Cet article étudie une approche innovante visant à intégrer directement une pompe volumétrique Gerotor au sein d’un moteur à aimants permanents à commutation de flux. L’architecture proposée a été développée à l’issue d’un processus d’optimisation s’appuyant sur des simulations numériques bidimensionnelles (2D) et tridimensionnelles (3D). Un prototype fonctionnel a ensuite été fabriqué et caractérisé expérimentalement. Ses performances ont enfin été comparées à celles d’une architecture de moteur conventionnelle, permettant ainsi de valider expérimentalement le concept proposé.

Mots-clés : moteur à commutation de flux, pompe Gerotor, pompe volumétrique, intégration compacte. 

I. INTRODUCTION 

La transition vers les véhicules électriques à batterie (BEV) accroît la demande de systèmes combinant une réduction du poids et de l’encombrement avec une efficacité énergétique élevée. Bien que la propulsion électrique soit généralement associée à des moteurs de traction développant plusieurs centaines de kilowatts, un véhicule électrique moderne intègre également de nombreux moteurs électriques auxiliaires fonctionnant pendant des périodes prolongées.

Parmi ces systèmes auxiliaires figurent notamment les pompes dédiées à la gestion thermique de la batterie, de l’électronique de puissance et de la chaîne de traction, ainsi que les systèmes utilisés pour la climatisation. Certaines de ces fonctions restent actives non seulement lorsque le véhicule est en mouvement, mais également pendant la recharge de la batterie. L’énergie nécessaire à leur fonctionnement ne pouvant pas être récupérée par régénération, et leur durée cumulée de fonctionnement pouvant atteindre plusieurs milliers d’heures, l’amélioration de leur rendement constitue un enjeu important en matière de conception.

Outre le rendement, les pompes destinées aux applications automobiles doivent offrir une grande fiabilité et de faibles émissions acoustiques. Le bruit constitue un enjeu particulièrement important dans les véhicules électriques, car le fonctionnement des pompes peut devenir clairement perceptible en l’absence des bruits liés à la propulsion, notamment lorsque le véhicule est à l’arrêt.

L’objectif de ce travail est donc d’étudier une nouvelle architecture dans laquelle la fonction de pompage est directement intégrée au moteur électrique. Les performances obtenues à partir d’un prototype fabriqué sont également évaluées expérimentalement.

Les sections suivantes présentent tout d’abord la technologie de pompage Gerotor retenue, avant de décrire son intégration au sein du moteur électrique. Le choix de la topologie du moteur est ensuite analysé, en mettant en évidence les avantages potentiels d’un moteur à aimants permanents à commutation de flux. Les conceptions respectives de l’étage de pompage et du moteur sont ensuite détaillées, suivies de la réalisation du prototype et de sa caractérisation expérimentale. Enfin, l’architecture FSPMM proposée est comparée à celle d’un moteur BLDC conventionnel à aimants permanents intérieurs.

II. LA POMPE GEROTOR

Les technologies de pompage peuvent être globalement réparties en deux catégories : les pompes dynamiques et les pompes volumétriques.

Les pompes dynamiques, parmi lesquelles figurent les pompes centrifuges, transmettent de l’énergie mécanique à un fluide par l’intermédiaire d’une roue en rotation. Les pompes volumétriques fonctionnent selon un principe différent : l’énergie est transmise par la variation périodique du volume d’une chambre contenant le fluide. Un piston se déplaçant à l’intérieur d’un cylindre constitue l’un des exemples les plus simples de ce principe, bien que de nombreuses autres architectures existent.

Le choix d’une technologie de pompage adaptée dépend de plusieurs paramètres, notamment la viscosité et les caractéristiques du fluide, la qualité de débit requise, le rendement ainsi que le coût global du système.

Les véhicules contiennent et font circuler différents types de fluides. Selon l’application et l’architecture du véhicule, les pompes peuvent assurer la circulation du carburant, de l’eau destinée aux systèmes de nettoyage du pare-brise ou des caméras, du glycol utilisé pour la gestion thermique de la batterie, ou encore de l’huile destinée à la lubrification de la chaîne de transmission. Ces fluides présentent généralement une viscosité relativement faible, ce qui permet d’envisager plusieurs technologies de pompes centrifuges ou volumétriques.

Les technologies volumétriques peuvent néanmoins offrir des avantages significatifs en matière de rendement dans certaines conditions de fonctionnement. Elles peuvent également permettre une réversibilité du débit, fonctionnalité que les pompes centrifuges ne peuvent pas assurer.

