Le moteur de notre moto électrique : fonctionnement, électroaimants & terres rares

Pour ne pas reproduire les mêmes erreurs que la moto thermique, le moteur d’une moto électrique doit être irréprochable. Être une option sérieuse d’un point de vue performance, mais aussi écologique.

Julien Vaïssette

Fanatique d'Excel, adepte de Camus & ingénieur en mécanique ・ Suivez la conception de mon prototype de moto électrique en cliquant ici.

couverture moteur electrique © jean charles barbe
  1. Le fonctionnement d’un moteur électrique

    En commençant par les problèmes qu’ont créé les moteurs thermiques, nous allons voir pourquoi les moteurs électriques représentent un nouvel espoir (un peu comme Anakin Skywalker). Puis, la théorie du gâteau au chocolat nous permettra de comprendre la force magnétique. Ensuite, je vous expliquerai le rôle du rotor et du stator dans un moteur électrique, et comment on peut faire tourner le rotor grâce à la force magnétique. Enfin, je vous présenterai nos nouveaux copains les électroaimants avant de vous montrer l’assemblage final d’un moteur électrique. Oui, ça commence fort.

  2. L’impact environnemental d’un moteur électrique

    Beaucoup de débat à venir dans cette partie. Sauf concernant les performances du moteur électrique (là, il n’y a pas photo). Par contre, dès qu’on aborde le sujet de l’empreinte écologique du moteur, ça fait moins rire. Surtout quand on arrive au sujet des terres rares.

  3. Les alternatives aux aimants permanents et aux moteurs brushless

Le réchauffement climatique est une réalité avérée.

Et malgré les quelques réticents, il est reconnu que l’être humain en est la cause. Il serait donc maintenant bienvenu de trouver des solutions pour freiner ce mouvement qui semble dangereux.

En y regardant de plus près, on constate que les transports font partie des grands champions du changement climatique.

Ils font même fièrement partie des meilleurs émetteurs de gaz à effet de serre. Et l’écrasante majorité des émissions produites par les transports est l’œuvre de nos véhicules particuliers thermiques.

La solution est donc toute trouvée : il suffit de rouler à l’électrique.

Et puisque notre véhicule préféré est une moto, l’équation est simple : roulons en motos électriques. De cette manière, plus besoin de pot d’échappement, puisqu’il n’y a plus de gaz d’échappement.

Mieux, les motos électriques ne produisent strictement aucun gaz à effet de serre lorsqu’elles roulent. Le trajet devient alors un plaisir sans culpabilité, garanti par l’enivrante impression de flotter sur un tapis volant silencieux et confortable.

Jusqu’à ce qu’on discute de notre moto électrique avec un collègue de bureau. Il nous toise de son regard amusé, et nous lance fièrement :

Et les terres rares, ça ne pollue pas ?

Les quoi ? Les terres rares ?

Alors de retour à la maison, après avoir garé notre destrier d’acier, nous faisons une recherche.

Et nous tombons sur une armée d’articles aux titres agressifs, qui se répondent entre eux. Impossible de se faire un avis tant les voix divergent.

Nous sommes conscients qu’avant de concevoir une moto électrique, il serait bon de s’assurer qu’on ne commet pas une erreur regrettable. Alors vérifions si les hystériques de toutes parts ont raison de crier aussi fort.

thomas edison moteur electrique © jean charles barbe

Le fonctionnement d’un moteur électrique

Même si l’idée n’est pas toute neuve, l’émergence soudaine des véhicules électriques est symptomatique d’une situation déplorable.

Notre civilisation vacille, car l’un de ses principes fondateurs vient de se prendre un sérieux crochet dans les côtes.

Non, les ressources que notre mère la Terre veut bien nous offrir ne sont pas infinies. Et c’est une très mauvaise nouvelle, car notre civilisation industrielle a basé son existence sur le postulat inverse.

Pire, chaque milligramme de ressource que nous avons utilisé devra être payé.

Les défauts du moteur thermique

Ce prix à payer est insidieux. Il est invisible et indolore, car il se manifeste sous la forme d’une dette.

Le meilleur exemple que nous avons tous sous les yeux aujourd’hui est celui du véhicule thermique, rendu possible par le moteur à combustion interne.

Ce moteur vient d’une idée géniale.

Il a permis d’utiliser le pétrole dont les sous-sols regorgeaient à n’en plus savoir quoi faire, afin de le transformer en énergie mécanique. Il suffisait de le brûler pour libérer une quantité extraordinaire d’énergie, presque deux fois plus grande que ce que permettait le charbon.

Cette énergie activait ensuite un mécanisme ingénieux qui entraînait une puissante rotation. Tout devenait possible, pour un prix modique.

Les tracteurs ont alors fait leur apparition, amenant des rendements agricoles spectaculaires. Les voitures ne se sont pas fait prier, offrant à qui le désirait le droit de voyager où il voulait, quand il voulait.

C’était une période faste où tout réussissait à l’humanité.

Nous étions officiellement devenus les êtres les plus puissants de l’univers.

Mais pendant que nous jouissions de notre confort nouvellement acquis, la caisse enregistreuse ajoutait des lignes au ticket de caisse. Et nous ne voyions rien. Car c’est bien connu de ceux qui possèdent les casinos, un client euphorique ne s’inquiète pas de la note à payer.

Les tracteurs ont appauvri nos sols. Les pots d’échappement de nos voitures ont embrumé nos villes et nos poumons. Et le pétrole est devenu de plus en plus cher à extraire.

La réalité nous a rattrapés, et elle nous a assommés.

