Ce que l'aimant fait vraiment dans un moteur électrique

Un aimant permanent de moteur électrique est la pièce qui entretient le champ magnétique du rotor sans consommer le moindre watt, pour que le courant des bobinages du stator produise un couple et fasse tourner l'arbre. Quatre matériaux s'y emploient : le néodyme fer bore, le samarium cobalt, la ferrite et l'alnico. La nuance retenue, sa tenue en température et son mode de fixation décident du rendement, de la plage de vitesse et de la fiabilité d'un moteur à aimant permanent, du vélo à assistance au véhicule électrique de forte puissance.

Comment un aimant fait tourner un moteur électrique

Tout part d'une observation de 1820 : le physicien danois Hans Christian Ørsted remarque qu'un fil parcouru par un courant fait dévier l'aiguille d'une boussole posée à côté. Un courant produit donc un champ magnétique, et deux champs qui se croisent exercent l'un sur l'autre une force. Un moteur électrique n'est rien d'autre que l'exploitation mécanique de cette force, organisée pour qu'elle s'applique toujours dans le même sens de rotation.

La grandeur physique en jeu porte un nom : la force de Laplace, qui s'exerce sur un conducteur parcouru par un courant et plongé dans un champ magnétique. Son intensité dépend du courant, de la longueur du conducteur et de l'induction, et son sens des orientations respectives des deux. Toute la conception d'une machine tournante consiste à disposer conducteurs et aimants pour que ces forces s'additionnent au lieu de se contrarier, puis à commuter le courant au bon moment pour que le mouvement se poursuive.

Qu'est-ce qu'un moteur à aimant permanent ?

C'est une machine dont le rotor porte des aimants au lieu de bobines alimentées. Le stator, lui, reste bobiné : c'est lui qui reçoit le courant alternatif de l'onduleur. Le champ tournant créé par le stator entraîne le rotor, dont les aimants s'alignent sur lui et le suivent exactement à la même vitesse de rotation. De là vient le nom de moteur synchrone à aimant permanent, abrégé en PMSM d'après la désignation anglaise permanent magnet synchronous motor, celle que l'on trouve sur la plupart des fiches techniques. Un moteur à induction, aussi appelé moteur asynchrone, procède autrement : son rotor n'a pas d'aimant, le champ du stator y induit lui-même des courants, et il doit tourner légèrement moins vite que le champ pour que cette induction existe.

Trois autres sigles reviennent dans les catalogues et méritent d'être traduits, faute de quoi deux machines très différentes se ressemblent sur le papier. BLDC, pour brushless direct current motor, désigne un moteur sans balais alimenté en créneaux de courant continu. SPM, surface permanent magnet motor, indique que les aimants sont collés sur la face extérieure du rotor. IPM, interior permanent magnet motor, qu'ils sont logés à l'intérieur des tôles. Ces deux dernières lettres changent le comportement de la machine bien plus que la marque inscrite sur la carcasse.

Autour des aimants, la structure du rotor et du stator est faite de tôles de fer doux empilées et isolées les unes des autres. Ce circuit magnétique canalise le flux et le referme ; sans lui, une grande partie du champ se perdrait dans l'air. Le feuilletage n'a rien de cosmétique, il limite les courants de Foucault qui chaufferaient inutilement la masse métallique. Les fabricants soignent autant cette pièce que l'aimant lui-même, parce qu'un circuit mal dimensionné ruine les performances d'une nuance coûteuse.

Le couple, c'est-à-dire l'effort de rotation disponible sur l'arbre, dépend directement de l'induction que l'aimant impose dans l'entrefer, du courant admis dans le bobinage et de la surface active. La puissance de sortie, elle, est le produit de ce couple par la vitesse angulaire. Un même moteur peut donc afficher une puissance identique avec beaucoup de couple à faible vitesse ou peu de couple à haute vitesse, ce qui est exactement la question que pose le choix d'un réducteur.

Les quatre matériaux magnétiques qui se disputent le rotor

Le catalogue des matériaux magnétiques permanents utilisables dans une machine tournante est court, et les domaines d'emploi se recouvrent peu. Les valeurs ci-dessous sont des ordres de grandeur usuels ; chaque fabricant publie les siennes, nuance par nuance.

Pourquoi le néodyme s'est imposé

Un aimant NdFeB concentre dans un volume donné deux à trois fois plus d'énergie magnétique qu'une ferrite. Pour une même puissance, le rotor est plus court, plus léger, et l'inertie qu'il faut accélérer diminue d'autant. C'est la raison pour laquelle les aimants NdFeB équipent aujourd'hui la quasi-totalité des moteurs de traction, des drones et des machines-outils rapides. Le prix payé pour cette densité est une sensibilité forte à la chaleur et à la corrosion : la pièce reçoit presque toujours un revêtement nickel cuivre nickel ou une résine époxy, sans lequel elle se délite en atmosphère humide.

