Moteurs électriques intégrés dans les roues. Christophe Espanet Université de Franche-Comté Institut FEMTO-ST, département ENISYS

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1 Moteurs électriques intégrés dans les roues Christophe Espanet Université de Franche-Comté Institut FEMTO-ST, département ENISYS 1

2 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 2

3 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 3

4 Architecture directement issue du véhicule traditionnel Embrayage 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides Solution très proche des véhicules traditionnels Réduction du couple max et de la puissance max Moteur électrique Boite de vitesse Différentiel MAIS Creux de couple Mauvaise utilisation des propriétés intrinsèques des entrainements électriques 4

5 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides Suppression de la boite de vitesse Suppression de l embrayage Solution toujours très proche d un véhicule traditionnel MAIS Moteur électrique Réducteur fixe Différentiel Encombrement de la fonction motrice Rendement, bruit et fiabilité de la transmission Pas de contrôle indépendant de chaque roue 5

6 Disposition des moteurs à proximité des roues 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides Réducteur Moteur électrique Contrôle indépendant des roues (2 voire 4) Utilisation possible d un réducteur de façon simple MAIS Moteur électrique Réducteur Architecture véhicule en rupture Rendement du réducteur Encombrement local 6

7 Simplification ultime : intégration du moteur (et éventuellement du réducteur) dans la roue Moteur-roue 1. Architectures des véhicules Moteur-roue électriques et hybrides Contrôle indépendant des roues (2 voire 4) Grande compacité de la fonction motrice Rendement optimal de la «transmission» MAIS Moteur-roue Moteur-roue Difficultés d intégration Contraintes importantes sur le moteur (surtout en l absence de réducteur) 7

8 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides Réalisation possible d une chaîne hybride simplifiée (plug in) Moteur-roue Embrayage Projet ANR PHEBUS, 2007 (AIXAM, FEMTO, NSI, SERA, NOVELTE) Moteur thermique Boite de vitesse Différentiel Moteur-roue General Motors, 2006 Électrification simple du train arrière Propulsion électrique + récupération d énergie au freinage 8

9 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 9

10 Principaux avantages du moteur-roue 2. Intérêts et limites des Compacité de la fonction motrice permet de libérer de la place pour les sources d énergie électrique Suppression de la transmission mécanique rendement élevé car le moteur entraine directement les roues diminution du bruit, amélioration de la fiabilité Possibilité de contrôle vraiment indépendant de chaque roue réalisation simple de fonction avancée : antipatinage, répartition du couple possibilité de pivot 10

11 Problème des masses non suspendues 2. Intérêts et limites des Amortissement du véhicule Amortissement du pneu Le véhicule, son pneu et sa suspension constituent un système oscillant Masse non suspendue irrégularité de la route déformation du pneu et de l amortisseur Si l effet inertiel de la masse m 1 est trop grand : risque de décollement du pneu fréquence des oscillations plus basse (les oscillations durent plus longtemps) 11

12 2. Intérêts et limites des Analyse des solutions multi-moteurs : hypothèses On considère uniquement le cas de machines synchrones Expression simplifiée du couple (classique) : k w : coefficient de bobinage V ag : cylindrée T = 2k w V ag Bag F p π pr B ag : induction moyenne sous un pôle dans l entrefer F p : Force magétomotrice par pôle p : nombre de paires de pôles R : rayon d entrefer La masse totale de la machine est proportionnelle à la cylindrée Les pertes fer sont négligées et les pertes Joule sont proportionnelles à la densité de courant dans les encoches et la charge linéique Les échauffements sont proportionnels aux pertes Joule et inversement proportionnels à R 2 12

13 2. Intérêts et limites des Analyse des solutions multi-moteurs : comparaison à rendement des moteurs constants 13

14 2. Intérêts et limites des Analyse des solutions multi-moteurs : comparaison à échauffements des moteurs constants 14

15 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 15

16 3. Contraintes de dimensionnement des Optimisation de l encombrement et de la masse Le volume est limité par l encombrement de la roue En l absence de réducteur le couple doit être très important machines à forte polarité et faible vitesse En présence de réducteur, il faut intégrer le réducteur mais la machine est moins volumineuse car elle doit fournir moins de couple machines rapides à faible polarité Encombrement limité + fort couple = forts échauffements difficulté pour refroidir le moteur et intégrer le système de refroidissement 16

17 3. Contraintes de dimensionnement des Optimisation de l ensemble machine-convertisseur T T max impose le volume et les Ampère-tours max : (n.i) max Zone de fonctionnement à puissance max constante Pour une tension max donnée Plus Ω d est faible, plus le nombre de spires n peut être élevé et donc plus le courant I max peut être faible pour des (n.i) max fixés Cela permet de limiter le dimensionnement des interrupteurs de puissance et de la connectique Ω d : vitesse pour laquelle on atteint la tension maximale disponible (l augmentation de la vitesse se fait par défluxage pour Ω > Ω d ) Ω 17

