Le moteur roue électrique dans les transports terrestres€¦ · 2011-06-08 · véhicule...

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 [email protected]

En collaboration avec :

Christophe ESPANET

Professeur, Université de Franche-Comté

Institut FEMTO-ST, département ENISYS

[email protected]

mailto:[email protected]







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





et hybrides



moteurs-roues



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




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




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




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)




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





et hybrides



moteurs-roues



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


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





et hybrides



moteurs-roues



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




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




Les différentes motorisations possibles

Critère MCC MAS MSRB MSAP MRV

Couple + - - ++ +

Rendement - - +/- ++ +

Possibilité de

vitesse élevée- +/- - +/- +

Facilité du

refroidissement- - +/- + +

Facilité du

défluxage+ + + +/- +/-

Robustesse - + - + +

Coût + + - - +





et hybrides



moteurs-roues



4. Quelques exemples de

moteurs-roues

Le moteur-roue : une idée ancienne……



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



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)


(LS)

• Réducteur (ratio de 5)

• Puissance de 300 W

• C max de 70 Nm


convection naturelle



moteurs-roues

Moteur-roue asynchrone d’ALSTOM

• Moteur asynchrone +

réducteur

• 60-120 kW

• Vitesse max : 9200

tr/min

• Couple max : 500 N.m


convection forcée (eau

+ glycol)

• Masse : 120 kgALSTOM CIVIS, 1999



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



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



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


permanents et rotor extérieur

• Aimants montés en surface

• Bobinages concentrés refroidis

par liquide

• Grand entrefer



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



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



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



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


• 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


• 30 kW – 400 tr/min max

• 3 200 Nm max pendant 1 min.

sans réducteur

• Liquid cooling



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%


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


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

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