Alternatives aux aimants en terres rares pour moteurs électriques

La mine de Bayan Obo en Mongolie-Intérieure, qui renferme des minéraux de terres rares (Photo : Reuters)

Un moteur électrique se compose essentiellement de deux parties principales : le stator et le rotor. Le stator est une partie fixe qui, grâce à des bobines ou des aimants, crée un champ magnétique. Ce champ magnétique produit une force qui fait tourner le rotor.

En inversant constamment la polarité du champ magnétique grâce à l'énergie électrique (rappelons que les pôles de même nom se repoussent), le rotor est maintenu en mouvement constant. Ce mouvement produit une force motrice qui peut alimenter un ventilateur, une pompe ou une machine.

Plus l'aimant est puissant, meilleur est le rendement énergétique et la durée de vie du moteur électrique. Les terres rares, comme le néodyme (Nd), le dysprosium (Dy) et le samarium (Sm), sont importantes car leur ajout permet de fabriquer des produits plus puissants, plus compacts, plus légers et plus efficaces qu'un aimant en fer standard.

Approvisionnement mondial

Les terres rares ne sont pas nécessairement rares, mais leur extraction et leur traitement sont complexes. On trouve différentes terres rares dans la plupart des régions du monde, mais la faisabilité de leur extraction doit être évaluée au cas par cas. Compte tenu des investissements considérables et de l'impact environnemental important, de nombreux sites miniers potentiels ne sont jamais autorisés.

Il existe cependant des exceptions. Plusieurs entreprises basées en Chine (comme China Northern Rare Earth) exploitent des terres rares depuis des décennies. Ce savoir-faire, conjugué à d'importants volumes de production, a permis au pays de devenir un fournisseur majeur pour le reste du monde. On estime que la Chine extrait aujourd'hui environ 70 % des minerais contenant des terres rares, et détient 80 % de la capacité mondiale de traitement.

Cette domination du marché a conduit la Chine à mettre en œuvre des stratégies liées aux exportations de terres rares. Il existe de multiples niveaux de signification sous-jacents, mais les exportations peuvent être limitées ou accrues afin d'obtenir un avantage politique et/ou économique.

La Chine exerce une telle emprise sur le marché des terres rares qu'elle contrôle de fait les prix mondiaux. Selon ses objectifs, le gouvernement peut réduire ou augmenter l'offre. Une augmentation de l'offre peut entraîner une baisse des prix mondiaux des terres rares, réduisant ainsi la probabilité de nouveaux projets miniers et risquant de mettre en faillite d'autres producteurs, les coûts d'extraction dépassant alors les prix du marché. À l'inverse, une réduction de l'offre accroît la valeur des matières premières et confère aux produits chinois un avantage concurrentiel sur le marché.

MP Materials, située dans le désert de Mojave en Californie, exploite la seule installation d'extraction et de traitement de terres rares aux États-Unis (Photo : Reuters).

L'importance stratégique des terres rares est capitale. Face à l'hégémonie chinoise, les États-Unis ont récemment dévoilé un projet de zone franche pour les terres rares et autres minéraux critiques, afin de réduire la domination de la Chine sur ce marché.

Alternatives aux terres rares

Comme indiqué, les terres rares permettent de fabriquer des aimants permanents aux propriétés recherchées par les fabricants de moteurs. Les plus courants sont les aimants NdFeB, composés de néodyme (une terre rare), de bore et de fer.

Il existe des alternatives, mais elles présentent des inconvénients. Par exemple, les aimants en ferrite (également appelés aimants « céramiques » en raison de leurs similitudes – en termes de fabrication et de propriétés physiques – avec les véritables matériaux céramiques) peuvent être produits à partir d'oxyde de fer et de baryum/strontium, sans utiliser de terres rares. Cependant, bien qu'ils utilisent des matériaux bon marché et largement disponibles, leur force magnétique est plus faible ; il faut donc utiliser un aimant plus grand pour obtenir les mêmes performances.

Les aimants dits « alnico », composés d'aluminium, de nickel, de cobalt et de fer, offrent une autre solution pour se passer des terres rares. Plus puissants que les ferrites, ils présentent également une bonne stabilité thermique. Cependant, leur force magnétique globale est plus faible, et l'approvisionnement en cobalt pose des problèmes spécifiques.