18 Les différentes motorisations possibles 3. Contraintes de dimensionnement des Critère MCC MAS MSRB MSAP MRV Couple Rendement - - +/ Possibilité de vitesse élevée Facilité du refroidissement Facilité du défluxage - +/- - +/ / /- +/- Robustesse Coût

19 Moteurs électriques intégrés dans les roues - Agenda 1. Architectures des véhicules électriques et hybrides 2. Intérêts et limites des 3. Contraintes de dimensionnement des 4. Quelques exemples de 19

20 Le moteur-roue : une idée ancienne 4. Quelques exemples de 20

21 4. Quelques exemples de L application la plus répandue : le vélo électrique Le plus souvent : Vavecrest Laboratories Moteur synchrone à aimants en surface Attaque directe Puissance de 150 à 300 W Vitesse de 200 à 250 tr/min Refroidissement par convection naturelle 21

22 4. Quelques exemples de Moteur-roue asynchrone d Alstom ALSTOM CIVIS, 1999 Moteur asynchrone + réducteur kw Vitesse max : 9200 tr/min Couple max : 500 N.m Refroidissement par convection forcée (eau + glycol) Masse : 120 kg 22

23 Moteurs-roues TM4 : la technologie 4. Quelques exemples de Moteur synchrone à aimants en surface Attaque directe Refroidissement par liquide Exemple : Peak Power : 80 kw Nominal 950 rpm : 18.5 kw Peak torque : 670 Nominal 950 rpm : 180 Nm Peak speed : 1385 rpm Max continuous speed : 1235 rpm Efficiency under continuous 950 rpm : 96.3 % Maximum supply voltage : 500 VDC 23

24 Moteur-roue TM4 : exemple de véhicule 4. Quelques exemples de MINI QED (Quad Electric Drive), 2007 Emissions : Zero (4 hours) Autonomy : 1000km Top speed : 200kph minimum Acceleration : 0 100kph > 5 seconds Braking : No mechanical brakes Fuel : gasoline Fuel consumption : mpg 24

25 Moteur-roue Magnet Motors : technologie M69 * Continuous power: 120 kw * Maximum torque: 2130Nm * Speed: 3210 rpm * Dimensions: Ø 478mm x 180 mm * Weight 90 kg 4. Quelques exemples de M70 * Continuous power: 50 kw * Maximum torque: 1050 Nm * Speed: 2200 rpm * Dimensions: Ø 437mm x 134 mm * Weight 34 kg Moteur synchrone à aimants permanents et rotor extérieur Aimants montés en surface Bobinages concentrés refroidis par liquide 25

26 4. Quelques exemples de Moteur-roue Magnet Motors : exemples de véhicules Essentiellement des véhicules lourds avec de nombreux (jusqu à 8) 26

27 4. Quelques exemples de Moteur-roue du métro VAL Moteur synchrone à aimants permanents et rotor extérieur Un étage de réduction Puissance : 65 kw Vitesse lente : 2100 tr/min Développement par Fiat et Matra, fabrication actuelle par Alstom 27

28 Active wheel de Michelin : structure générale 4. Quelques exemples de Peu de détails sur les performances et les dimensions de la machine Puissance : 30 kw continue Vitesse : tr/min Masse totale : 5,8 kg Densité de puissance : 6,55 kw/kg 28

29 4. Quelques exemples de Active wheel de Michelin : conception de la machine Informations issues de brevets 3 phases et 18 encoches Séparation culasse et dents Imprégnation des bobinages avec un matériau à forte conductivité Refroidissement à eau 6 pôles Concentration de flux Tenue des aimants par cales métalliques Tenue des tôles par tirants et flasques 29

30 4. Quelques exemples de Active wheel de Michelin : deux exemples de véhicules Mondial Automobile Paris 2008 Véhicule urbain : Heuliez WILL Véhicule de sportventuri Volage 30

31 4. Quelques exemples de Moteurs NOVELTE / FEMTO : trois technologies développées y z x Moteur synchrone à AP en surface 30 kw 420 tr/min max N.m max en direct pendant 1 min Moteur synchrone à AP en surface 45 kw 435 tr/min max N.m max pendant 20 s avec réducteur intégré Moteur à réluctance excités à effet Vernier et rebouclage transversal du flux 30 kw 400 tr/min max N.m max pendant 1 min sans réducteur 31

32 Conclusions Moteur-roue architecture véhicule de rupture (compacité de la fonction motrice, pas de transmission, nouvelles fonctionnalités) Nécessité de motorisations fortement optimisées (fort couple dans un faible encombrement, refroidissement très poussé, défluxage) machine à aimants dans la (quasi) totalité des cas Limites actuelles : coût et vulnérabilité de la fonction motrice 32

33 Merci pour votre attention! Moteurs électriques intégrés dans les roues Christophe Espanet Université de Franche-Comté Institut FEMTO-ST, département ENISYS 33

34 4. Quelques exemples de D autres exemples Siemens VDO + Volvo 34