Pas d’aimants, grande puissance : le moteur électrique de cinquième génération de BMW

Nous avons fait allusion à la puissance impressionnante du moteur BMW iX M60 dans notre premier aperçu, mais sa technologie de moteur électrique de cinquième génération mérite son propre examen. C’est parce que c’est à la fois extrêmement high-tech et un peu old-school. Voici ce que vous devez savoir et pourquoi il est si intéressant que BMW ait utilisé ce moteur sur l’iX M60. C’est une grande avancée en termes d’efficacité du moteur électrique, tout en s’affranchissant de l’utilisation de minéraux de terres rares.

Avant de plonger plus loin, si vous n’êtes pas familier avec les différents types de moteurs EV utilisés dans les véhicules, nous avons un cours complet E-Motor 101. N’hésitez pas à l’ouvrir dans un autre onglet et à l’utiliser comme référence. Mais tous les moteurs électriques s’appuient sur les propriétés de l’électromagnétisme pour convertir l’électricité en couple pour entraîner le véhicule. Un pôle d’un aimant étant attiré par le pôle opposé d’un autre, et comme les pôles se repoussant, c’est ce qui entraîne un moteur électrique. Une approche simple consiste à utiliser de puissants aimants permanents dans la partie tournante du moteur appelée rotor et un électroaimant (fils conducteurs enroulés autour d’un matériau ferromagnétique) dans la « boîte » fixe dans laquelle il tourne, appelée stator. Inverser la polarité électrique dans l’électroaimant inverse la polarité magnétique, et c’est cette commutation qui tire les aimants permanents. Mais les matériaux de terres rares qui fabriquent les aimants permanents deviennent difficiles à trouver, alors BMW s’en éloigne en utilisant des électroaimants à la fois dans le stator fixe et le rotor en rotation. Il s’appuie sur une technologie ancienne – les moteurs à balais – pour rendre cela possible.

Si vous jouez avec des chenilles radiocommandées ou avez démonté votre perceuse électrique, vous êtes familier avec les moteurs à balais. Ceux-ci existent depuis l’invention du moteur électrique et sont appelés « balais » car un ensemble de balais transmet l’électricité au rotor en rotation via ce qu’on appelle un commutateur sur le rotor. Les enroulements électromagnétiques du rotor sont alimentés par le commutateur. Lorsque la puissance est appliquée, des forces électromagnétiques sont créées à la fois dans le stator et le rotor, les commutant tous les deux de manière à faire tourner le rotor. L’augmentation de la vitesse de commutation dans les électroaimants et l’augmentation du courant entraînent une augmentation de la vitesse.

Le rotor peut inclure deux ou plusieurs champs électromagnétiques, chacun alimenté par une paire de contacts (et balais) sur le commutateur. De même, le moteur utilise aussi peu que deux balais, mais peut utiliser autant de balais que nécessaire pour atteindre les objectifs de conception. Les brosses peuvent être faites de presque n’importe quel matériau, tant que vous pouvez y faire passer un courant. Dans de nombreux cas, ces brosses sont frittées à partir de poudres métalliques et d’autres matériaux, tout comme vos plaquettes de frein. Même la façon dont les faces de la brosse sont rainurées peut affecter les performances, tout comme avec les plaquettes de frein. Et comme vos plaquettes de frein, les brosses et le collecteur génèrent de la poussière et de l’usure, nécessitant un remplacement périodique, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles ils ne sont actuellement pas utilisés dans les véhicules électriques ou hybrides modernes.

Ce qui nous amène à la majorité des moteurs que vous voyez sur la route aujourd’hui. Les moteurs sans balais utilisent soit des aimants permanents dans le composant qui tourne, soit ils « induisent » un champ magnétique dans un enroulement enroulé autour d’un matériau ferromagnétique dans le composant en rotation. Ce dernier type est connu sous le nom de moteur à induction AC asynchrone, et c’est ce que la plupart des Tesla ont commencé à utiliser.

