Moteurs IPM et SPM : aimants en surface ou à l'intérieur, ce que ça change

Ouvrez le moteur moyeu d'une trottinette : les aimants sont collés à la surface du rotor. Ouvrez le moteur d'une voiture électrique récente : souvent, les aimants sont enfouis dans des fentes, à l'intérieur de l'empilement de tôles du rotor. Cette différence de position donne deux familles de moteurs synchrones à aimants : SPM et IPM. Elle change la façon dont le moteur produit son couple et sa capacité à tourner vite.

Deux façons de loger les aimants

SPM : aimants en surface

SPM signifie « Surface Permanent Magnet ». Les aimants sont collés sur la surface du rotor, face aux bobinages. La construction est simple, et tout le flux des aimants travaille directement. Les moteurs moyeux de trottinette, à rotor extérieur, sont presque tous de ce type : les aimants tapissent l'intérieur de la cloche qui tourne.

Limite : à très haute vitesse sur un rotor intérieur, la force centrifuge tend à arracher les aimants, qu'il faut alors fretter, c'est-à-dire maintenir par une bague.

IPM : aimants intérieurs

IPM signifie « Interior Permanent Magnet ». Les aimants sont glissés dans des logements découpés dans les tôles du rotor, souvent disposés en V. Ils sont protégés mécaniquement, et la forme du fer autour d'eux crée un effet supplémentaire, décrit plus bas.

Le couple de réluctance

Le fer est attiré par un champ magnétique, même sans aimant : c'est la réluctance. Un morceau de fer allongé tend à s'aligner avec le champ, comme une aiguille de boussole.

Dans un IPM, le rotor n'est pas magnétiquement « rond » : il laisse passer le champ plus facilement dans certaines directions que dans d'autres, à cause des logements d'aimants qui sont autant de petits vides. On dit qu'il a une saillance. En langage de commande vectorielle, son inductance n'est pas la même sur l'axe d (aligné avec les aimants) et sur l'axe q (à 90°).

Résultat : le couple total d'un IPM a deux sources.

• le couple des aimants, comme dans un SPM, produit par le courant q ;
• le couple de réluctance, produit par la combinaison des courants d et q, grâce à la différence d'inductance entre les deux axes.

Ce que ça change pour la commande

Dans un SPM, le courant d ne produit pas de couple : la commande vectorielle le garde à zéro. Dans un IPM, un courant d bien choisi, négatif, ajoute du couple de réluctance. Pour un couple donné, il existe donc une combinaison de courants d et q qui demande le moins d'ampères possible : c'est la stratégie MTPA, pour « Maximum Torque Per Ampere », le plus de couple par ampère.

Le contrôleur doit alors connaître les deux inductances du moteur et calculer la bonne répartition à chaque instant, ce qui demande une caractérisation plus poussée du moteur.

Pourquoi l'IPM règne dans l'automobile

• Il tourne vite : aimants protégés dans le fer, il supporte des vitesses de rotation élevées.
• Il se défluxe bien : au-delà de sa vitesse de base, il garde une puissance utile sur une large plage de vitesse grâce au courant d. Voir notre guide sur le défluxage.
• Il économise des aimants : une partie du couple vient de la réluctance, ce qui permet de réduire la quantité d'aimants, coûteux.

Certains constructeurs vont plus loin avec des moteurs dits « synchrones à réluctance assistés par aimants », où la réluctance fournit l'essentiel du couple et les aimants un appoint.

Et sur une trottinette ?

Un moteur moyeu de trottinette tourne lentement (la roue est entraînée directement) et a besoin de beaucoup de couple dès l'arrêt. Le SPM à rotor extérieur y est très bien adapté : grand diamètre, beaucoup d'aimants, couple direct, construction simple. L'IPM prend tout son intérêt sur des moteurs qui tournent vite et entraînent la roue par une réduction, comme sur les motos et les voitures électriques.

Nos moteurs de trottinette électrique sont des moteurs moyeux de ce type, en versions High Speed et High Torque.