Flux axial : la physique derrière le moteur qui supprimera les arbres de transmission

Si vous ouvrez le capot d’une Tesla Model S Plaid, vous découvrirez une merveille d’ingénierie. Mais cela ressemble toujours à un moteur : un lourd baril cylindrique de cuivre et d’acier. Il s’agit d’un moteur Radial Flux, et il a alimenté toute la révolution des véhicules électriques jusqu’à présent.

Mais si vous regardez le concept Mercedes-Benz Vision One-Eleven, les moteurs ont disparu. Ou plutôt, ils ont disparu dans les roues.

C’est la promesse de la technologie Axial Flux. Ce n’est pas seulement un meilleur moteur ; il s’agit d’un changement de facteur de forme qui pourrait supprimer à jamais les arbres de transmission, les différentiels et les essieux de la voiture.

La physique : radiale ou axiale

Pour comprendre pourquoi cela est important, nous devons revenir au cours de physique 101. Couple = Force × Rayon

Flux radial (la norme)

Dans un moteur standard (Radial Flux), les aimants tournent à l’intérieur d’une bobine stationnaire (stator). La force magnétique agit perpendiculairement à l’essieu, le poussant.

• La limitation : Pour obtenir plus de couple, vous avez besoin d’un moteur plus long (plus d’aimants) ou d’un moteur plus large (plus de levier). Mais les enroulements en cuivre aux extrémités du cylindre (enroulements d’extrémité) ne font que générer de la chaleur. Ce sont des « poids morts ».
• Le piège à chaleur : les bobines de cuivre sont enfouies profondément à l’intérieur du noyau de fer. Pour évacuer la chaleur, elle doit traverser des couches d’acier et d’isolation avant d’atteindre la chemise d’eau des capacités extérieures.

Flux Axial (La Crêpe)

Dans un moteur à flux axial, le rotor est un disque et le stator est un disque à côté. Le flux magnétique circule parallèlement à l’essieu, prenant en sandwich les bobines.

• The Leverage Hack : Comme le moteur est un disque plat (comme une crêpe), les aimants actifs sont poussés plus loin du centre. Vous vous souvenez de Torque = Force × Radius ? En déplaçant la force vers le bord extérieur du disque, vous obtenez un effet de levier mécanique massif sans ajouter de poids.
• Pas de cuivre mort : Les bobines sont de simples boucles plates. Près de 100 % du cuivre contribue au couple.

Le cauchemar de la fabrication

Si Axial Flux est meilleur, pourquoi tout le monde ne l’utilise-t-il pas ? Parce qu’en construire un est un cauchemar.

Dans un moteur radial standard, si l’écart entre le rotor et le stator est réduit d’un millimètre, il fonctionne de manière légèrement inefficace. Dans un moteur à flux axial, la force d’attraction entre les deux disques magnétiques est immense : des tonnes de pression tentent de les faire claquer l’un contre l’autre.

• L’espace d’air : les fabricants doivent maintenir un entrefer inférieur au millimètre entre deux disques en rotation qui fléchissent sous des charges magnétiques massives.
• Charge sur roulement : Les forces axiales détruisent les roulements standard. Vous avez besoin de butées massives et lourdes pour empêcher les faces de se toucher, ce qui ronge vos économies de poids.

La percée YASA : le refroidissement « sans joug »

Les moteurs à flux axial ne sont pas nouveaux : ils existent en théorie depuis un siècle. Mais ils avaient un défaut fatal : La chaleur. La prise en sandwich de deux disques magnétiques crée un autocuiseur. Il n’y avait aucun moyen de refroidir le centre de la « crêpe » sans détruire le moteur.

Entrez YASA (Yokeless And Segmented Armature), une spin-out de l’Université d’Oxford acquise par Mercedes-Benz.

Leur percée fut un stator « sans joug ».

1. Canaux d’huile 3D : Au lieu de simplement pulvériser de l’huile à l’extérieur, Yasa pompe de l’huile de refroidissement à travers le centre des bobines du stator.
2. La différence diélectrique : Ils utilisent une huile diélectrique (non conductrice) qui coule en contact direct avec le cuivre. Cela ne fait pas que refroidir l’affaire ; il refroidit le fil lui-même.
3. Le résultat : Un moteur qui pèse 50 lb (23 kg) mais produit 480 HP.
   • Comparaison : Un moteur EV standard avec cette puissance pèserait près de 200 livres.

Science des matériaux : la poudre secrète

Les moteurs standards utilisent des tôles d’acier laminées (acier au silicium) pour guider le magnétisme. Yasa utilise des composites magnétiques doux (SMC).

• Qu’est-ce que c’est ? : Au lieu de feuilles, ils utilisent des grains de poudre de fer recouverts d’une couche de céramique isolante, pressés en formes 3D.
• La physique :
  • Courants de Foucault : Dans le fer solide, les champs magnétiques changeants créent des courants électriques indésirables (courants de Foucault) qui génèrent de la chaleur. Dans SMC, l’isolation autour de chaque grain arrête ces courants.
  • Flux 3D : L’acier laminé guide uniquement le magnétisme en 2D (le long de la tôle). SMC permet au magnétisme de circuler en 3D, permettant ainsi des conceptions complexes de « pôles à griffes » qui extraient encore plus de couple des aimants.

Pourquoi c’est important : la guerre des “poids non suspendus”

Le Saint Graal de la conception automobile est le moteur intégré aux roues. Si vous pouvez placer le moteur à l’intérieur de la roue, vous pouvez supprimer la transmission, l’arbre de transmission, les essieux et le différentiel. Vous obtenez une voiture entièrement plate, une véritable « planche à roulettes » avec un espace intérieur infini.

Le problème : « Poids non suspendu ».

• Défini : Poids qui n’est pas supporté par la suspension (roues, pneus, freins).
• La physique : F = ma. Lorsqu’une roue lourde heurte une bosse, elle prend un élan ascendant massif. Le ressort de suspension doit lutter contre cet élan pour maintenir le pneu sur la route.
  • Roue lourde : heurte une bosse -> vole dans les airs -> le pneu perd le contact -> vous vous écrasez.
  • Roue légère : heurte une bosse -> monte rapidement -> la suspension la repousse -> le pneu reste accroché.

La solution de flux axial : Parce que les moteurs de Yasa sont incroyablement légers (moins qu’un disque de frein), ils constituent la seule technologie qui rend possible une transmission intégrale haute performance.

• Vectorisation : Avec quatre moteurs indépendants, vous pouvez coupler instantanément le vecteur. L’ordinateur peut faire tourner les roues gauches vers l’arrière et les roues droites vers l’avant pour faire tourner la voiture en un rien de temps (Tank Turn).

L’avenir : Mercedes AMG.EA

Mercedes n’a pas acheté Yasa pour un projet scientifique. Ils l’ont acheté pour la prochaine plateforme AMG.EA. Nous sommes sur le point d’assister à une bifurcation sur le marché des véhicules électriques.

• Voitures économiques : continueront à utiliser des moteurs à flux radial lourds et bon marché.
• Performance/Luxe : passera à Axial Flux.

Lorsque vous voyez les supercars électriques AMG de nouvelle génération faire des tours de réservoir avec quatre roues indépendantes, ou la Vision One-Eleven en croisière avec une hauteur de capot nulle, rappelez-vous : ce n’est pas magique. C’est juste un moteur à crêpes qui a enfin compris comment rester au frais.

Nos sources (2)

• yasa.com YASA Technology
• mercedes-benz.com Mercedes-Benz Vision One-Eleven