Car non contents d’agresser les sols, les sous-sols et la biodiversité, nous avons libéré une créature maléfique nommée « gaz à effet de serre ». Ces gaz, libérés lors de la combustion du pétrole, ont scellé notre impact sur notre Terre nourricière.

L’être humain est effectivement devenu l’être le plus puissant de l’univers.

Il a réussi l’exploit – à son corps défendant – de provoquer une crise géologique que d’aucuns appellent « anthropocène ». Ce moment où l’humain aura été la cause d’un changement planétaire, par la hausse soudaine des températures.

Tout cet enchaînement parfaitement imprévisible a été permis par la découverte du potentiel énergétique du pétrole. Le pétrole est donc notre nouvel ennemi.

Pourtant, il nous permet un confort de vie que nous avons bien envie de conserver.

Et pour y parvenir, nous ne connaissons pas de meilleur remplaçant que l’électricité.

Le moteur électrique, un nouvel espoir

Logiquement, il faut remplacer le moteur thermique par son cousin électrique. Et pour y parvenir, il faut en concevoir un qui soit assez puissant pour ne pas regretter les performances des moteurs d’antan.

Le problème, c’est que les moteurs électriques ont un fonctionnement beaucoup plus obscur que celui des moteurs thermiques.

Le fonctionnement des moteurs à combustion interne est rudimentaire : ils marchent grâce à l’explosion de pétrole qui pousse des pistons et fait tourner un ensemble de pièces métalliques.

Le principe est assez simple à assimiler. Car on sent bien que quand un gaz explose, le déplacement d’énergie est assez puissant pour faire bouger n’importe quoi.

C’est physique. Palpable.

Mais nous ne voulons plus utiliser cette solution, car la combustion libère des gaz assez peu fréquentables.

Le moteur électrique, lui, fonctionne avec un principe un peu moins évident : on le branche, on envoie de l’électricité, et il tourne.

Comme ça.

Sans aucun contact.

Sans rien qui appuie sur quoi que ce soit.

Rien. Nada.

Comprendre le principe du moteur électrique grâce à un gâteau au chocolat

Bon.

La première étape semble donc très claire : il faut comprendre d’où vient cette force invisible qui fait tourner nos moteurs électriques.

Pour ça, rien de mieux que regarder autour de nous.

Et autour de nous, il y a une force invisible que l’on connait tous assez bien. C’est ce que j’appelle la force du gâteau au chocolat.

Pour vous l’illustrer, mettons-nous en situation : c’est l’anniversaire d’un collègue. Il a amené avec lui une somme de petites douceurs pour fêter ce jour pourtant banal.

Soyons indulgents, il a le droit de se réjouir d’être venu au monde.

Mais soyons plus qu’indulgents, car il a apporté un gâteau au chocolat de la boulangerie Marie Blachère. Un disque épais et compact devant lequel mon régime a si peu d’importance.

shcema force d'attraction gateau au chocolat

L’image parle d’elle-même.

Bastien (c’est son prénom) a disposé tous les aliments sur la table. Et forcément, il a bien fallu mettre le gâteau au chocolat quelque part. Il a décidé qu’il serait dans le coin inférieur droit.

Quelques instants plus tard, venu de nulle part, j’apparais.

À l’exact endroit où est placé le gâteau au chocolat.

Impossible d’être plus proche. Et je ne bouge pas, tandis que mes collègues discutent entre eux. Ils sont polis. Ils se retiennent. Pas moi. Je suis focalisé sur le gâteau.

Une immense force invisible me retient.

Sa croûte croustillante respire le beurre. Je ne peux pas me défendre. La force d’attraction est trop forte, je ne réponds plus de rien. Elle me contrôle.

On pourrait imaginer que cette force invisible devienne la force motrice de nos moteurs.

Mais je ne peux que constater qu’il est difficile de mettre un Julien avec un gâteau au chocolat en guise de moteur de tous nos véhicules.

Il faut trouver une solution qui soit capable de répliquer ce principe de la force du chocolat.

Utiliser la force magnétique pour faire marcher notre moteur électrique

Cette solution, vous la connaissez aussi bien que moi, c’est la force magnétique.

Elle nous a tous fascinés lorsqu’on était enfants, et que nous jouions avec deux aimants.

Son principal intérêt, c’est qu’elle est dotée des mêmes caractéristiques que la force d’attraction exercée par le gâteau :

  • elle n’a pas besoin de contact entre les éléments (on peut faire bouger un aimant sans le toucher, en déplaçant un autre aimant),
  • et elle est irrésistible (si l’aimant est assez proche, la force magnétique attirera forcément l’autre aimant).

Cette ressemblance nous donne forcément une idée.

On peut parfaitement faire tourner un aimant avec un autre aimant.

Pour y arriver, tentons l’expérience, et fixons un aimant de manière à lui laisser la liberté de tourner sur lui-même, en l’empêchant de se déplacer dans d’autres directions.

Ensuite, approchons un autre aimant, à une distance pour laquelle l’aimant placé au centre salive d’appétit.

moteur électrique schéma force magnétique 2 aimants pole nord pole sud

Le petit aimant que nous approchons du cercle présente ostensiblement son pôle nord à l’aimant du milieu.

Ce dernier, par l’odeur alléché, tend son pôle sud autant qu’il le peut vers le petit aimant. Il tend le cou, désespérément. Il n’a qu’une envie : dévorer l’aimant qu’on lui tend.

Manque de chance, nous sommes taquins. Et nous déplaçons le petit aimant autour du cercle gris.

L’aimant du milieu ne peut se résoudre à quitter des yeux l’aimant que nous lui présentons. Il le suit alors avec une docilité honteuse.