Les pompes à engrenages et les pompes à palettes sont fréquemment utilisées pour des applications telles que la circulation d’huile. Les solutions à palettes peuvent être relativement complexes à fabriquer en raison du nombre important de composants individuels qu’elles comportent. Au sein de la famille des pompes à engrenages, les pompes Gerotor présentent un intérêt particulier en raison de la combinaison de simplicité mécanique et de rendement qu’elles peuvent offrir.

Un Gerotor, dont le nom provient de l’expression anglaise « generated rotor », est constitué de deux rotors présentant des profils d’engrenage cycloïdaux. Le rotor intérieur, entraîné par le moteur, comporte une denture extérieure, tandis que le rotor extérieur présente une denture intérieure et suit le mouvement du rotor intérieur à une vitesse de rotation différente, puisqu’il comporte une dent supplémentaire.

Le positionnement excentrique et le mouvement relatif de ces deux composants génèrent des cavités dont le volume évolue continuellement au cours de la rotation. Du côté de l’admission, le volume de la chambre augmente et crée un phénomène d’aspiration. Du côté du refoulement, le volume de la chambre correspondante diminue progressivement, forçant ainsi le fluide vers l’orifice de sortie. Ce mécanisme permet d’assurer un pompage continu sans nécessiter de soupapes ni de systèmes d’étanchéité dynamique complexes.

Parmi les principaux critères de conception pris en compte dans cette étude figurent la minimisation des pulsations de débit et la réduction des émissions acoustiques.

Figure 1. Gerotor pumping cycle. 

III. INTÉGRATION DE LA POMPE AU MOTEUR 

La plupart des systèmes de pompage dissocient traditionnellement la fonction d’entraînement électrique de l’étage de pompage hydraulique. Dans les configurations industrielles conventionnelles, le moteur est mécaniquement accouplé à une pompe indépendante. L’un des avantages de cette architecture réside dans la simplification des opérations de maintenance, puisque chacun des deux composants peut être remplacé indépendamment.

Les pompes Gerotor destinées aux applications automobiles peuvent présenter un niveau d’intégration plus avancé, puisque le moteur et l’étage de pompage sont regroupés au sein d’un même carter. Néanmoins, ces deux fonctions restent généralement mécaniquement distinctes, ce qui limite le niveau de compacité pouvant être atteint.

Figure 2. Exemple de pompe électrique industrielle.

Figure 3. Exemple de pompe électrique Gerotor pour application automobile. 

Les moteurs à courant continu sans balais à aimants permanents (BLDC) sont largement utilisés pour les applications de pompage dans le secteur automobile. Dans les systèmes centrifuges destinés à des fluides tels que l’eau ou le carburant, le rotor peut être directement immergé dans le fluide pompé, la roue de la pompe pouvant être moulée directement sur le rotor.

Au-delà de la réduction de l’encombrement global, cette architecture présente un avantage intéressant en matière de gestion thermique. Le fluide en circulation passe à proximité du stator et contribue ainsi au refroidissement des bobinages. L’immersion permet également de supprimer les systèmes d’étanchéité dynamique, ainsi que les problématiques associées de frottement et d’usure mécanique.

Des solutions antérieures ont démontré qu’un étage de pompage Gerotor peut également être directement intégré à l’intérieur du rotor d’un moteur brushless. Cette configuration nécessite toutefois généralement que les aimants permanents soient immergés dans le fluide de fonctionnement.

Figure 4. Examples of gerotor stages integrated inside brushless rotors. 

Ferrite magnets are relatively compatible with this environment, whereas high-performance neodymium-based magnets introduce additional corrosion concerns. Consequently, immersed NdFeB rotors generally require hermetic metallic protection or plastic overmolding. Such solutions increase manufacturing complexity and cost while introducing an additional air gap, approximately 0.5 mm in the configuration discussed here, with a corresponding negative impact on motor performance. 

These corrosion considerations, together with the pursuit of a highly integrated architecture, motivated the investigation of alternative synchronous motor technologies. 

IV. DISCUSSION SUR LE CHOIX DE LA TOPOLOGIE DU MOTEUR 

Une première alternative envisageable est le moteur à réluctance commutée (SRM). Cette topologie n’intégrant pas d’aimants permanents et son rotor étant essentiellement constitué d’un matériau ferromagnétique robuste, elle est intrinsèquement insensible aux problématiques de corrosion des aimants.

