte de rendement.
Moteur Tesla Model S, 3, X, Y
Si vous voulez savoir, le moteur Synchrone fut inventé par notre inestimable Nikola Tesla, dont le brevet date de 1887.
Le moteur Asynchrone est aussi à l'origine de ce dernier, brevet à l'appui. D'ailleurs, l'utilisation des brevets de l'inventeur d'origine Serbe a été une demande spécifiquement imposée par Elon Musk.
Trêve d'histoire, passons aux voitures : Les premières Tesla, du moins jusqu'à l'arrivée de la Model 3 en 2017, avaient exclusivement des moteurs Asynchrones.
Ce dernier permet d'avoir un fort couple dès les plus bas régimes et d'obtenir un bon rendement à vitesse élevée (contrairement au moteur Synchrone). Le moteur Asynchrone équipe encore aujourd'hui tous les essieux avant des Tesla.
Le moteur Synchrone a été introduit sur toute la gamme de la marque depuis l'arrivée de la Model 3, exclusivement monté sur l'essieu arrière (sur les versions propulsions et intégrales).
Pour faire simple, à l'heure actuelle voilà où nous en sommes :
Essieu arrière = Moteur Synchrone = Aimant permanent
Essieu avant = Moteur Asynchrone = Induction
Comment fonctionne le moteur Tesla ?
Entrons désormais dans le vif du sujet ! Voyons la technologie apportée par le constructeur américain.
Et surtout, nous allons voir les deux types de moteurs utilisés et pourquoi ils sont couplés ensemble ?
Comment fonctionne un moteur de voiture électrique ?
Les moteurs de voiture électrique fonctionnent de manière à produire un mouvement et aussi à récupérer ce mouvement au freinage.
Sur une Tesla, l'énergie de la batterie est directement injectée vers le variateur qui est lui-même intégré au groupe moteur. C'est un coup de génie, encore une fois, de la marque pour pouvoir centrer tous les composants en un seul et même endroit et ainsi profiter du système de refroidissement du moteur pour refroidir le variateur.
Deuxième avantage, limiter la perte d'énergie entre le variateur et le moteur (du fait de leur proximité et donc de la moindre longueur des connecteurs).
Pour dégrossir le phénomène, quand le conducteur accélère, la commande d'accélérateur "dit" au variateur d'envoyer plus de courant au moteur. La rotation du champ magnétique s'en retrouvera plus élevé et le rotor tournera ainsi plus vite.
Comment fonctionne un moteur Asynchrone ?
Bon, entrons dans le corps du sujet (l'explication pour les moteurs à aimant permanent va être encore plus longue, car ils utilisent une technologie combinée... Je ne sais pas si ça vous rassure).
Donc, pour les moteurs Asynchrone Tesla utilise un rotor entièrement en cuivre.
Il est souvent mentionné dans cette explication le principe du rotor en forme de "cage d'écureuil", même si j'ai rarement un écureuil dans une telle cage, ce doit être une blague de physicien...
Sur l'image d'en haut, vous voyez à gauche le schéma de cette cage et sur la droite sa représentation réelle par Tesla.
Principe de rotation d'un moteur à induction
Donc, son principe reste assez simple: quatre bornes constituant le stator (la partie statique extérieure du moteur) envoient chacune leur tour un champ électromagnétique dès qu'elles sont alimentées.
Ce champ électromagnétique tournant est directement produit grâce par une tension alternative (vous vous rappelez de Nikola Tesla et ses inventions concernant la tension alternative).
Cette tension dans chacune des bornes est injectée l'une après l'autre en décrivant une rotation. La vitesse de cette rotation est régulée grâce à la fréquence de la tension, autrement dit, plus la fréquence est élevée, plus la vitesse d'alimentation d'une borne à l'autre est élevée et plus la rotation du champ magnétique augmente.
Principe magnétique d'un rotor induit
Si je ne vous ai pas perdu, passons au rotor:
Le rotor induit est lui constitué de barres qui sont conductrices. Ces barres sont reliées entre elles par des flasques à chaque extrémité permettant de créer un montage en cour circuit.
Le magnétisme préfère les matériaux conducteurs au vide, c'est pourquoi les rotors ont cette forme typique.
Généralement en aluminium, Tesla a choisi d'opter pour du cuivre afin d'améliorer la conductivité de l'ensemble.
C'est l'induction produite par le stator sur le rotor qui crée sur ce dernier des variations de champs magnétiques (telle un aimant, mais cette fois-ci l'aimantation est induite dans le rotor par le stator).
Un courant rotorique apparait donc dans les barres du rotor et créer ainsi une aimantation de celui-ci qui tant à lui faire suivre l'alimentation des 4 bornes.
Je vais arrêter l'explication ici pour cette partie, si vous avez suivi déjà jusque là, vous avez les bases du fonctionnement du moteur asynchrone Tesla, et les bases, c'est le plus important.