C’est gagné, nous venons de redécouvrir le principe du moteur électrique. C’est un aimant qui tourne autour d’un autre aimant pour le faire tourner.

Facile, non ?

Pas si vite. Si on en reste là, l’intérêt est assez faible : pour faire tourner l’aimant du milieu, on doit faire tourner autour de lui un aimant.

Autrement dit, on a besoin d’un moteur qui fasse tourner l’aimant de l’extérieur, afin de faire tourner l’aimant de l’intérieur.

Pas très malin.

Nous, ce qu’on veut, c’est que notre moteur tourne sans nécessiter d’intervention mécanique extérieure. Alors voyons ce qu’on peut faire.

Le rôle du rotor et du stator dans notre moteur électrique

Sortons notre moto, pour y voir plus clair.

Lorsque j’ai conçu le châssis de ma moto électrique, j’ai laissé un vide pour y intégrer le moteur. Et j’aimerais qu’il se fixe directement au châssis, à l’endroit prévu à cet effet. Il me suffit donc de visser le moteur sur le châssis.

Facile. Faisons ça.

comment visser un moteur électrique au châssis

Très bien. Il est tout beau, tout neuf.

Mais pour l’instant, il ressemble plus à une brique qu’à un moteur.

Personne ne veut d’une brique comme moteur. Alors je vous propose de remplacer cette masse inerte par un vrai moteur électrique, composé deux corps :

  • une partie fixée au châssis, que nous appellerons « stator ». Car elle est statique. CQFD.
  • et une partie qui tourne à l’intérieur ou à l’extérieur du stator, que nous appellerons « rotor ». Car elle rote. CQNPNDD (ce qu’il n’était pas nécessaire de démontrer).

Et là, nous avons exactement la tête que nous voulions pour notre moteur.

moteur électrique rotor stator schéma

On voit bien le stator, immobile.

Il est traversé d’un long trou, dans lequel est logé le rotor, supposé tourner.

La moitié du chemin est parcourue. Parce que nous avons une image extérieure de la morphologie de notre moteur électrique. C’est très bien.

Donc, on sait maintenant que notre moteur doit être composé de deux parties. On sait aussi que le rotor doit tourner dans le stator. Enfin, on sait que ce rotor est entraîné en rotation par une force invisible.

Et souvenons-nous de ce dont on a parlé un peu plus haut. La force magnétique peut parfaitement remplir cette mission.

Comment faire faire tourner le rotor grâce à la force magnétique

Nous avons remarqué que si nous fixions un aimant en ne lui laissant que la liberté de tourner, on savait lui imposer une rotation.

Pour ce faire, il suffisait de l’attirer avec un autre aimant, et de faire courir cet aimant de manière circulaire.

Le problème, nous l’avons vu, c’était que pour faire tourner l’aimant à l’intérieur, on doit faire tourner l’aimant à l’extérieur. Après ce constat d’échec, nous avons découvert que pour arriver à nos fins, nous avons besoin d’un rotor et d’un stator.

Voyons alors s’il n’est pas possible de mélanger les deux idées.

Idéalement, il nous faudrait parsemer notre rotor d’aimants qui s’éteignent et qui s’allument les uns après les autres.

De cette manière, on simulerait la course circulaire d’un aimant. Et on entraînerait le rotor en rotation.

Un peu comme ça :

schéma simplifié fonctionnement moteur électrique aimants pole nord sud

L’idée est séduisante, car nous avons un moteur qui tourne.

Mais nous ne sommes certainement pas arrivés au bout de nos peines. Car le problème, c’est que je ne connais aucun aimant permanent capable de s’éteindre, de se rallumer et de changer de polarité à la demande. Ce n’est pas pour rien qu’on les appelle « aimants permanents ».

Jusqu’à présent nous n’avons utilisé que des aimants permanents.

Leur principe est infiniment simple : ils font exactement et en toutes conditions ce qu’on attend d’un aimant. Ils aimantent.

Ni plus ni moins. Comme les aimants du frigo.

Pour le rotor, ça suffit amplement. Mais pour le stator, on aimerait un peu plus. Il faudrait trouver des aimants dont on pourrait contrôler la polarité.

Sans avoir à changer de position, ils inverseraient leurs pôles sud et nord, et ils pourraient s’éteindre.

Bon. Vous me voyez peut-être venir.

Et si vous ne me voyez pas venir, je vais vous donner un indice qui vous permettra de me voir venir : le moteur est branché à l’électricité.

Mais oui, voilà.

Les aimants qui nous intéressent sont les électroaimants.

Les électroaimants, super-aimants capables de changer de polarité

Nous n’allons pas rentrer dans des détails trop complexes, mais les électroaimants sont une idée de génie.

Et ils viennent d’une propriété de base de l’électricité.

Cette propriété dit que quand le courant électrique passe dans un fil conducteur, il crée un champ magnétique autour du fil.

schéma champ magnétique généré par le passage du courant dans un fil

Autrement dit, si on approche de la poussière d’acier autour du fil, les petites particules d’acier seront attirées par les lignes de force du champ magnétique. Elles ressembleront aux milliers d’astéroïdes qui composent les anneaux de Saturne.

C’est très beau, mais un champ magnétique circulaire n’affiche aucun pôle. Alors qu’un aimant comporte forcément deux pôles.

Il nous faut donc un champ magnétique linéaire, doté d’un pôle nord et d’un pôle sud.

Et puisque nous savons qu’un fil droit forme un champ magnétique circulaire, nous pouvons imaginer qu’un fil circulaire créera un champ magnétique linéaire. Et c’est presque le cas.