Ce matériau est récent à l'échelle industrielle. Il a été mis au point en 1982 et 1983, presque simultanément et sans concertation, par Masato Sagawa chez Sumitomo Special Metals au Japon et par une équipe de General Motors aux États-Unis, chacun déposant ses brevets. Les deux voies de fabrication qui en découlent, le frittage d'une poudre et la trempe ultrarapide d'un ruban, coexistent encore aujourd'hui. Les moteurs à aimants NdFeB compacts que l'industrie considère comme ordinaires n'existent donc que depuis une quarantaine d'années.

Le samarium cobalt, irremplaçable quand il fait chaud

Le samarium cobalt perd environ 0,03 % de rémanence par degré, contre 0,11 à 0,12 % pour le néodyme. L'écart paraît minuscule ; sur cent degrés d'élévation, il fait la différence entre un moteur qui perd 3 % de couple et un moteur qui en perd 12 %. Ajoutez une résistance à l'oxydation qui dispense de tout revêtement, et l'on comprend pourquoi ce matériau reste le choix des équipements de fond de puits, des actionneurs aéronautiques et des moteurs installés près d'un four, malgré un coût nettement supérieur.

La ferrite n'a pas dit son dernier mot

Une ferrite frittée ne coûte qu'une fraction du prix d'une terre rare, ne rouille pas et supporte la chaleur sans broncher. Sa faible induction interdit les moteurs compacts, mais dans une pompe de lave-linge, un ventilateur de hotte ou un compresseur de réfrigérateur, l'encombrement disponible n'est pas la contrainte. Depuis la flambée du prix des terres rares, plusieurs fabricants ont d'ailleurs redessiné des machines autour de la ferrite en acceptant un rotor plus volumineux.

L'alnico, survivance d'une autre époque

Son nom dit sa composition : c'est un alliage d'aluminium, de nickel et de cobalt, additionné de fer et parfois de cuivre ou de titane. Il fut le matériau des premiers moteurs à aimant permanent, avant l'arrivée de la ferrite puis des terres rares. Sa rémanence reste élevée, mais sa faible résistance à la démagnétisation le condamne dans une machine moderne : le champ du stator suffit à l'affaiblir. On le rencontre encore dans des capteurs, des instruments de mesure et quelques petits moteurs anciens que l'on remet en état, où sa stabilité en température fait toute la qualité.

Les types de moteur, et la place de l'aimant dans chacun

Le type de moteur retenu dépend moins du sujet traité que de la contrainte dominante : le prix d'achat, la plage de vitesse à couvrir, la disponibilité de la matière ou le rendement sur un cycle réel d'utilisation.

Quelle est la plage de vitesse d'un moteur à aimant permanent ?

Elle se lit en deux temps. Jusqu'à la vitesse dite de base, le couple reste constant et la puissance croît. Au-delà, la tension disponible à la sortie de l'onduleur ne suffit plus à contrer la force contre-électromotrice que le rotor engendre en tournant : on injecte alors un courant qui affaiblit le champ des aimants, ce que l'on nomme la défluxation, pour continuer à monter en régime à puissance constante. Une machine bien conçue couvre ainsi une plage de vitesse de trois à quatre fois sa vitesse de base, parfois davantage sur les moteurs de traction. La contrepartie est réelle : la défluxation consomme du courant sans produire de couple, donc le rendement à haute vitesse se dégrade.

Aimants en surface ou aimants enterrés

Deux montages coexistent, et le choix se voit à l'usage. Dans un rotor à aimants de surface, les pièces sont collées sur la circonférence, le plus souvent sous forme d'aimant de segment d'arc, une tuile incurvée dont le rayon épouse celui du rotor. Le montage est simple, le champ dans l'entrefer presque sinusoïdal, et l'ensemble se prête aux machines à faible vitesse comme les entraînements directs d'éolienne.

Dans un rotor à aimants enterrés, les blocs sont insérés dans des logements découpés à l'intérieur des tôles. La géométrie du fer crée alors une différence de réluctance entre les deux axes du rotor, qui ajoute au couple magnétique un couple dit de réluctance, gratuit du point de vue de la matière. Ce montage tolère mieux la défluxation, protège mécaniquement les aimants et autorise des vitesses élevées. C'est la solution retenue par presque toutes les marques automobiles pour leurs moteurs de traction.