Néanmoins, le SRM n’a pas été retenu pour la présente application. Plusieurs caractéristiques ont été considérées comme défavorables, notamment sa densité de couple relativement faible, la nécessité de recourir à une architecture électronique de commande moins courante, ainsi que de potentielles limitations en matière d’émissions acoustiques. Par ailleurs, les SRM sont généralement mieux adaptés à un fonctionnement à haute vitesse, tandis que les pompes volumétriques fonctionnent généralement dans des plages de vitesses faibles à intermédiaires.

La chemise d’étanchéité nécessaire entre le rotor et le stator générerait en outre un entrefer d’environ 1 mm. Le fonctionnement d’un SRM reposant fortement sur les variations de réluctance, l’augmentation de cet entrefer réduirait considérablement sa capacité à produire du couple.

La seconde topologie étudiée est le moteur à aimants permanents à commutation de flux (FSPMM). Son rotor est essentiellement constitué d’acier ferromagnétique, tandis que les aimants permanents sont positionnés au niveau du stator. Les aimants restent ainsi isolés du fluide pompé.

Cette configuration rend le FSPMM particulièrement intéressant pour la pompe intégrée proposée. Les résultats publiés indiquent par ailleurs qu’un FSPMM peut atteindre une densité de couple environ trois fois supérieure à celle d’un SRM de dimensions équivalentes.

La suite de cette étude se concentre donc sur l’intégration d’une pompe Gerotor à l’intérieur du rotor d’un FSPMM, avant de comparer cette architecture à celle d’un moteur BLDC conventionnel à aimants permanents intérieurs (IPM) de type spoke. 

V. CONCEPTION DE L’ÉTAGE DE POMPAGE 

Une pompe à huile Gerotor disponible dans le commerce et destinée aux applications automobiles a été utilisée comme référence pour le système hydraulique. Après démontage de la pompe, ses performances théoriques ont été modélisées à l’aide du logiciel commercial Gerotor Design Studio.

La pompe de référence comporte un rotor extérieur à cinq lobes et un rotor intérieur à quatre lobes. Sa hauteur est de 11 mm, tandis que le diamètre extérieur au sommet des lobes atteint 28 mm. Les simulations numériques prévoient un débit d’environ 5 L/min à 1 000 tr/min. 

Figure 5. Pompe à huile Gerotor de référence et modèle de simulation. 

Le moteur BLDC utilisé dans la configuration commerciale de référence comporte 12 dents, six bobines et dix pôles. Pour des raisons liées à la fabrication et aux coûts, la conception alternative a également été limitée à six bobines, les connexions des bobinages ayant une influence significative sur le coût du moteur.

Sur la base de cette contrainte, une configuration FSPMM associant six aimants à un rotor à sept dents a été retenue. Le rotor extérieur du Gerotor a par conséquent été conçu avec sept lobes, afin d’améliorer l’intégration géométrique de l’étage de pompage à l’intérieur du rotor du moteur.

La géométrie a ensuite été ajustée à l’aide de Gerotor Design Studio, avec pour objectif de conserver des performances hydrauliques comparables à celles de la pompe de référence.

Le moteur complet devant respecter un diamètre extérieur maximal de 60 mm, il a été nécessaire de réduire le diamètre de l’étage de pompage. Le compromis retenu a conduit à une longueur active de 32 mm et à un diamètre réduit de 23 mm au sommet des lobes.  

Figure 6. Modèle du FSPMM et conception de l’étage de pompage.. 

VI. CONCEPTION DU MOTEUR À COMMUTATION DE FLUX

Un modèle paramétrique bidimensionnel du FSPMM a été développé à l’aide du logiciel de calcul par éléments finis FLUX2D.

Pour un diamètre extérieur fixé à 60 mm et une longueur de 19 mm, une procédure d’optimisation a été mise en œuvre afin de maximiser la constante moteur Km, correspondant au meilleur rapport entre le couple et la racine carrée de la puissance électrique, tout en réduisant simultanément le volume des aimants et le coût des matériaux associé.

Les variables d’optimisation comprenaient les dimensions des aimants, l’angle des dents du stator, l’angle des dents du rotor ainsi que le diamètre du rotor.

Les contraintes de fabrication ont été directement intégrées à la conception électromagnétique. Le stator est constitué d’un empilement de tôles magnétiques formant six segments interconnectés. Une liaison de 0,5 mm est conservée derrière les aimants afin d’assurer la connexion entre les différentes sections. D’après les simulations, cette caractéristique entraîne une réduction d’environ 4,5 % du flux magnétique et du couple électromagnétique.