Car pour former un électroaimant, il faut deux éléments :

  • un matériau spécial qu’on dit “perméable” (mais ça, on en parlera plus tard),
  • un fil qui tourne autour de ce matériau, en formant une bobine.
schéma électroaimant moteur électrique

L’électroaimant est la dernière pierre qui manquait à notre édifice :

  • s’il n’y a pas de courant, l’aimant est éteint ;
  • mais si le courant arrive dans un sens, alors l’aimant a un pôle nord et un pôle sud ;
  • et si le courant coule dans l’autre sens, le pôle nord deviendra le pôle sud. Et vice et versa. Le courant alternera donc son sens de passage dans la bobine. C’est donc d’un courant alternatif dont on a besoin, en opposition au courant continu.

C’est gagné.

Il ne reste plus qu’à intégrer les électroaimants dans notre moteur.

Si tout vous semble clair, on peut passer à l’assemblage. Mais si vous avez des questions, prenez le temps de me les poser. À vous de voir si vous préférez Messenger, LinkedIn, ou par e-mail. Moi, ça m’est égal.

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L’assemblage final du moteur de notre moto électrique

Reprenons notre dernier moteur, et remplaçons les aimants du stator par les électroaimants que nous venons de découvrir.

schéma moteur électrique 3 phases

Il ne reste alors plus qu’à activer les électroaimants en vis-à-vis les uns après les autres pour que le rotor suive le mouvement.

Ainsi, pour faire tourner le rotor, il va falloir :

  • éteindre les électroaimants horizontaux,
  • et allumer l’électroaimant en haut à droite pour qu’il présente le pôle nord,
  • tandis que celui en bas à gauche s’allume et présente le pôle sud.

Nous constatons que pour faire tourner le rotor, il faut que les électroaimants marchent par équipes. Il y en a deux qui s’allument, ceux qui sont en vis-à-vis, tandis que les autres s’éteignent.

Les électroaimants qui s’allument en même temps font partie d’une même équipe, qu’on appelle « phase ». Le moteur que nous avons dessiné fonctionne grâce à trois paires d’électroaimants qui s’allument les uns après les autres, il a donc trois phases.

Et il n’a pas de raisons d’en rougir, car quasiment tous les moteurs électriques ont eux aussi trois phases.

En revanche, le moteur que nous avons dessiné a le droit de rougir sur un autre point : son rotor n’a que deux pôles. Un seul pôle nord, et un seul pôle sud.

Le problème, c’est que la puissance d’un moteur électrique dépend largement du nombre de pôles que contient son rotor.

Ce qui veut dire que notre moteur gagnerait en puissance si nous lui rajoutions des pôles.

Pour la peine, mettons-lui quatre pôles : deux pôles nord, et deux pôles sud.

Attention : si nous multiplions par deux le nombre de pôles, on multipliera par deux le nombre de électroaimants pour chaque phase. Ainsi, on passe de deux électroaimant par phase à quatre électroaimants.

Pas besoin de se briser les neurones, nous n’entrerons pas dans les détails.

Mais à titre informatif, nous allons quand même dessiner les bobines comme elles le sont dans la réalité. À la guerre comme à la guerre, nous sommes proches du but.

schéma fonctionnement moteur électrique bobines électroaimants

Nous voyons bien que le rotor est maintenant constitué de quatre pôles, et que les trois phases du rotor s’activent les unes après les autres.

Et nous voyons aussi un moteur parfaitement fonctionnel, à qui il ne manque plus grand-chose.

Mieux, nous avons sous les yeux un moteur qui pourrait parfaitement être celui de notre moto électrique.

Vous pouvez donc pousser un grand « ouf » de soulagement.

Car oui, félicitations, vous avez conçu votre premier moteur électrique.

Mais ce n’est pas suffisant.

Car pour rappel, nous ne voulons plus utiliser de moteurs thermiques, à cause de la dette qu’ils contractent. Alors par souci de cohérence, voyons si notre moteur électrique est aussi exemplaire que ce qu’il laisse paraître.

Le moteur électrique & son impact sur l’environnement

Nous avons posé la première pierre, puisque nous connaissons un peu mieux le fonctionnement d’un moteur électrique.

Mais si nous nous arrêtons là, nous faisons exactement ce que nous reprochons au passé : nous avançons à l’aveugle. Il est donc nécessaire de faire un pas en arrière, pour repenser à nos objectifs quand on conçoit un moteur.

J’en vois deux :

  • propulser notre moto et répondre à nos exigences de performances,
  • avoir une empreinte globale (je dis bien globale) qu’on est capable de maîtriser.

Ce qui est terrible, c’est que ces deux gros piliers marchent souvent en antagonistes.

Si le moteur est puissant, alors son empreinte écologique est probablement regrettable. Et si son empreinte est contenue, la puissance est décevante.

Voyons si nous sommes condamnés à répéter cet écueil.

Les incontestables performances du moteur électriques

Même les plus grands opposants à la propagation des véhicules électriques le reconnaîtront : les moteurs électriques ont une densité de puissance inégalable.

Il n’y a rien à dire sur ce point.

À puissance égale, un moteur électrique sera toujours plus compact qu’un moteur thermique.

Pour leur défense, ils avanceront que cette donnée est compensée par la mauvaise capacité de stockage de l’électricité. Et ils ont raison, puisque nos batteries actuelles souffrent d’un déficit monumental quand on les compare à la capacité énergétique d’un réservoir d’essence.

Mais qu’importe, cet article ne se focalise que sur les moteurs. La propulsion, et rien d’autre.

Et là, c’est une gifle.

Le moteur électrique vs. le moteur thermique

Les moteurs électriques génèrent un couple maximal dès le démarrage.