À haute vitesse, la force centrifuge devient le premier ennemi du collage. Un rotor tournant à 15 000 tours par minute soumet ses aimants à plusieurs milliers de fois leur propre poids. Les constructeurs ajoutent alors un frettage : une chemise mince en acier inoxydable ou, plus souvent aujourd'hui, un bandage de fibre de carbone bobinée sous tension autour du rotor. Une rupture de collage à ces régimes ne se répare pas, elle détruit le moteur.

La température, la vraie limite d'un aimant de moteur

On lit souvent que la limite d'un aimant néodyme est sa température de Curie, comprise entre 310 et 370 degrés selon la composition. C'est exact et trompeur : à cette température l'aimantation disparaît totalement et définitivement, mais la pièce perd déjà irréversiblement une partie de ses propriétés bien avant, dès que l'on dépasse sa température maximale de travail. Pour une nuance N standard, celle-ci se situe autour de 80 degrés, ce qui est peu pour un rotor enfermé dans une carcasse.

Les fabricants proposent donc des nuances haute température, désignées par des lettres accolées au numéro : M, H, SH, UH, EH, jusqu'à environ 230 degrés pour les plus tenaces. Cette tenue s'obtient en substituant du dysprosium ou du terbium à une partie du néodyme, deux terres rares lourdes encore plus rares et plus chères que le néodyme lui-même. Une nuance N42SH coûte donc sensiblement plus cher qu'une N42 ordinaire, à performance magnétique voisine à froid.

Un détail échappe presque toujours aux acheteurs : la température maximale annoncée sur une fiche technique suppose une géométrie de référence. Un aimant mince et large se démagnétise à plus basse température qu'un aimant épais de même nuance, parce que son propre champ démagnétisant est plus intense. Les bureaux d'études parlent de coefficient de perméance. Dans ces conditions, deux pièces de la même nuance et du même fournisseur n'ont pas la même limite réelle, et c'est l'origine la plus fréquente des pertes d'aimantation constatées en service.

Comment choisir un aimant pour un moteur ?

Le choix se fait dans cet ordre, et non en partant de la force maximale disponible au catalogue.

• La température maximale réellement atteinte au rotor en charge, mesurée et non estimée, puis la nuance qui la couvre avec une marge de sécurité de vingt à trente degrés.
• L'épaisseur de l'aimant dans le sens de son aimantation, qui conditionne sa résistance à la démagnétisation autant que la nuance retenue.
• Le sens d'aimantation demandé : radial, parallèle ou diamétral, une information qui ne se lit pas sur la pièce et doit figurer au plan.
• Le revêtement, imposé par l'ambiance : nickel cuivre nickel pour un usage courant, époxy ou parylène en atmosphère humide ou saline.
• Les tolérances dimensionnelles, plus serrées que sur un aimant de bricolage, car un jeu de collage irrégulier déséquilibre le rotor.
• La méthode de fixation, collage structural seul ou collage plus frettage, décidée à partir de la vitesse maximale et non de la vitesse nominale.

Un point mérite d'être dit clairement à qui achète pour la première fois : un aimant de moteur ne porte aucune marque, aucune référence et aucune indication de nuance. Rien ne distingue visuellement une N35 d'une N52, ni une N42 d'une N42UH. Seule la fiche du lot, ou une mesure de flux, permet de savoir ce que l'on a entre les mains. C'est la raison pour laquelle un contrôle de la force réellement développée à la réception vaut mieux qu'une confiance aveugle dans la désignation portée sur le sachet.

Ce que l'aimant change vraiment au rendement

Dans un moteur à induction, une partie du courant du stator sert uniquement à magnétiser le rotor, et les courants induits dans la cage y produisent de la chaleur. Remplacer cette excitation par des aimants supprime ces deux pertes d'un coup. Le gain est le plus visible à charge partielle, c'est-à-dire dans la plupart des situations réelles : une pompe qui tourne à 40 % de sa capacité nominale, un véhicule qui roule à vitesse stabilisée. Sur un cycle complet, l'écart entre les deux technologies dépasse souvent les quelques points annoncés sur la plaque signalétique.

Comment améliorer l'efficacité d'un moteur électrique ?

Trois leviers agissent avant tout changement de matériau. Le premier est le dimensionnement : un moteur trop puissant pour sa charge travaille en permanence dans sa zone de moindre rendement. Le deuxième est la commande, car un pilotage vectoriel bien réglé maintient le courant en phase avec le champ et évite d'appeler de la puissance qui ne produit pas de couple. Le troisième est le refroidissement, puisqu'un rotor plus froid conserve une rémanence plus élevée et se démagnétise moins. Passer d'une nuance ordinaire à une nuance haute performance ne vient qu'ensuite, et l'écart obtenu est souvent inférieur à celui que rendent les trois premiers.

