Le moteur aimant fonctionne – mais le monde ne veut pas l’avoir

Un aimant économe en terres rares pour les moteurs électriques


Dans les véhicules électriques, il n’y a pas que les batteries qui contiennent des éléments rares et difficiles à recycler. Les aimants des moteurs électriques sont eux aussi composés de terres rares. C’est pourquoi Toyota a développé un nouvel aimant.

Moteur électrique de la Toyota Prius de quatrième génération (c) Toyota
moteur synchrone
Fonctionnement d’un moteur électrique synchrone (c) Wikimédia

Les moteurs électriques, dont ceux des VE, sont en fait des moteurs électromagnétiques et fonctionnent grâce à des aimants permanents. Ces derniers composent le rotor, la partie mobile du moteur qui est reliée à l’arbre de transmissions et fait tourner les roues. Le rotor est mis en mouvement par un champ magnétique tournant produit par le stator – des bobines alimentées par un courant qui composent la partie statique du moteur.




Des terres rares pour maintenir l’aimantation à haute température


Les aimants utilisés dans les moteurs automobiles doivent avoir une coercivité élevée, c’est-à-dire une forte résistance à la démagnétisation, et ce même à des températures élevées. C’est pourquoi ces aimants se composent d’environ 30 % de terre rares, un groupe de 17 métaux aux propriétés électromagnétiques remarquables. Le néodyme (Nd) est le plus utilisé, combiné au terbium (Tb) et au dysprosium (Dy). Seul problème : ces éléments sont dits « critiques ». En particulier, terbium et dysprosium ne sont trouvés que dans des régions à fort enjeux géopolitiques.

Une demande qui risque d’augmenter avec l’essor des VE


Selon le bureau de recherches géologiques et minières (BRGM), la demande en terres rares pour les aimants permanents devrait connaître une hausse de 7 % par an jusqu’à 2020. « En l’absence de réutilisation et de recyclage efficaces ou en l’absence de mise au point de technologies qui utilisent des quantités plus faibles de Dy et de Nd, le fait de suivre une voie compatible avec la stabilisation du CO2 atmosphérique à 450 ppm pourrait entraîner une augmentation de plus de 700 % et de 2 600 % pour le Nd et le Dy, respectivement, au cours des 25 prochaines années », a établi une étude du MIT publiée en 2012.

Une teneur en néodyme réduite de 50 %

C’est justement ce à quoi s’est attaché Toyota, en collaboration avec le NEDO, l’organisation japonaise pour le développement des énergies nouvelles et des technologies industrielles. Le constructeur a mis au point une technologie permettant de réduire de 50 % la quantité de néodyme utilisée dans les aimants, tout en remplaçant terbium et dyprosium par des terres rares plus légères, plus abondantes et moins coûteuses : le lanthane (La) et le cérium (Ce). Et ce sans réduire la coercivité des aimants, et donc les performances du moteur.




Toyota - Proportion des terres rares dans les aimants des moteurs electriques
(c) Toyota

La structure de l’aimant raffinée


Pour y parvenir, les chercheurs ont d’abord augmenté la concentration de néodyme à la surface des grains magnétiques tout en la réduisant à l’intérieur. Ensuite, ils ont diminué la taille des grains de l’aimant de plus d’un dixième et les ont étirés afin de multiplier par 10 les surfaces de contact. Enfin, ils ont trouvé le bon ratio entre néodyme, lanthane et cérium évitant une dégradation des propriétés de l’aimant.

De premiers véhicules équipés à l’horizon 2020 ?


Désormais, Toyota vise le développement d’une production stable et à faible coût de ces aimants. Le constructeur prévoit d’en équiper des véhicules dès les années 2020, mais aussi d’explorer d’autres applications notamment dans la robotique ou l’électroménager.

Moteur électrique asynchrone
Moteur électrique asynchrone (c) Mtodorov 69 / Wikimédia

En parallèle, d’autres pistes sont explorées pour remplacer les terres rares dans les moteurs électriques. Dès 2015, Renault a remplacé l’aimant par un rotor bobiné dans le moteur de sa Zoé, le R240 (voir notre brève). D’autres constructeurs s’orientent vers des moteurs à induction (ou moteur asynchrone), sans aimants, plus volumineux mais plus faciles à refroidir.

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