Les fuites de flux magnétique axial entre les pôles du stator ont également été étudiées. Les simulations tridimensionnelles réalisées avec FLUX3D indiquent une réduction du couple d’environ 20 % par rapport aux prédictions obtenues avec le modèle bidimensionnel.

Figure 7. FSPMM 3D model and axial flux-leakage visualization. 

Tableau I. Principales dimensions du moteur.

Paramètre	Dimension / Valeur
Diamètre du stator	60 mm
Diamètre du rotor	31 mm
Longueur active	19 mm
Hauteur totale, têtes de bobinage comprises	30 mm
Épaisseur des aimants	4 mm
Rémanence des aimants	1,25 T
Angle des dents du stator	35,3°
Angle des dents du rotor	15,6°
Entrefer total, fluide et chemise inclus	1 mm

VII. PROTOTYPE DE POMPE

A. CONCEPTION MÉCANIQUE

Un prototype physique a été fabriqué conformément à l’architecture intégrée proposée.

Figure 8. Conception du prototype FSPMM et assemblage réalisé.

Pour la détection de la position du rotor, le prototype intègre un aimant multipolaire supplémentaire en ferrite, associé à trois capteurs à effet Hall montés sur un circuit imprimé (PCB) situé à l’extérieur du volume contenant le fluide.

Dans le cadre d’une future mise en production, la position du rotor pourrait être déterminée directement par le contrôleur à l’aide d’autres approches, telles que la mesure du flux de fuite du stator ou l’utilisation d’une méthode d’estimation du flux, similaire à celles employées dans les systèmes d’entraînement sans capteur (sensorless).

B. MESURES ÉLECTROMAGNÉTIQUES 

Le couple de détente (detent torque) mesuré sur le prototype est d’environ ±7 mN·m. Des mesures de couple statique ont également été réalisées avec une phase alimentée.

Les mesures expérimentales ont révélé un couple inférieur d’environ 7 % à celui prédit par les simulations tridimensionnelles.

L’origine de cet écart n’a pas encore été déterminée de manière concluante. Parmi les explications envisagées dans cette étude figurent une sous-estimation des fuites de flux magnétique au niveau de la liaison du stator, ainsi que des fuites de flux dans la direction axiale. Des investigations complémentaires sont donc nécessaires pour identifier précisément l’origine de cet écart.

Figure 9. Mesure du couple du prototype. 

C. MESURES DE LA POMPE 

À la suite de la caractérisation électromagnétique statique, le prototype a fait l’objet d’essais hydrauliques dynamiques et ses performances ont été comparées à celles de la pompe commerciale de référence.

Un débitmètre et un capteur de pression ont été utilisés afin d’établir deux courbes caractéristiques : le débit en fonction de la vitesse de rotation du moteur, ainsi que la pression en fonction du débit.

Figure 10. Banc de mesure hydraulique. 

Figure 11. Courbes de mesures hydrauliques.. 

Les débits mesurés se sont révélés inférieurs aux valeurs théoriques prévues pour le Gerotor, à savoir 5 L/min à 1 000 tr/min. Plusieurs paramètres peuvent expliquer cet écart, notamment la viscosité du fluide ainsi que les jeux mécaniques entre les différents composants.

Pour atteindre un débit équivalent à celui de la pompe commerciale de référence, le moteur du prototype devrait fonctionner à une vitesse de rotation relativement faible, située en dehors de sa plage de rendement optimale. L’étage hydraulique devrait donc être redimensionné afin d’assurer une meilleure adéquation entre les caractéristiques de la pompe et les conditions de fonctionnement du moteur.

Malgré cette limitation, le prototype expérimental a fonctionné avec succès, démontrant ainsi la faisabilité de l’intégration d’un étage de pompage Gerotor au sein de l’architecture de machine électrique proposée.

VIII. COMPARAISON AVEC UN MOTEUR BLDC À AIMANTS PERMANENTS INTÉRIEURS (IPM) 

À la suite du développement du prototype FSPMM, une comparaison basée sur des simulations a été réalisée avec un moteur BLDC conventionnel à aimants permanents intérieurs (IPM) de type spoke.

Afin de garantir une comparaison pertinente, les deux systèmes ont été considérés avec des dimensions hors tout équivalentes : 60 mm de diamètre et 30 mm de hauteur totale, têtes de bobinage comprises.

Pour le moteur conventionnel, un entrefer supplémentaire de 0,5 mm a été pris en compte afin d’intégrer la chemise de protection amagnétique nécessaire autour du rotor contenant les aimants permanents immergés.