Le plus gros avantage de cela est que les moteurs sans balais sont préférés aux moteurs à balais car ils éliminent l’entretien et la poussière qui accompagnent les brosses frottant une surface d’usure (le collecteur), ce qui augmente la durée de vie du moteur. Les inconvénients sont un coût initial plus élevé et des contrôleurs de vitesse de moteur plus compliqués qui nécessitent généralement trois capteurs à effet Hall pour mesurer correctement le positionnement du stator et du rotor (bien que certains contrôleurs modernes aient trouvé des moyens astucieux de se passer de ces capteurs).

Ce moteur BMW de cinquième génération n’a pas d’aimants. Il fonctionne comme un moteur synchrone à courant alternatif triphasé utilisant des balais et un commutateur pour alimenter les enroulements du rotor, ce qui signifie que les moteurs à balais à courant alternatif ne sont plus réservés aux locomotives électriques du tiers monde.

Nous avons interrogé BMW sur la durée de vie de ces balais et collecteurs, et sur ce qu’il advient de la poussière lorsqu’ils s’usent. Bien qu’ils ne puissent pas nous donner une estimation de la durée de vie des balais, ils nous ont rassurés sur le fait que les modules de balais sont « dans un compartiment fermé et scellé, éliminant la contamination par la poussière à l’intérieur du câblage du stator/rotor ». Quiconque a travaillé avec des freins ou même des moteurs à courant continu à balais sait à quel point ces particules de poussière sont fines. Il sera intéressant de voir à la fois combien de temps ils durent et combien de poussière ces modules contiendront (ou libéreront) réellement.

Les machines à aimants permanents se classent généralement parmi les moteurs électriques les plus puissants, mais il n’y a pas d’arrêt des aimants permanents. Leurs champs magnétiques ne changent jamais, donc lorsqu’ils ne sont pas alimentés par l’énergie dans l’enroulement du stator, ils génèrent de l’énergie. dans ces enroulements, ce qui crée de la traînée. C’est pourquoi certains véhicules électriques alimentés par plusieurs moteurs utilisent soit un embrayage pour découpler et mettre au ralenti un moteur à aimant permanent lorsqu’il n’est pas nécessaire, soit ils installent un moteur à induction AC asynchrone (qui ne subit pas de telles pertes) et un moteur à aimant permanent. Les métaux de terres rares qui composent les aimants permanents sont également de plus en plus difficiles à obtenir de manière éthique, la Chine contrôlant la plupart des réserves de terres rares, ce qui pousse BMW et d’autres constructeurs automobiles à rechercher d’autres moyens de fabriquer des moteurs électriques à forte densité de puissance.

Selon BMW, ce système de moteur de cinquième génération permet une plus grande densité d’énergie, une fréquence de commutation plus rapide et une meilleure gestion de la chaleur. « Tout cela », dit BMW, « se traduit par un régime plus élevé, plus de couple et encore plus de puissance. » BMW parie que les matériaux modernes et la technologie d’étanchéité permettront aux balais et aux collecteurs modernes de durer pendant un intervalle d’entretien raisonnable dans la durée de vie d’un véhicule électrique moderne.

À première vue, BMW n’exagère pas en termes de rendement. En effet, la puissance combinée standard des moteurs avant et arrière de l’iX M60 est de 532 ch et de 749 lb-pi de couple. Individuellement, le moteur avant fournit 255 ch tandis que le moteur arrière fournit 483 ch en fonctionnement normal. En mode Sport Boost, cela passe à 610 ch combinés tandis que le mode de lancement devrait vous claquer à l’arrière de votre siège avec 811 lb-pi de couple, combinés. Le tout sans modification de la puissance de la batterie et dans un ensemble qui vous offre une accordabilité beaucoup plus profonde du moteur.

Il est clair que la bataille pour la suprématie des moteurs sans aimant ne fait que commencer, et BMW répond à une critique clé fréquemment adressée aux véhicules électriques : s’appuyer sur des matériaux rares, parfois extraits de manière contraire à l’éthique, rend les véhicules électriques pires pour la planète. Nous entrons vraiment dans une période intéressante du développement des moteurs électriques.