Note : pour rappel, le couple est le nom qu’on donne à une force capable d’entraîner une rotation.

À l’inverse, les moteurs thermiques n’offrent leur couple maximal qu’à une certaine vitesse optimale de rotation.

Le reste du temps, il est inférieur.

Et ça s’explique par divers facteurs comme la complexité du mécanisme, les frottements, la combustion, les inerties, et d’autres joyeusetés.

Ceux qui sont abonnés à mes e-mails quotidiens ont déjà vu passer la prochaine courbe, qui compare l’évolution du couple délivré par un moteur thermique et un moteur électrique en fonction de leur vitesse de rotation.

J’ai eu l’honnêteté de ne pas les inventer et de choisir deux moteurs qui existent : celui (thermique) d’une Clio RS, et celui (électrique) d’une i3. Les deux voitures affichent des puissances équivalentes, pour que la comparaison soit pertinente.

différence couple clio RS BMW i3

Ce qu’on remarque est criant : le moteur électrique assure un couple de 250 Nm dès le démarrage. Alors que le moteur thermique ne produit du couple qu’à partir de 1300 tours par minute (tr/min).

Ce qui veut dire qu’entre 0 et 1300 tr/min, le moteur thermique ne produit rien. Il doit nécessairement être amené à cette vitesse par une aide extérieure, qui n’est rien d’autre qu’un petit moteur électrique.

Triste ironie.

On remarque néanmoins qu’à partir de 4300 tr/min, le couple fourni par le moteur électrique décroche et décroit irrésistiblement. Ce phénomène montre une limite du moteur électrique, qui n’arrive plus à maintenir un courant optimal dans les bobines. C’est une sorte de limite physique.

Pour autant, si on s’en tient aux chiffres, ils sont évocateurs.

Le moteur de la i3 génère un couple monstrueux par rapport à celui de la Clio, alors qu’ils sont censés afficher la même puissance.

Douloureux quand on sait que ce qui importe dans un moteur, c’est le couple qu’il fournit.

Le moteur électrique s’affranchit d’ailleurs de cette mission avec une constance déconcertante. C’est simple : il dépasse le couple fourni par le moteur thermique de la tête et des épaules tant que la vitesse n’est pas trop élevée.

Pour réaliser à quel point cette caractéristique est primordiale, il faut se souvenir qu’une moto fait face à diverses forces pour avancer.

Elles sont au nombre de quatre :

  • d’abord, la force d’accélération, qui nous rappelle qu’il faut plus de puissance pour passer de 0 à 100 km/h en 3 secondes qu’il n’en faut pour les passer en 6 secondes ;
  • ensuite, la force de résistance au roulement, qui est causée par les frottements du sol ;
  • la force aérodynamique, qui est due aux frottements de l’air ;
  • enfin, la force d’inclinaison du sol, qui est causée par l’inclinaison du sol (vous ne l’aviez pas vu venir ça).

Ainsi, afin de cocher les cases de notre cahier des charges, il faut évaluer l’ampleur de ces quatre forces, pour choisir les caractéristiques de notre moteur électrique. Et parmi ces caractéristiques, le couple est certainement la plus importante.

Ainsi, lorsque la BMW i3 offre un couple constant et supérieur à celui de la Clio RS, la BMW i3 a une motorisation supérieure à celle de la Clio RS.

Je sais, ça fait mal.

Mais je n’ai pas fini. Car parmi les quatre forces énumérées plus haut, c’est la force d’accélération qui est la plus forte. Et de très loin.

Concrètement, cette hiérarchie a une implication simple : le moteur électrique offre une accélération pure toujours plus impressionnante que le moteur thermique.

La course pour passer de 0 à 100 km/h est toujours (je dis bien toujours) remportée par les véhicules électriques, à puissance égale.

Pour vous amuser, vous pouvez vous référer à cette vidéo de l’émission The Grand Tour, qui a voulu comparer le démarrage de trois super sportives. L’électrique Rimac Concept One a littéralement écrasé les surpuissantes thermiques Aventador S et Honda NSX.

Nous en savons plus sur notre première interrogation quant à la capacité d’un moteur électrique à propulser une moto.

C’est une victoire sans partage, permise par des performances impressionnantes.

Mais ce n’est pas de très bon augure, quand on sait que les performances vont rarement de pair avec une empreinte raisonnable.

L’empreinte écologique globale d’un moteur électrique

Afin d’évaluer l’impact d’un objet sur son environnement, il faut être capable de connaître toutes les étapes de son cycle de vie.

Le cycle de vie d’un produit se divise en trois phases :

  1. La naissance, qui part de l’extraction ou de la production des matières premières jusqu’à la distribution du produit.
    Entre ces deux moments, on compte toutes les phases de transport des matières premières, la production des différents composants, leur transport, leur assemblage et leur emballage.
  2. La vie du produit, qui va du déballage à son usage et à son entretien.
  3. La mort du produit : cette dernière phase compte la collecte des produits usagés, leur transport, leur recyclage ou leur élimination.
cycle de vie moteur électrique

Voilà les différents moments que nous devons considérer pour comprendre l’impact global d’un produit sur son environnement.

Et nous voyons bien que l’impact n’est pas seulement environnemental.

Chaque étape concerne de nombreux acteurs et répond donc à un équilibre social, environnemental et politique.

Pour étudier l’impact de notre moteur, la première étape par laquelle nous devons passer est de le déshabiller. Je sais que certains d’entre vous ne sont pas à l’aise avec la nudité. Je vous demande pardon, mais nous sommes obligés de passer par là.