La même machine sert de moteur et de génératrice

Une machine à aimant permanent est réversible par construction. Entraînez son arbre au lieu de l'alimenter, et les aimants font défiler leur champ devant les bobinages du stator, qui produisent alors un courant : le moteur devient un générateur, sans qu'aucune pièce ne change. Cette réversibilité n'est pas une curiosité de laboratoire, elle est au coeur du fonctionnement des transports électriques.

Sur un véhicule, c'est elle qui permet le freinage régénératif : à la décélération, l'onduleur inverse le sens du transfert d'énergie, la chaîne de propulsion renvoie du courant vers la batterie et le couple de freinage remplace en partie celui des plaquettes. Le rendement d'une machine à aimant permanent joue donc deux fois sur l'autonomie, à la traction et à la récupération. Les éoliennes exploitent la même propriété en sens unique : leur génératrice à aimant permanent, entraînée à faible vitesse par le rotor, dispense du multiplicateur mécanique et de son entretien.

Quelles sont les applications des moteurs à aimants permanents ?

Les applications se sont multipliées à mesure que l'électronique de commande devenait abordable. On trouve des moteurs à aimant permanent dans la traction des véhicules électriques et des vélos à assistance, dans les compresseurs de climatisation à vitesse variable, dans les pompes de chauffage à haut rendement, dans les broches de machine-outil, dans les drones, dans la robotique et les convoyeurs industriels, dans les ascenseurs à entraînement direct et dans les éoliennes sans multiplicateur. Le point commun de cette liste est la recherche d'un couple élevé dans un volume contraint, ou d'un rendement tenu sur une plage de fonctionnement large.

Le marché de remplacement suit la même logique. Un moteur asynchrone de ventilation remplacé par une machine à aimant permanent de puissance équivalente occupe moins de place et consomme moins, à condition que le variateur soit prévu pour ce type de moteur, ce qui n'est pas toujours le cas sur une installation ancienne.

Terres rares : une dépendance que les constructeurs cherchent à réduire

Le néodyme, le dysprosium et le terbium sont extraits et surtout séparés très majoritairement en Chine, qui concentre l'essentiel de la capacité mondiale de raffinage. La crise des prix de 2011, où certaines terres rares ont été multipliées par dix en quelques mois, a servi d'avertissement à toute la filière automobile. Depuis, plusieurs marques ont engagé des programmes de réduction, voire de suppression, de ces matériaux dans leurs moteurs.

Trois voies coexistent. La première consiste à diminuer la quantité de terres rares lourdes par diffusion en surface du dysprosium plutôt que par ajout dans la masse, ce qui divise la teneur nécessaire. La deuxième revient au rotor bobiné, dont l'excitation électrique se règle et se coupe, au prix de bagues et de balais ou d'un transformateur tournant. La troisième mise sur la machine synchro-réluctante, dont le rotor n'est qu'un empilage de tôles découpées. Aucune ne rend le néodyme obsolète à court terme, mais chacune réduit l'exposition à une matière première dont l'approvisionnement dépend d'un seul pays.

Le recyclage progresse en parallèle, encore modestement. Un moteur de véhicule électrique en fin de vie contient un à deux kilogrammes d'aimants ; les filières de récupération des aimants néodyme commencent à traiter ces gisements, dont le volume ne deviendra significatif qu'avec l'arrivée massive des premières générations en fin de service.

Le moteur magnétique à mouvement perpétuel n'existe pas

Il faut le dire, parce que la recherche revient régulièrement et que des vidéos entretiennent la confusion : aucun assemblage d'aimants permanents ne peut faire tourner un arbre indéfiniment sans apport d'énergie. Un aimant crée un champ, il ne fournit pas de travail. Faire tourner un rotor demande de l'énergie électrique, et le champ magnétique ne fait que la convertir en énergie mécanique, avec des pertes.

Les dispositifs présentés comme des moteurs à mouvement perpétuel comportent toujours une source cachée, une inertie initiale que l'on prend pour un régime établi, ou une durée d'observation trop courte. Sur ce point, la distinction entre un aimant permanent et un électroaimant alimenté aide à comprendre : le second consomme visiblement du courant pour produire son champ, le premier a reçu son aimantation une fois pour toutes lors de sa fabrication et la restitue sous forme de champ, jamais sous forme de travail.