L'utilisation de terres rares dans diverses technologies modernes a attiré l'attention au fil des ans. Mais avec l'augmentation de la demande de véhicules électriques, la question a été mise en avant.

En 2022, 82 % du marché des voitures électriques utilisaient des moteurs électriques basés sur des aimants permanents à base de terres rares.

La Chine contrôle en grande partie l'approvisionnement en terres rares, ce qui a entraîné une forte volatilité des prix au cours des dernières années, avec une forte hausse en 2011/2012 et une forte augmentation entre 2021 et 2022.

IDTechEx prévoit une augmentation significative des technologies de moteurs sans terres rares.

La construction d'un moteur électrique

Pour décrire brièvement la construction d'un moteur électrique, une partie fixe (le stator) comporte des bobines de métal (généralement du cuivre) alimentées par un courant électrique pour générer un champ magnétique. Ce champ fait ensuite tourner la partie rotative du moteur (le rotor). Dans un moteur à aimants permanents (PM) en terres rares, les aimants sont situés sur le rotor.

Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour éliminer l'utilisation des terres rares dans les moteurs électriques.

1 - Le moteur à induction

Dans un moteur à induction (ou moteur asynchrone), le champ magnétique rotatif produit par le stator induit des courants sur le rotor, qui à son tour produit un champ magnétique qui est attiré/repoussé par le champ radial des enroulements du stator. Le moteur à induction utilise des barres ou des enroulements en cuivre ou en aluminium sur le rotor. Ces moteurs présentent généralement une bonne densité de puissance de pointe et de couple sur de courtes périodes, mais leur gestion thermique peut s'avérer difficile et leur rendement est généralement inférieur à celui des moteurs à particules.

Les moteurs à induction sont courants sur le marché des véhicules électriques, étant le choix principal de Tesla jusqu'à la sortie du modèle 3 (qui a adopté une conception sans terres rares).

Sur le marché automobile, certains partisans subsistent, comme Audi et Mercedes, mais les moteurs à induction sont désormais largement utilisés comme moteur secondaire, pour les accélérations, car ils ne créent pas de traînée lorsqu'ils ne sont pas utilisés, ce qui élimine le besoin d'un découpleur.

2 - Le moteur à rotor bobiné

Également connu sous le nom de moteur synchrone à excitation externe (EESM), le moteur synchrone à rotor bobiné (WRSM) remplace les aimants du rotor par des bobines qui peuvent être alimentées par un courant continu pour générer un champ magnétique.

Cela présente l'avantage de pouvoir contrôler à la fois le champ du stator et celui du rotor.

Les inconvénients sont les étapes de fabrication supplémentaires requises pour ajouter des enroulements au rotor et les balais nécessaires pour transmettre la puissance au rotor.

Jusqu'à présent, ces moteurs avaient une densité de puissance et de couple plus faible, mais les versions modernes sont comparables aux moteurs à particules.

Renault a été le premier constructeur à promouvoir cette technologie dans la Zoe.

BMW et Nissan ont adopté cette conception.

Mahle a présenté une version avec transfert d'énergie sans fil vers le rotor, éliminant ainsi les balais.

3 - Le moteur à réluctance commutée

Les moteurs à réluctance commutée (MRS) sont potentiellement les plus simples à construire, le rotor étant essentiellement constitué d'acier. L'acier du rotor a une faible réluctance par rapport à l'air qui l'entoure, de sorte que le flux magnétique se déplace préférentiellement à travers l'acier tout en essayant de raccourcir le trajet du flux, ce qui fait tourner le rotor.

Malgré leur simplicité et leur fiabilité, les moteurs à réluctance commutée (MRS) sont généralement caractérisés par une densité de puissance et de couple plus faible, ainsi que par d'autres problèmes, notamment l'ondulation du couple et le bruit acoustique.

Alors que les moteurs à réluctance commutée (MRS) ont été largement confinés à des applications plus industrielles ou lourdes, des efforts considérables sont consacrés à leur développement pour les véhicules électriques.