En réalité, c’est assez simple. Car nous l’avons vu plus haut, un moteur électrique est constitué d’assez peu d’éléments.

En voici la liste :

  • un stator,
  • un rotor,
  • des bobines enroulées dans le stator pour former des électroaimants,
  • et des aimants permanents ancrés sur le rotor.

Et puis c’est tout.

Mais nous ne pouvons pas nous en arrêter là. Car si nous connaissons le nom de chaque constituant du moteur, nous ne les connaissons pas encore très bien.

Jusqu’à preuve du contraire, quand on va au glacier, on ne demande pas une simple glace. On demande une glace au chocolat. Ou à la vanille. Selon les goûts. Dans le cadre de notre moteur, c’est le même refrain.

Tant qu’on ne connaît pas les matériaux utilisés pour chaque composant, nous ne connaissons pas bien notre moteur.

Acier robuste et magnétiquement perméable pour le stator

Nous l’avons vu plus haut, le stator est le composant qui offre deux missions principales.

La première est assez simple, puisqu’elle consiste à être fixe.

C’est-à-dire que le stator doit être conçu pour être robuste et être parfaitement immobile.

Quand il s’agit de robustesse, beaucoup de matériaux font l’affaire.

En revanche, l’autre mission du stator est plus spécifique. En effet, c’est en son sein que les bobines s’enroulent pour former les électroaimants.

Mais si vous vous souvenez bien, pour qu’une bobine devienne un électroaimant, il faut qu’elle soit enroulée autour d’un matériau qu’on dit « perméable ». Nous n’avons pas besoin d’entrer dans les détails, nous devons juste retenir qu’il est impossible de maîtriser le champ magnétique sans lui.

Le matériau que nous utilisons pour notre stator doit donc être à la fois robuste et perméable magnétiquement.

Sans même être un expert dans les matériaux métalliques, on imagine bien qu’un tel matériau n’est pas facile à trouver.

Mais si l’être humain a été capable d’inventer le bilboquet, il n’y a aucune raison qu’il n’ait pas trouvé un matériau capable de répondre à ses deux rôles. Et il l’a fait.

Ces matériaux s’appellent sobrement « acier électrique ». Et le plus utilisé est l’acier fer-silicium, car il présente d’excellentes caractéristiques pour un coût raisonnable.

Comme son nom l’indique, il est composé d’un peu de silicium (entre 1 et 4%) et de beaucoup de fer. Il est aussi composé d’un tout petit peu de carbone, de phosphore et de manganèse.

Acier inoxydable pour le rotor

Le rotor, lui, souffre d’un peu moins de contraintes.

Il ne participe pas du tout à la manipulation du champ magnétique. Il se contente de porter les aimants permanents à sa surface, et ça lui suffit amplement.

Dès lors, les contraintes auxquelles il doit répondre sont assez simples : il doit supporter le couple généré par le moteur, tout en résistant aux conditions extérieures qui peuvent être agressives (eau, huile, air marin, ou que sais-je encore).

Le matériau que nous utilisons pour former le rotor est donc préférentiellement l’acier inoxydable, car il offre des caractéristiques mécaniques intéressantes avec une belle résistance à la corrosion.

Autrement dit, on choisit un acier increvable.

En revanche, il y a pléthore d’aciers inoxydables.

On trouve des nuances de ces aciers pour tous les goûts. Il est donc difficile de savoir précisément à l’avance les minerais qui sont utilisés pour former l’acier du rotor.

Mais tous les aciers inoxydables sont constitués de fer, de quelques poussières de carbone, d’une bonne dose de chrome (au moins 10,5%) et de nickel. Le reste se partage entre le molybdène, le phosphore, le soufre, l’azote, le manganèse, le silicium et d’autres encore.

Ça commence quand même à faire beaucoup de matériaux, pour seulement deux éléments de notre moteur. Les deux autres composants seront peut-être plus économes.

Les cheveux de cuivre de nos bobines

Pour former les bobinages de notre moteur, il faut des fils électriques.

Et ce n’est un secret pour personne, l’écrasante majorité des fils électriques est en cuivre.

Notre moteur ne fait donc pas exception, ses bobines sont en cuivre.

Notons qu’elles pourraient être en aluminium. Mais voilà, elles sont en cuivre. Car on ne change pas une équipe qui gagne. Ne perdons pas de temps et passons au dernier élément de notre moteur.

Des terres rares pour les aimants permanents

On y pense assez peu dans nos vies quotidiennes, mais la nature est extraordinaire.

Derrière ce poncif tout droit sorti d’un documentaire sur Arte, se cache une vérité que je vais me hâter de vous illustrer : notre Terre contient des minéraux capables de manipuler des objets à distance.

À l’instar de Magneto – l’antihéros le plus percutant de la saga X-Men – certains minéraux arrivent à attirer les métaux par la force magnétique.

En des termes plus prosaïques, il existe des matériaux qui sont des aimants naturels.

Et si vous n’êtes pas émus par cette prise de conscience, alors vous ne méritez certainement pas de lire ces lignes. Nous sommes ici pour admirer la nature. Et il faut avoir un cœur pour ça. Mais revenons-en à nos aimants, si vous le permettez.

Donc il existe dans la nature des minerais qui ont la propriété extraordinaire de générer des champs magnétiques.

Et quand l’être humain s’en aperçoit, il s’empresse d’amplifier leurs capacités pour former les aimants permanents que nous connaissons aujourd’hui. Il en existe de trois sortes :

  • les aimants Alnico,
  • ceux en ferrite,
  • et enfin, ceux en terres rares.