Comment fonctionne un moteur à Aimant Permanant ?
Alors alors, cette fois-ci, Tesla a combiné deux procédés en un, pour produire des moteurs à aimant permanent et à réluctance.
Qu'est-ce que le moteur à réluctance ?
Nous vous schématisons juste au-dessus une représentation du phénomène de réluctance.
Pour ainsi dire, cette partie reste assez simple à comprendre. Le champ magnétique préfère, encore une fois, les matériaux conducteurs pleins au lieu des espaces vides.
Donc à l'alimentation de chaque pôle (6 au total cette fois ci) de façon alternative, exactement comme l'alimentation du stator du moteur à induction, les espaces pleins du rotor vont chercher à se rapprocher du champ émis par un pôle. En gros, le rotor cherchera toujours à s'aligner avec la direction du champ magnétique.
Que font les aimants permanents dans le fonctionnement ?
Les moteurs à réluctance ont un gros problème, surtout sur une voiture: leur fonctionnement est assez "saccadé". Les oscillations de couple du rotor donnent un fonctionnement moins linéaire que ce qu'on espère.
Les aimants disposés en V réduisent considérablement ce phénomène, ainsi qu'une électronique poussée pour connaître exactement la position du rotor, qui je rappelle, n'a pas de glissement par rapport au champ magnétique.
Cette disposition en V n'est pas au hasard, cela permet d'augmenter leur efficacité quand l'aimant arrive en face de la borne alimentée du stator et ainsi d'obtenir un meilleur rendement.
Pour finir, afin de limiter l'échauffement des aimants, Tesla a choisi non pas d'utiliser un seul aimant par section, mais d'en coller 4 l'un à l'autre en les séparant par un isolant.
Sans rentrer dans les détails, cette technique permet de limiter les courants de Foucault, qui sont une résistance produisant un échauffement.
Refroidissement d'un moteur électrique de voiture
Tesla tire aussi son épingle du jeu en adoptant un système de refroidissement hors du commun.
Pour ainsi dire, beaucoup de curieux se sont aventurés à démonter leur moteur, et la conception de ceux-ci est tout à fait étonnante.
Circuit de refroidissement d'une Tesla
En règle générale, un moteur électrique est refroidi par air, avec une turbine montée directement sur l'axe de rotor de celui-ci, mais évidemment, ce n'est pas le cas des Tesla.
La marque Californienne a choisi d'adopter un système vraiment efficace de refroidissement liquide qui est profitable aux moteurs, aux variateurs, aux batteries et à l'habitacle.
Le coup de génie de cette installation est de refroidir en premier lieu les moteurs ainsi que leurs variateurs associer, de repartir sur un radiateur d'habitacle et d'ensuite desservir les batteries afin de fermer le circuit.
Se servir d'un radiateur en façade avec un système de refroidissement liquide reprend le principe des voitures Thermiques. Le liquide de refroidissement se déverse aussi dans un échangeur thermique Liquide/Huile pour aussi refroidir l'huile présente dans la transmission double pignons.
Le dernier élément desservi est la batterie, car elle doit être maintenue à une température définie au lieu d'être trop refroidie.
Pour finir cette partie, il faut parler d'une autre innovation de Tesla : le fait d'utiliser des axes creux pour faire passer le liquide de refroidissement à l'intérieur des axes de transmission et moteur permet d'améliorer grandement la répartition thermique.
Pourquoi un moteur électrique chauffe ?
L'un des principaux défauts des moteurs Synchrones est sa perte de rendement dû au champ magnétique permanent. Cela créera une perte appelée courant de Foucault.
Encore une fois, restons dans la simplicité, ce courant s'oppose à la cause qui lui donne naissance. C'est d'autant plus embêtant sur des aimants permanents qui induisent un champ magnétique continuellement. Généralement, ils provoquent une perte d'énergie, mais Tesla règle ce problème avec la séparation des aimants en 4 partie et en utilisant la réluctance du moteur en question.
Dissipation thermique d'un moteur électrique
Généralement (Dieu sait que Tesla ne fait jamais partie de la généralité), la dissipation thermique est générée avec une forme d'ailette repartie sur le corps en aluminium (qui possède justement une bonne capacité pour évacuer les calories) au plus proche des éléments à l'origine de la création de cette chaleur.
Pour le coup, cette pratique est utilisée pour un refroidissement à air (souvent utilisé, mais c'est ce qui a de moins efficace) pour des raisons de coûts.
La marque de Palo Alto utilise les bains de liquide de refroidissement, directement en contact avec ces parties en aluminium. Les résultats de cette technique sont bien plus probants et stables.
Des voitures électriques performantes à l'intérieur, mais aussi à l'extérieur
C'est la fin de cette explication détaillée, vous êtes désormais un conducteur qui connaît la conception de l'élément principal de sa voiture !
Si vous êtes un amoureux des Tesla, sachez que nous avons de quoi la rendre encore plus désirable !