Des entreprises comme Turntide Technologies ont ajouté plus de pôles au rotor et au stator et ont mis au point des systèmes de contrôle plus sophistiqués pour surmonter les problèmes traditionnels.

La société britannique Advanced Electric Machines a mis au point un nouveau type de moteur à rotor segmenté dont la construction reste simple, mais qui est censé éliminer le bruit acoustique et l'ondulation du couple tout en améliorant la puissance et la densité du couple.

4 - Matériaux magnétiques alternatifs

Alors que de nombreux équipementiers ont régulièrement réduit la teneur en terres rares de leurs moteurs, Tesla a suscité beaucoup d'intérêt en déclarant que son système d'entraînement de prochaine génération serait un moteur à aimants permanents (PM) sans terres rares.

Plusieurs projets (à des niveaux de commercialisation variables) sont en cours pour développer des aimants sans terres rares capables de rivaliser en termes de performances magnétiques.

Le problème des matériaux magnétiques alternatifs est que leurs performances magnétiques sont généralement bien moins bonnes.

Certains fabricants de moteurs à aimants en terres rares et en ferrite affichent une réduction de puissance de 50 à 70 % pour la version en ferrite d'un moteur de même taille. Pour obtenir les mêmes performances, il faut un matériau magnétique beaucoup plus important et/ou un moteur beaucoup plus grand.

Proterial a mis au point des aimants dont les propriétés magnétiques sont, selon Proterial, "les plus élevées au monde parmi les aimants en ferrite". La conception du moteur ne nécessite que 20 % de matériau magnétique en plus pour que la densité de puissance du moteur reste la même.

Niron Magnetics développe des aimants en nitrure de fer, dont les versions de prochaine génération devraient rivaliser avec les performances du néodyme.

Passenger est un projet européen qui développe des alliages de ferrite de strontium et de carbone d'aluminium et de manganèse.

Les matériaux aux performances réellement comparables sont encore loin dans le futur.

5 - Un moteur à ferrite à grande vitesse avec d'autres optimisations

L'adoption d'aimants en ferrite réduirait considérablement les performances du moteur, mais l'optimisation de nombreuses autres caractéristiques du moteur pourrait minimiser cet impact.

L'entreprise technologique australienne Ultimate Transmissions a déposé un brevet pour une conception de moteur à ferrite qui, selon elle, pourrait être l'une des voies que Tesla pourrait emprunter pour éliminer les terres rares dans un moteur à particules.

La conception utilise des aimants en ferrite beaucoup plus grands et des vitesses plus élevées (20 000 tr/min) pour obtenir une puissance comparable à celle d'un moteur à aimants permanents (PM) en terres rares de taille similaire.

L'un des défis consiste à contenir efficacement les aimants dans le rotor.

Une solution potentielle consisterait à utiliser une enveloppe en fibre de carbone sur le rotor (une technologie que Tesla a déjà démontrée dans ses véhicules Plaid).

Une autre difficulté réside dans le fait que les aimants en ferrite doivent être chauffés pour fonctionner de manière optimale, ce qui est l'inverse des aimants en néodyme, mais n'est pas irréalisable.

Dans les simulations, cette approche a montré une puissance similaire, des coûts et un poids réduits au prix d'un couple légèrement réduit et d'une pile plus longue.

Cette conception en est encore au stade de la simulation et Tesla pourrait adopter une approche différente, en utilisant ses propres matériaux magnétiques alternatifs.

Conclusions pour l'avenir

La réduction de la teneur en terres rares des moteurs électriques fait l'objet d'une attention croissante, en particulier en dehors de la Chine.

Il existe plusieurs stratégies, chacune ayant ses propres compromis et opportunités pour les fabricants de moteurs et les fournisseurs de matériaux.

IDTechEx prévoit que les moteurs à particules à base de terres rares resteront la technologie dominante, en grande partie grâce à la prédominance de la Chine sur le marché des véhicules électriques et aux autres mines qui commencent à être exploitées dans le monde.

Les options sans terres rares représenteront, selon IDTechEx, près de 30 % du marché en 2034.

Source: IDTechEx

L'auteur : Dr James Edmondson, Analyste Technologique Principal chez IDTechEx