Nous pouvons d’ores et déjà oublier les aimants Alnico, qui affichent des performances inférieures à celles de leurs acolytes. Les aimants en ferrite offrent eux aussi des performances sur certains points 10 fois inférieures à celles des aimants en terres rares.

Donc le choix est simple : notre moteur sera constitué d’aimants en terres rares. Car nous voulons les aimants les plus performants, ça va de soi.

Parmi ces aimants en terres rares, il en existe plusieurs. Mais les plus populaires sont les aimants au néodyme, aussi appelés néodyme-fer-bore.

Leur nom l’évoque bien, ils sont composés de beaucoup de fer, d’un peu de néodyme et d’un peu moins de bore (qui n’est pas une terre rare).

Pour achever leur recette, il ne faut pas oublier d’ajouter quelques pincées de dysprosium, de praséodyme et de terbium. Ces trois minerais aux noms étonnants sont eux aussi des terres rares.

Le cycle de vie de notre moteur électrique

Nous connaissons donc maintenant précisément l’anatomie de notre moteur. C’est une bonne chose.

Un petit bilan de notre avancée s’impose, afin de garder l’esprit clair :

  • nous connaissons tous les éléments qui constituent notre moteur,
  • et nous savons précisément de quoi sont constitués ces éléments.

Nous avons donc zoomé sur notre moteur, afin de comprendre chaque maillon qui le compose. Il nous faut maintenant dézoomer pour comprendre l’impact de chaque maillon dans le cycle de vie du moteur.

Car c’est bien ça qui nous intéresse : un moteur électrique n’est pertinent que si son cycle de vie complet est moins désastreux que celui d’un moteur thermique.

Pour rappel, le cycle de vie d’un moteur électrique est très proche du nôtre : il naît lorsqu’on extrait ses matières premières et qu’on le construit, il vit lorsqu’on l’utilise et il meurt lorsqu’on l’oublie.

En y regardant de plus près, on réalise très vite que la phase la plus problématique est la naissance.

Un moteur électrique a une vie bien rangée (il ne pollue pas et demande très peu d’entretien lors de sa vie). Sa mort, elle, est moins univoque mais elle s’intègre dans un processus que nous maîtrisons aujourd’hui.

En revanche, sa naissance est plus trouble.

Car elle nécessite de creuser dans la terre pour aller puiser les minerais dont on a besoin. Et avec le raz de marée de véhicules électriques que tout le monde nous promet, il serait bon de vérifier que nos terres contiennent assez de matière.

Pour y voir plus clair, voici la liste des minerais que nous devrons aller chercher dans le sol pour notre moteur électrique :

  • Fer
  • Silicium
  • Carbone (obtenu à partir du charbon)
  • Phosphore
  • Manganèse
  • Chrome
  • Nickel
  • Molybdène
  • Soufre
  • Azote
  • Cuivre
  • Bore
  • Néodyme
  • Dysprosium
  • Praséodyme
  • Terbium

Et j’en oublie certainement.

Je sais ce que vous pensez. Ça fait beaucoup.

J’ai envie d’aller un peu plus loin en disant que c’est beaucoup trop. Mais il faudrait que j’aie ensuite la cohérence de proposer un moyen d’utiliser moins de matériaux différents. Dans l’immédiat, rien n’est moins sûr.

Face à cette avalanche de matériaux, il y a deux réactions possibles.

La première est de fermer les yeux, comme quand on est frappé par une rafale de sable. L’autre réaction est de se demander si certains matériaux ne sont pas plus problématiques que d’autres.

Je vais choisir la deuxième option.

Et je n’ai pas été le seul, car l’équipe de Benjamin Ballinger a fait de même. Mieux, ils ont écrit un article très fouillé qui a étudié justement la vulnérabilité des véhicules électriques face aux approvisionnements en minéraux critiques.

Banco. Allons voir ça.

Et peut-être serons-nous enfin en mesure de répondre à la remarque méprisante de notre collègue ?

Les terres rares, point faible des moteurs électriques

Le résultat de l’étude menée sur les risques au niveau des approvisionnements en minerais arrive à une conclusion un peu inquiétante pour nous.

On y apprend en effet que l’approvisionnement des quatre terres rares contenues dans les moteurs électriques peut devenir insuffisant d’ici à 2030.

En 2030, les besoins pour ces terres rares pourraient être entre 10% et 100% supérieurs à ce qu’on est capable de produire aujourd’hui.

Ça ne veut en aucun cas dire qu’on n’en sera pas capable. Mais ça veut dire qu’on est très confiant quant à nos capacités futures.

courbe prévision des stocks de véhicules électriques

L’image précédente est la courbe prévisionnelle des stocks mondiaux en véhicules électriques sur laquelle ils se sont appuyés. On voit bien, entre 2020 et 2030, une explosion des véhicules électriques dont il faudra assumer la fabrication.

Il y a donc une tension indéniable dans l’approvisionnement de terres rares.

Mais ce n’est pas leur seule zone d’ombre. Car ces dernières sont aussi le terrain d’enjeux géopolitiques et sociaux assez impressionnants.

La guerre silencieuse des terres rares

Jugez par vous-même : d’après le Bureau de Recherches Géologiques et Minières, la Chine produisait 88% des terres rares mondiales en 2014. Autant dire que la Chine présente un monopole sans partage sur ces minerais stratégiques.

On pourrait penser que ce déséquilibre sans partage est dû aux sols chinois, plus riches en terres rares que leurs voisins.

Ce n’est pas exactement le cas, car la Chine ne couvrait en 2015 « que » 47% des ressources mondiales en terres rares. C’est-à-dire que la Chine est parvenue à être hégémonique dans l’extraction d’un minerai, sans que son territoire n’abrite la majorité de ses ressources mondiales. C’est comme si l’Arabie Saoudite avait réussi à devenir la seule exportatrice de pétrole au monde.

