Comment fonctionne le moteur d'un scooter électrique ?

L'Europe envisageant de devenir une "économie neutre en carbone" d'ici 2040, l'avenir de la mobilité est électrique.

Parmi les différents véhicules électriques qui existent aujourd'hui, les scooters électriques constituent la solution la plus prometteuse. Outre le fait qu'ils sont plus respectueux de l'environnement que d'autres moyens de transport électriques, leur caractère portable et leur taille compacte en font des véhicules idéaux pour les déplacements urbains (et certainement pour le futuraride !).

Aujourd'hui, nous allons essayer d'expliquer le mécanisme de fonctionnement de cet étonnant manège.

Un scooter électrique, comme son nom l'indique, fonctionne à l'électricité. Il possède une batterie qui stocke l'énergie électrique, laquelle est ensuite convertie en énergie cinétique par un moteur. La principale pièce de travail ou le moteur d'un scooter électrique est son moteur.

Essayons de comprendre comment cela fonctionne !

Comment fonctionne le moteur d'un scooter électrique ?

De l'accélération à la vitesse de pointe en passant par la capacité à grimper, c'est le moteur d'un scooter électrique qui détermine presque tous les aspects de ses performances. 

Avant de jeter un coup d'œil au mécanisme de fonctionnement et au types de moteurs de scooters électriquesDans ce cas, voyons quelles sont les choses les plus importantes que nous pouvons attendre d'eux.

Ce que vous pouvez attendre d'un moteur de scooter électrique

Le moteur d'un scooter électrique doit avoir un couple de démarrage suffisant pour déplacer le scooter à partir d'un arrêt.

Let's Kick via Unsplash

Il doit avoir une puissance suffisante pour vous emmener où vous voulez, que ce soit dans une montée. Il doit également être contrôlable afin de pouvoir varier la vitesse de votre scooter en fonction de vos besoins.

Plus important encore, il doit être fiable et durable pour durer longtemps.

Types de moteurs de scooters électriques

Il existe deux types de moteurs courants utilisés dans les scooters électriques. Il s'agit de :

• Moteurs à courant continu brossé. 
• Moteurs à courant continu sans balais.

Voyons comment chacun d'eux fonctionne et quels sont les avantages de l'un par rapport à l'autre.

Moteur à courant continu brossé

Un moteur CC à balais est un moteur dans lequel le courant électrique est fourni aux bobines de l'électroaimant sur le rotor via une paire de balais. La principale caractéristique de ce moteur est que l'électricité est fournie à la partie du moteur qui tourne.

Ce type de moteur a été développé au début du 19e siècle et est principalement populaire en raison de son faible coût et de son fonctionnement simple.

Voici le schéma d'un moteur CC à balais, qui peut vous aider à comprendre le fonctionnement de ce moteur. 

Pièces internes d'un moteur à courant continu brossé via Galco

Parties fonctionnelles d'un moteur à courant continu à balais 

Un moteur à courant continu à balais se compose des éléments suivants :

Le site Brosses sont constitués d'un matériau conducteur qui n'est pas abrasif. Elles sont destinées à conduire l'électricité de la source (la batterie du scooter) à la bobine électromagnétique du rotor. Cela permet aux bobines électromagnétiques du rotor d'être alimentées en électricité même lorsqu'elles tournent par rapport aux balais.

Le site Commutateur est généralement fait de cuivre ou d'un autre métal hautement conducteur. Il reçoit l'électricité des balais et la conduit aux enroulements de l'électroaimant du rotor. Il y a deux contacts de collecteur pour chaque bobine du moteur.

Le site Armature, également appelé rotor, est la partie du moteur qui tourne et convertit l'énergie électrique en énergie cinétique (mouvement). Il est constitué de plusieurs bobines de fil enroulées sur lui, qui génèrent le champ magnétique qui fait tourner l'arbre du moteur.

Le site Stator est le boîtier du moteur qui contient un aimant permanent. Cet aimant fournit le champ magnétique qui interagit avec le champ magnétique des électroaimants du rotor pour faire tourner ce dernier. Certains moteurs à courant continu peuvent avoir un électroaimant dans le stator. Dans le cas de tels moteurs, l'électroaimant du stator tire son électricité de la même source que les bobines du rotor.

