Quelles sont les techniques électromécanique appliquées aux voitures électriques ?

Bonjour,

Les techniques et connaissances électromécaniques appliquées au moteur de voiture électrique sont nombreuses et complexes. N'étant pas ingénieurs ou électrotechniciens, il nous sera difficile de les explorer ici. Le dictionnaire de l'Académie française donne cette définition de l'Électromécanique : Etude des rapports entre systèmes électriques et systèmes mécaniques. Ensemble des applications de l’électricité à la mécanique. 

Wikipédia précise que l'Électromécanique est directement issue de l'électrotechnique, dont le domaine immense des sciences de l'électricité a nécessité l'apparition de sous-catégories, telles les télécommunications, l'électronique ou l'électromécanique.

D'après l'article 1 - Electromechanical systems / Richard Crowder, Electric Drives and Electromechanical Systems (Second Edition), Butterworth-Heinemann, 2020, pages 1-35, ces techniques réunissent celles de l'électricité (alimentation, capteurs, interface réseau, etc.) et de la mécanique (couple, force, vitesse, fixations, etc.). Ce chapitre présente un éventail d'applications, allant de l'automatisation industrielle aux secteurs de l'aérospatiale et de l'automobile, et met en lumière leurs caractéristiques principales mais l'accés est payant.

Nous vous invitons à lire l'article Comment fonctionne le moteur d’une voiture électrique ?, ID l'info durable, 2025 afin de vous faire une idée sur son fonctionnement. Vous verrez qu'il y est beaucoup question d'électromagnétisme.

L'électromagnétisme, aussi appelé interaction électromagnétique, est la branche de la physique qui étudie les interactions entre particules chargées électriquement, qu'elles soient au repos ou en mouvement, et plus généralement les effets de l'électricité, en utilisant la notion de champ électromagnétique. Il est d'ailleurs possible de définir l'électromagnétisme comme l'étude du champ électromagnétique et de son interaction avec les particules chargées.

L'électromagnétisme est, avec la mécanique, une des grandes branches de la physique dont le domaine d'application est considérable.

 

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La découverte au XIX^e siècle par Ørsted, Ampère et Faraday de l'existence d'effets magnétiques de l'électricité a conduit progressivement à envisager que les forces « électrique » et « magnétique » puissent être en fait unifiées, et Maxwell propose en 1860 une théorie générale de l'électromagnétisme classique, qui pose les fondements de la théorie moderne.

 

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• En 1820, André-Marie Ampère met en évidence les interactions entre courants électriques et assimile tout aimant, y compris le globe terrestre, à un ensemble de courants.
• En 1831, Michael Faraday étudie le comportement d'un courant dans un champ magnétique, et s'aperçoit que celui-ci peut produire du travail. Ørsted avait découvert qu'un courant électrique produit un champ magnétique, Faraday découvre qu'un champ magnétique engendre un courant électrique. Il découvre ainsi le principe du moteur électrique, et donc la conversion du travail mécanique en énergie électrique, inventant ainsi la génératrice de courant.

 

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Équations de base

L'électromagnétisme se fonde sur une théorie de l'électrodynamique pour décrire le couplage entre le champ électromagnétique et le système mécanique que sont les charges électriques. L'électrodynamique classique utilise, par exemple, un faible nombre d'équations fondamentales :

• Les équations de Maxwell permettent de déterminer le champ électromagnétique à partir des sources que sont les charges et les courants (les solutions générales des équations de Maxwell sont données par les équations de Panofsky-Phillips ou par les équations de Jefimenko). Ces équations doivent idéalement être écrites sous une forme covariante, en utilisant le formalisme quadridimensionnel de la relativité restreinte, en termes de quadrivecteur densité de courant et du tenseur de champ électromagnétique. Dans ce cas elles se mettent sous la forme de deux équations quadridimensionnelles, l'une ne faisant pas intervenir les charges et les courants et décrivant ainsi la structure du champ électromagnétique, et l'autre décrivant le couplage entre champ électromagnétique et les charges et courants.Dans le formalisme tridimensionnel utilisé le plus souvent, ces deux équations quadridimensionnelles se décomposent en deux paires d'équations, une de structure et une de couplage aux sources, ce qui donne les quatre équations de Maxwell « ordinaires » :{rot→E→+∂B→∂t=0→(E´quation de Maxwell-Faraday);div⁡B→=0(Inexistence des charges magne´tiques, parfois appele´e e´quation de Maxwell-Thomson);div⁡E→=ρε0(E´quation de Maxwell-Gauss);rot→(B→μ0)=ȷ→+ε0∂E→∂t(E´quation de Maxwell-Ampe`re).Ces équations ont un caractère local, c'est-à-dire qu'elles lient les variations des champs E→ et B→ en un point et à un instant donnés à leurs dérivées partielles et/ou à celle des champs décrivant les sources. Il est possible de mettre ces équations sous forme intégrale, à l'interprétation physique plus aisée (voir plus bas).
• Le champ exerce quant à lui sur la matière une action mécanique, la force de Lorentz, qui est la description classique de l'interaction électromagnétique :
  • Pour une charge ponctuelle q, se déplaçant à la vitesse v→ par rapport à un référentiel galiléen, la force de Lorentz s'écrit F→=q(E→+v→∧B→). Ainsi, la force de Lorentz est constituée de deux termes, un indépendant de la vitesse, F→e=qE→, la force dite électrique, et l'autre qui est lié au déplacement de la charge dans le référentiel d'étude, la force dite magnétique F→m=qv→∧B→. Cette dernière force est de travail nul puisque v→⋅F→m=0 à tout instant.
  • Pour une distribution de charges et de courants, contenue dans un certain domaine de l'espace, la force de Lorentz élémentaire exercée sur le volume infinitésimal de l'espace d3V contenant la charge dq=ρ(r→,t)dV située au point r→ à l'instant t s'écrit sous la forme dF→(r→,t)=dq(E→+v→∧B→)=(ρE→+(ρv→)∧B→)dV=f→dV, avec f→=ρE→+ȷ→∧B→ densité volumique de force de Lorentz.

 

Source : Electromagnétisme, Wikipédia

Nous ne pourrons pas nous attarder plus longtemps sur les autres domaines en lien avec l'électromécanique qui sont appliquées au moteur de voiture électrique mais nous pouvons vous en citer : 

• Physique & électromagnétisme : Champs magnétiques, induction, couple, pertes, types de moteurs.
• Conception électromagnétique : Stator/rotor, encoches, bobinages, nombre de pôles, dimensionnement.​​
• Matériaux : Tôles magnétiques, cuivre/aluminium, aimants, isolation.
• Procédés de fabrication : Découpe des tôles, bobinage, imprégnation, assemblage, équilibrage.
• ​​Intégration & commande : Couplage avec onduleur, contrôle moteur, CEM, haute tension.
• Thermique & mécanique : Refroidissement, arbre, roulements, NVH, endurance.​​

Sources : Technique: moteurs électriques, Guillaume Darding, 2018 -  Comment les moteurs électriques sont fabriqués en usine, Makery, 2024

Comment les moteurs électriques sont fabriqués en usine, Makery, 2024

Devant notre méconnaissance du sujet, nous nous sommes aidés d'une IA pour rédiger cette réponse. Nous espérons toutefois qu'elle vous apportera quelques satisfactions.

Bonne journée