Comment la Chine a pu arriver à un tel exploit ?

Tout simplement par une stratégie de prix agressifs.

Alors qu’à la fin du 20ème siècle la Chine n’avait pas encore dévoré le marché, elle a tué ses concurrents en affichant des prix très bas.

Si bien qu’en 2002, les terres rares chinoises étaient deux fois moins chères que les terres rares américaines.

Les mines ont alors fermé les unes après les autres, laissant aux mines chinoises le monopole. Ce qui leur a ensuite permis de décider de quotas arbitraires sur leurs exportations, afin de gonfler les prix et maintenir leur emprise sur le marché.

Mais ce n’est pas tout.

Car les terres rares chinoises ont aussi un coût social et environnemental catastrophique.

Les terres rares sont des minerais de destruction massive

Le principal malentendu à propos des terres rares est leur nom.

On peut tout leur reprocher, mais elles ne sont pas rares (à moins qu’on inverse la définition de la rareté).

Car les terres rares sont effectivement présentes dans de nombreux sols, mélangées aux autres minerais. Mais elles le sont en toutes petites proportions. Si bien que pour extraire un kilogramme de lutécium (une autre terre rare), il faut avoir purifié jusqu’à 1200 tonnes de roches.

Plus proche de notre problématique, le néodyme est 1200 fois moins présent dans la roche terrestre que le fer.

Alors oui, certes, les terres rares ne sont pas rares.

Par contre, elles le sont bien plus que d’autres minerais. Et il ne faut surtout pas l’oublier.

Mais le problème écologique et social est ailleurs. Il est en Chine, où les conditions d’extraction de ces minerais sont alarmantes.

On ne compte plus les cancers dans les villages qui entourent les milliers de mines que comptent le pays.

Autant de cancers certainement causés par les montagnes de produits chimiques déversés dans les sols et les torrents d’acides sulfuriques et chlorhydriques qui peuplent les rivières alentours.

Sans parler du marché noir qui recouvre un pourcentage démesuré – certains parlent d’un tiers – de la demande officielle de terres rares. Et vous savez autant que moi que le marché noir est synonyme d’aucune contrainte écologique et sociale.

J’évoquerai ce sujet plus longuement dans un article dédié.

Mais s’il y a bien un point que nous devons retenir, c’est que les terres rares chinoises sont une très grosse zone d’ombre des moteurs électriques.

Les aimants permanents que nous devons utiliser pour faire tourner le moteur que nous avons dessiné ne sont pas une solution satisfaisante. Autant d’un point de vue logistique qu’écologique.

Il faudrait donc chercher ailleurs et espérer qu’il existe des alternatives à ces aimants permanents composés de terres rares.

nikola tesla moteur electrique © jean charles barbe

Les alternatives aux aimants permanents, pour un moteur électrique plus responsable

Je ne vous ai pas tout dit : le moteur que nous avons dessiné ensemble tout au long de cet article est un moteur spécial. On l’appelle « brushless », ou « moteur sans balai » en bon français. Les puristes nous rappelleront que c’est un moteur synchrone, en opposition au moteur asynchrone.

Mais dans cet article, nous ne jouons pas aux puristes. On cherche à répondre à des questions pratiques, les détails seront traités dans d’autres articles.

Une des particularités du moteur brushless, c’est qu’il a besoin d’aimants permanents pour fonctionner. Mais j’ai fait le choix de dessiner ce moteur, car ce moteur est le plus communément utilisé dans nos véhicules électriques.

En effet, sur les 20 modèles de voitures électriques les plus vendus en 2018, les trois quarts étaient des moteurs brushless.

Autrement dit, 3 modèles sur 4 ont un moteur avec aimants permanents.

Mais s’il reste 1 modèle sur 4, c’est qu’il existe des alternatives. C’est une lueur d’espoir dont nous avions largement besoin après la noirceur du tableau que je viens de dépeindre.

Mieux, 1 modèle sur 4 possède un moteur électrique sans aimants permanents. Ce moteur porte le doux nom de « moteur à induction ». Mieux encore, ces modèles ne sont pas le fruit de militants anticapitalistes, puisque ce sont des Tesla.

Le constructeur de voitures électriques le plus connu au monde utilise donc des moteurs qui n’utilisent pas d’aimants permanents. Et ça, ce n’est pas rien.

Note : Bon. C’est à relativiser, puisque la Model 3, qui est leur voiture la plus vendue, est dotée d’un moteur à aimants permanents. Dommage.

Malgré la Model 3 qui a changé de moteur pour des raisons certainement économiques, ça veut dire qu’il est parfaitement possible d’utiliser des moteurs plus responsables. En réalité, il existe une multiplicité étonnante de solutions alternatives.

Sans trop m’engager, je peux vous assurer que je les regarderai toutes.

Et que je les étudierai une par unes.

Je choisirai la meilleure solution, celle qui permettra de fabriquer une moto dont on pourra être fiers.

Si vous voulez intégrer le cercle de plus en plus grand de passionnés de motos qui cherchent une solution plus responsable, vous êtes au bon endroit.

Et je connais un endroit encore meilleur : votre boîte e-mail.

Car pour concevoir cette moto électrique, je me pose mille questions. Et je fais mille et une recherches pour répondre à ces questions.

Ce que j’apprends, je vous l’envoie tous les matins. L’idée, c’est qu’on puisse en discuter.


On se retrouve de l’autre côté !

Merci d'avoir lu jusqu'ici ! Maintenant, c'est à vous de vous exprimer.