Le site Arbre est la partie de sortie du moteur où l'énergie est utilisée pour effectuer un travail, c'est-à-dire faire tourner la roue d'un scooter.

Que se passe-t-il lorsque vous allumez un moteur à courant continu brossé ?

Lorsque vous mettez en marche un moteur CC à balais, la séquence d'événements suivante se produit : 

• Le courant électrique passe des balais au collecteur, puis aux enroulements de l'électroaimant du rotor. 
• Cela induit un champ magnétique dans le rotor qui interagit avec le champ magnétique des aimants permanents de l'ensemble du stator.
• L'interaction de ces champs magnétiques fait tourner le rotor et convertit l'énergie électrique de la source en énergie rotative.

Il convient de noter que le champ magnétique des enroulements du rotor change de sens tous les 180 degrés de rotation. Pour que le sens de rotation reste constant, le contact entre le collecteur et les balais inverse le sens de circulation du courant tous les 180 degrés.

Blanc via Unsplash

En outre, la direction de l'application de la force magnétique au rotor change lorsqu'il tourne. Cela signifie que le moteur aura des vitesses différentes à différents points de la rotation. Ce phénomène est compensé par la présence de plusieurs bobines dans le rotor afin que le moteur ait toujours une vitesse et un couple de sortie uniformes.

Qu'est-ce qui détermine la puissance de sortie d'un moteur CC à balais ? 

L'une des caractéristiques les plus importantes d'un moteur de scooter électrique est sa puissance de sortie. Comme la puissance de tout système électrique est le produit de la tension et du courant, cela signifie que l'augmentation de l'un ou l'autre de ces éléments rendra le moteur plus puissant. 

Pour rendre un moteur plus puissant, on peut augmenter le nombre d'enroulements sur le rotor afin que davantage de courant les traverse. L'augmentation de la tension d'entrée accroît également la puissance de sortie d'un moteur à courant continu. De plus, l'utilisation d'aimants plus puissants peut également augmenter la puissance du moteur.

Avantages et inconvénients des moteurs à courant continu à balais

Les moteurs CC à balais présentent certains avantages par rapport aux moteurs sans balais. Ces avantages sont les suivants  

• Faible coût.
• Couple plus élevé sur une plus grande plage de vitesses du rotor.
• Mouvement fluide à faible vitesse.
• Bon contrôle de la vitesse.
• Peut être reconstruit.
• Fonctionne mieux dans toutes sortes d'environnements.
• N'a pas besoin de contrôleur lorsqu'il fonctionne à une vitesse constante.

Cependant, les moteurs à courant continu brossé présentent également certaines limites. Celles-ci incluent : 

• Durée de vie réduite en raison du contact solide à solide entre le collecteur et les balais.
• Bruit de fonctionnement plus élevé. 
• Inertie élevée du rotor.
• Interférences électromagnétiques causées par l'arc de la brosse.

Moteurs à courant continu sans balais 

La plupart des scooters électriques actuels utilisent plutôt un moteur CC sans balais. Cela s'explique principalement par le fait que ces moteurs peuvent s'insérer dans le moyeu de la roue et n'ont pas besoin d'être montés sur le cadre. 

Un moteur à courant continu sans balais (BLDC), comme son nom l'indique, n'a pas de balais pour conduire l'électricité. Sa conception et son principe de fonctionnement sont totalement différents de ceux d'un moteur à balais. Ce type de moteur a été développé dans les années 1970 et est très populaire, principalement en raison de sa longue durée de vie et de son faible niveau sonore.

Voici un schéma des parties internes d'un moteur BLDC :

Moteur DC sans balais via Renesas

Il y a deux parties fonctionnelles principales dans un moteur BLDC. Ce sont :

• Le rotor, qui est un aimant permanent, est placé à l'intérieur du stator. 
• Le stator, sur lequel se trouvent des bobines d'électro-aimants.

Certains moteurs BLDC peuvent avoir des bobines électromagnétiques fixes au milieu et des aimants permanents fixés au stator. Dans ces moteurs, c'est le stator qui tourne.

Comment fonctionne un moteur à courant continu sans balais ?

Le principe de fonctionnement d'un moteur BLDC est simple : vous fournissez du courant électrique aux bobines du stator et le champ magnétique qui en résulte fait tourner le rotor, qui est un aimant permanent. Comme vous pouvez le remarquer, les bobines du moteur BLDC ne tournent pas, il n'y a pas besoin de balais ni de collecteur dans un tel moteur. 