Les deux architectures de moteur ont été analysées à l’aide de simulations tridimensionnelles, afin de prendre en compte les effets liés aux fuites de flux magnétique. Les pertes dues à ces fuites ont été estimées à 20 % pour le FSPMM et à 5,5 % pour le moteur conventionnel.

Les architectures évaluées comprenaient un FSPMM à six bobines et sept dents rotoriques, ainsi qu’une machine IPM conventionnelle à 12 dents, six bobines et dix pôles.

En raison des différences de géométrie des bobinages, leurs longueurs actives ne sont pas identiques, malgré une hauteur totale identique. Les valeurs indiquées dans l’étude sont de 22,6 mm pour le FSPMM et de 20 mm pour le moteur IPM, ce qui entraîne une différence de masse de fer d’environ 15 %.

Tableau II. Comparaison des masses actives.

Motor type	Magnet mass	No. magnets	Iron mass	Copper mass
FSPMM	60 g	6	261 g	44 g
12/10 IPM	40 g	10	227 g	49 g

Aucune comparaison complète des coûts n’a été réalisée, car le coût de fabrication dépend non seulement de la masse des matières premières, mais également du nombre de composants individuels ainsi que du processus d’assemblage effectivement mis en œuvre.

Figure 12. Comparaison du moteur FSPMM avec un moteur IPM conventionnel 12/10.

Les simulations statiques ont conduit à une constante moteur similaire pour les deux machines, d’environ 60 mN·m/√W.

Une différence significative a néanmoins été observée au niveau de la perméance. La valeur obtenue pour le FSPMM est d’environ 3,4 × 10⁻⁷ H/tr², contre 1,73 × 10⁻⁷ H/tr² pour le moteur IPM conventionnel 12/10. Cette différence peut notamment s’expliquer par l’entrefer plus important ainsi que par le positionnement des aimants dans le trajet du flux magnétique.

Cette perméance plus élevée affecte défavorablement le facteur de puissance du FSPMM, en particulier dans la plage de vitesses correspondant au rendement maximal du moteur.

Figure 13. Comparaison des caractéristiques couple-vitesse du FSPMM et du moteur IPM conventionnel 12/10

Cependant, la comparaison doit également prendre en compte l’intégration globale du système. L’architecture FSPMM permet en effet de positionner directement l’étage de pompage Gerotor à l’intérieur de son rotor. Avec l’architecture IPM conventionnelle considérée dans cette étude, l’étage de pompage devrait au contraire être installé à l’extérieur du volume du moteur, ce qui entraînerait un encombrement global plus important.

Par conséquent, une augmentation modérée des dimensions du FSPMM pourrait potentiellement compenser une partie de son désavantage en matière de performances, tout en conservant un encombrement global particulièrement avantageux.

IX. CONCLUSION 

Ce travail présente une architecture de pompe électrique automobile dans laquelle un étage de pompage Gerotor est directement intégré au rotor d’une machine à aimants permanents à commutation de flux (FSPMM).

Ce concept présente deux avantages principaux : une architecture mécanique particulièrement compacte et une protection intrinsèque des aimants permanents contre tout contact direct avec le fluide pompé, limitant ainsi les risques de corrosion associés aux aimants immergés dans le rotor.

La configuration proposée a été développée à partir d’une optimisation bidimensionnelle et de simulations électromagnétiques tridimensionnelles, avant d’être mise en œuvre sous la forme d’un prototype physique.

Les essais réalisés sur le prototype ont mis en évidence un déficit de couple modéré par rapport aux prédictions numériques, dont l’origine précise reste à déterminer. Les essais hydrauliques ont néanmoins confirmé le bon fonctionnement de la pompe électrique intégrée.

La conception initiale du Gerotor ne présentait pas une adéquation optimale avec les caractéristiques de fonctionnement du moteur, ce qui implique de poursuivre l’optimisation de l’étage de pompage. Les résultats expérimentaux ont également mis en évidence la forte influence des tolérances de fabrication et des jeux mécaniques entre les composants du Gerotor et le carter. Des répartitions de pression non uniformes peuvent par ailleurs accroître les frottements internes et affecter le rendement global de la pompe. 

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Editorial note: Figure captions have been retained to preserve the original article structure. The corresponding source illustrations can be reinserted from the original publication if authorization permits. 

Authors :

Christophe Espanet is the Scientific Director at Moving Magnet Technologies (MMT) S.A. in Besançon (France)

Jean-Daniel Alzingre is the Mechatronic Systems Development Manager within the Strategic Business Development Unit for Industry and Medical at Moving Magnet Technologies (MMT) S.A. in Besançon, France