Combiner le manganèse avec de l'aluminium (MnAl) ou du bismuth (MnBi) peut également produire des aimants sans terres rares, mais la stabilité et la durabilité restent des problèmes.

Pas d'aimants

Il est également possible de fabriquer un moteur électrique sans aimants permanents. Les moteurs à induction, à réluctance ou à excitation par cuivre utilisent tous des solutions qui ne comportent pas d'aimants.

BMW utilise déjà des moteurs synchrones à excitation externe (EESM) dans ses véhicules électriques. Développés en interne et produits dans son usine de Steyr, en Autriche (les carters en aluminium moulé proviennent du site de Landshut, en Allemagne), ces « moteurs électriques » équiperont les groupes motopropulseurs électriques de sixième génération des futurs véhicules de la « Neue Klasse ».

« Les pertes d'énergie sont réduites de 40 %, les coûts de 20 % et le poids de 10 %. Tout cela contribue de manière significative à l'augmentation d'environ 20 % de l'efficacité globale du véhicule », a expliqué Martin Kaufmann, responsable du développement mondial des groupes motopropulseurs chez BMW.

Les moteurs électriques BMW Gen6 sans aimant sont désormais produits dans l'usine de Steyr (Photo : BMW)

Au lieu d'aimants permanents, les moteurs synchrones électriques (EESM) utilisent un courant continu externe pour exciter les enroulements de cuivre autour du rotor et créer ainsi un champ magnétique. Les courants alternatifs dans le stator produisent un champ magnétique tournant auquel le rotor se synchronise – d'où le terme « synchrone ». Le courant fourni au rotor peut être ajusté pour contrôler le couple et optimiser le rendement.

Il en résulte un moteur à haut rendement offrant un champ magnétique contrôlable. Bien que sa densité de couple soit légèrement inférieure à celle d'un moteur utilisant des aimants permanents à base de terres rares, le système peut s'avérer moins coûteux si le prix des terres rares est élevé.

Compression de la bobine

Il existe d'autres solutions sans aimant. La société britannique Advanced Electric Machines a développé une gamme de moteurs destinés aux applications routières et hors route. Ces moteurs utilisent la technologie de compression de bobines, un procédé qui consiste à bobiner les spires du stator puis à les comprimer mécaniquement. Il en résulte un facteur de remplissage très élevé des enroulements, compris entre 60 et 85 %, ce qui améliore le rendement énergétique et le refroidissement du moteur.

L'entreprise a récemment dévoilé son moteur HDRM300C de deuxième génération. Conçu pour les applications poids lourds et véhicules utilitaires, ce nouveau modèle affiche un taux de remplissage des encoches supérieur à 80 %. De plus, grâce à ses bobinages en aluminium, il est entièrement recyclable.

De nouveaux connecteurs enfichables remplacent les anciens presse-étoupes, simplifiant l'installation et la maintenance tout en optimisant la fiabilité. Le moteur est également doté de roulements et de connexions de barres omnibus améliorés pour supporter des vitesses de fonctionnement plus élevées.

Pour aller de l'avant

La question à plusieurs milliards de dollars est de savoir si les moteurs électriques utilisant des aimants produits à partir de terres rares seront remplacés par des modèles utilisant une technologie sans aimant.

Les aimants fabriqués à partir de terres rares offrent des performances très avantageuses en termes de poids et de taille. Ce facteur, combiné au fait qu'il s'agit d'une technologie éprouvée, signifie que même si certains véhicules légers pourraient adopter des moteurs sans aimants, la plupart conserveront probablement cette technologie.

Dans d'autres secteurs, la légère augmentation de la taille et du poids des modèles sans aimant pourrait constituer un inconvénient moindre, accélérant ainsi le passage à ces types de moteurs pour les poids lourds et les autobus – en particulier pour ces derniers, à mesure que de plus en plus de villes et de municipalités optent pour des réseaux de transport zéro émission.

La domination de la Chine sur le marché des terres rares semble donc se maintenir. Toutefois, là où l'adéquation des véhicules et le soutien des investisseurs convergent, il existe clairement des opportunités de contourner le marché des terres rares et de tirer profit des avantages qui y sont liés.