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1Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
Le moteur roue électrique
dans les transports terrestres
Robert BERNARD
Directeur, NOVELTÉ Système,
6 avenue des usines 90000 BELFORTrobert.bernard@novelte-systeme.fr
En collaboration avec :
Christophe ESPANET
Professeur, Université de Franche-Comté
Institut FEMTO-ST, département ENISYS
christophe.espanet@univ-fcomte.fr
2Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
Moteurs électriques intégrés
dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
3Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
Moteurs électriques intégrés
dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
4Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Architecture directement issue du
véhicule traditionnel
Moteur
électrique
Boite de
vitesse
Différentiel
• Solution très proche des
véhicules traditionnels
• Réduction du couple max
et de la puissance max
MAIS
• Creux de couple
• Mauvaise utilisation des
propriétés intrinsèques
des entrainements
électriques
Embrayage
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1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Suppression de la boite de vitesse
Moteur
électrique
Réducteur
fixe
Différentiel
• Suppression de
l’embrayage
• Solution toujours très
proche d’un véhicule
traditionnel
MAIS
• Encombrement de la
fonction motrice
• Rendement, bruit et
fiabilité de la
transmission
• Pas de contrôle
indépendant de
chaque roue
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1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Disposition des moteurs à
proximité des roues
Moteur
électrique
Réducteur
Moteur
électrique
Réducteur
• Contrôle indépendant
des roues (2 voire 4)
• Utilisation possible
d’un réducteur de
façon simple
MAIS
• Architecture véhicule
en rupture
• Rendement du
réducteur
• Encombrement local
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1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Simplification ultime : intégration du
moteur (et éventuellement du
réducteur) dans la roue
Moteur-roue
Moteur-roue
Moteur-roue
Moteur-roue
• Contrôle indépendant des
roues (2 voire 4)
• Grande compacité de la
fonction motrice
• Rendement optimal de la
« transmission »
MAIS
• Difficultés d’intégration
• Contraintes importantes
sur le moteur (surtout en
l’absence de réducteur)
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1. Architectures des véhicules
électriques et hybrides
Réalisation possible d’une chaîne hybride simplifiée (plug’in)
General Motors, 2006
Moteur-roue
Moteur-roue
Moteur
thermique
Boite de
vitesse
Différentiel
Embrayage
Projet ANR PHÉBUS, 2008-2011(AIXAM, FEMTO, NSI, NOVELTÉ)
• Électrification simple du train arrière
• Propulsion électrique + récupération d’énergie
au freinage
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Moteurs électriques intégrés
dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
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2. Intérêts et limites des
moteurs-roues
Principaux avantages du moteur-roue
• 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
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2. Intérêts et limites des
moteurs-roues
Problème des masses non suspendues
Amortissement
du pneu
Amortissement
du véhicule
Masse non suspendue
irrégularité de la routedéformation du pneu et de
l’amortisseur
Si l’effet inertiel de la masse m1
est trop grand :
• risque de décollement du
pneu (tenue de route)
• fréquence des oscillations
plus basse (les oscillations
durent plus longtemps)
• confort
Le véhicule, son pneu et sa
suspension constituent un
système oscillant
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Moteurs électriques intégrés
dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
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3. Contraintes de dimension-
nement des moteurs-roues
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
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3. Contraintes de dimension-
nement des moteurs-roues
Optimisation de l’ensemble machine-convertisseur
T
Ω
Tmax
Zone de
fonctionnement à
puissance max
constante
Ωd : vitesse pour laquelle on atteint la tension
maximale disponible (l’augmentation de la vitesse se
fait par défluxage pour Ω > Ωd)
• Pour une tension max
donnée
• Plus Ωd est faible, plus le
nombre de spires n peut être
élevé et donc plus le courant
Imax peut être faible pour des
(n.I)max fixés
• Cela permet de limiter le
dimensionnement des
interrupteurs de puissance
et de la connectique
impose le volume et les
Ampère-tours max : (n.I)max
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3. Contraintes de dimension-
nement des moteurs-roues
Les différentes motorisations possibles
Critère MCC MAS MSRB MSAP MRV
Couple + - - ++ +
Rendement - - +/- ++ +
Possibilité de
vitesse élevée- +/- - +/- +
Facilité du
refroidissement- - +/- + +