Cependant, si les bobines sont fixées en place, comment changer la polarité de l'électroaimant qui est nécessaire pour que la rotation du moteur reste unidirectionnelle ? Pour ce faire, on utilise un contrôleur.

Le contrôleur fonctionne soit avec un capteur de position du rotor, soit à l'aide d'aimants sur le corps du moteur. Voici la différence entre ces deux types de contrôleurs :

• Contrôleurs BLDC basés sur des capteurs : Un capteur est fixé au rotor et détermine sa position à tout moment. Ces données de localisation sont ensuite envoyées au contrôleur. Le contrôleur envoie du courant avec une polarité spécifique à des bobines spécifiques pour s'assurer que le champ magnétique est toujours dans une position permettant de continuer à faire tourner le rotor dans le bon sens.
• Contrôleurs BLDC sans capteur : Dans cette approche, des électroaimants sont placés sur le corps du moteur. La rotation du rotor induit un courant électrique dans les bobines de ces électro-aimants. L'intensité et la direction de ce courant indiquent au contrôleur d'exciter des bobines spécifiques sur le stator pour faire tourner le moteur.

La nécessité d'un contrôleur rend un moteur BLDC intrinsèquement compliqué par rapport à un moteur sans balai. Cependant, les moteurs BLDC présentent un certain nombre d'avantages qui les rendent utilisables dans de nombreuses applications, notamment dans les scooters électriques.

Kelly Sikkema via Unsplash

Facteurs affectant la puissance de sortie d'un moteur BLDC

La puissance de sortie d'un moteur BLDC dépend des éléments suivants :

• La résistance et donc le courant tiré par les bobines du stator.
• La force de l'aimant permanent utilisé pour fabriquer le rotor.
• La tension fournie aux bobines du stator.

Avantages et inconvénients d'un moteur BLDC

Les moteurs BLDC, également utilisés dans vélos électriquessont meilleurs que leurs homologues brossés parce qu'ils.. : 

• Sont de taille compacte.
• Avoir un couple de démarrage plus élevé.
• Offrir un meilleur contrôle de la vitesse.
• sont plus efficaces.

Cependant, tout cela a un prix. Les moteurs BLDC présentent également certains inconvénients, tels que :

• Ils coûtent plus cher que les moteurs à balais.
• Le câblage d'un moteur sans balais est compliqué en raison de l'utilisation de contrôleurs électroniques.
• Ces moteurs ont besoin d'un contrôleur même pour une utilisation à vitesse constante.

Cela nous amène à la question suivante : quel type de moteur est le meilleur pour un scooter électrique ? 

Quel Moteur de scooter électrique vous convient-il ?

La réponse à cette question dépend d'un grand nombre de facteurs. Le plus important d'entre eux est le coût. Ensuite, il y a le facteur fiabilité et complexité. Mais au final, tout dépend de votre décision personnelle. Comme nous l'avons dit précédemment, les deux types de moteurs ont leurs avantages et leurs inconvénients.

Paulo Victor via Unsplash

Un site scooter électrique avec un moteur BLDC peut être une meilleure option pour vous, si.. : 

• Vous voulez un scooter peu bruyant.
• Vous voulez utiliser le scooter très souvent et l'âge du moteur vous inquiète.
• Le coût n'est pas un problème pour vous, et vous pouvez vous permettre de payer plus. 
• Vous voulez un contrôle plus fin de la vitesse du moteur.
• Vous voulez un moteur avec un couple élevé à bas régime pour négocier les pentes à basse vitesse.

En revanche, vous pouvez opter pour un scooter électrique équipé d'un moteur à courant continu à balais, si vous le souhaitez :

• Vous voulez un scooter à un prix plus bas.
• L'âge du moteur n'est pas un problème pour vous.
• Vous voulez un câblage et une électronique plus simples dans votre scooter.

Notre verdict sur le moteur de scooter électrique

Si vous nous le demandez, nous dirons qu'un moteur CC sans balais est toujours un meilleur choix pour toute application automobile, y compris les scooters électriques. En effet, ces moteurs ne nécessitent pas d'entretien et sont plus silencieux. De plus, ils sont plus efficaces et ont un contrôle plus fin de la vitesse et du couple de sortie.