Facilité du
défluxage+ + + +/- +/-
Robustesse - + - + +
Coût + + - - +
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Moteurs électriques intégrés
dans les roues - Agenda
1. Architectures des véhicules électriques
et hybrides
2. Intérêts et limites des moteurs-roues
3. Contraintes de dimensionnement des
moteurs-roues
4. Quelques exemples de moteurs-roues
17Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Le moteur-roue : une idée ancienne……
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
L’application la plus répandue : le vélo à assistance électrique
Le plus souvent :
• Moteur synchrone à aimants
permanents en surface
• Attaque directe
• Puissance de 150 à 250 W
• Vitesse de 200 à 250 tr/min
• Refroidissement par
convection naturelleWavecrest Laboratories, 2005
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue Ez-Wheel (07/2010)
Le concept : Roue électrique
autonome en énergie
• Batteries intégrées 24V-NiMH
(SAFT)
• Électronique puissance et
contrôle intégrées (Wifi)
• Moteur synchrone à aimants
(LS)
• Réducteur (ratio de 5)
• Puissance de 300 W
• C max de 70 Nm
• Refroidissement par
convection naturelle
20Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue asynchrone d’ALSTOM
• Moteur asynchrone +
réducteur
• 60-120 kW
• Vitesse max : 9200
tr/min
• Couple max : 500 N.m
• Refroidissement par
convection forcée (eau
+ glycol)
• Masse : 120 kgALSTOM CIVIS, 1999
21Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue TM4 : technologie et exemple de véhicule
• 4 Moteurs-roues (MR) synchrone à aimants permanents
• Attaque directe, structure non inversée
• Refroidissement par air
• Puissance nom/Puissance max par MR : 2.5 kW/10 kW
• Couple max par MR : 100 Nm
• VL de 425 kg – 110 km/h
Concept Quark (VE), PSA 2004
22Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue TM4 : technologie et exemple de véhicule
• 2 MR synchrone à aimants permanents sur le train AR
• Attaque directe, structure non inversée
• Refroidissement par liquide
• Puissance nom par MR : 15 kW
• Couple max par MR : 300 Nm
• Ω max : 1900 tr/min.
Concept Car C-Métisse (VH), PSA 2006
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue Magnet Motors : technologie
M69
* Continuous power: 120 kW
* Maximum torque: 2130 Nm
* Speed: 3210 rpm
* Dimensions: Ø 478mm x 180 mm
* Weight: 90 kg
* Liquid cooling
M70
* Continuous power: 50 kW
* Maximum torque: 1050 Nm
* Speed: 2200 rpm
* Dimensions: Ø 437mm x 134 mm
* Weight: 34 kg
* Liquid cooling
• Moteur synchrone à aimants
permanents et rotor extérieur
• Aimants montés en surface
• Bobinages concentrés refroidis
par liquide
• Grand entrefer
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteur-roue Magnet Motors : exemples de véhicules
• Essentiellement des véhicules lourds avec de
nombreux moteurs-roues (jusqu’à 8)
DPE 6x6 , DGA
2007
8x8 E-Drive, R.S.A
1997VT 8x8 E-Drive
1987
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Active wheel de Michelin : structure générale
• Machine à aimants permanents à rotor intérieur à concentration de flux
• Puissance : 30 kW continue
• Vitesse : 18 000 tr/min
• Fréquence : 900 Hz
• Masse totale : 5,8 kg
• Densité de puissance : 5,20 kW/kg
• Refroidissement à eau
26Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Véhicule urbain : Heuliez WILL Véhicule de sport Venturi Volage
Mondial Automobile
Paris 2008
Active wheel de Michelin : deux exemples de véhicules
Projet VELV avec PSA (Véhicule Électrique Léger de Ville),
Fond démonstrateur ADEME, 3 démonstrateurs pour fin 2011
27Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteurs NOVELTÉ / FEMTO : trois technologies développées
• Moteur synchrone à AP en
surface
• Rotor extérieur
• 30 kW – 420 tr/min. max
• 6 000 Nm max en direct
pendant 1 min.
• Liquid cooling
• Moteur synchrone à AP en
surface
• Rotor extérieur
• avec réducteur intégré
• 45 kW – 435 tr/min. max
• 20 000 N.m max pendant 20 s
• Liquid cooling
•
• Moteur à réluctance excités à
effet Vernier et rebouclage
transversal du flux
• Rotor extérieur
• 30 kW – 400 tr/min max
• 3 200 Nm max pendant 1 min.
sans réducteur
• Liquid cooling
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4. Quelques exemples de
moteurs-roues
Moteurs NOVELTE / FEMTO : Moteur-roue du projet Phébus
• Moteur synchrone à aimants permanents
• Attaque directe - Rotor extérieur
• Puissance nom/max : 1,5 kW/4,5 kW
• Couple max : 240 Nm
• Frein à tambour intégré
• Masse additionnelle : 12 kg
• Refroidissement à air
• Rend >95%
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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) machines à aimants dans la
(quasi) totalité des cas
• Limites actuelles : coût (grande série) et vulnérabilité
de la fonction motrice
30Concordat GENELEC, Paris, 26 & 27 janvier 2011
Conclusions
788 CV électriques! 330 km/h maxi
Couple de 1600 Nm sur les 4 roues, 0-100 km/h en 3,4 s
4 Moteurs roues de 197 CV – 400 Nm – 50 kg