Défis et opportunités de la conception de minimoteurs à encoches

La densité de couple élevée et la capacité de refroidissement améliorée des minimoteurs CC sans balais (BLDC – Brushless DC) à encoches sont essentielles dans de nombreux domaines allant de la robotique à l’électronique grand public. Cependant, pour optimiser l’efficience, les performances et la fiabilité de l’application, leurs spécifications nécessitent un examen attentif. Les conseils d’intégration d’ingénierie dans la sélection des moteurs BLDC à encoches standard sont avantageux et les considérations de conception sur mesure profiteront aux performances de l’application à long terme.

Par le Dr Madhavan Ramanujam, ingénieur concepteur principal senior, R&D chez Portescap.

En l’absence de balais pour le processus de commutation, les minimoteurs CC sans balais présentent des avantages par rapport à leurs équivalents à balais, notamment une efficience améliorée, une vie utile prolongée et des opportunités de commande rehaussée. Les moteurs BLDC proposent un choix de conception pour des configurations avec ou sans encoches.

Le stator, soit la partie stationnaire extérieure entourant le rotor, contient les bobinages qui canalisent le flux de courant électrique. Un champ magnétique est ainsi généré. Son interaction avec les aimants du rotor le fait tourner et crée un mouvement. Dans un moteur BLDC sans encoches, les bobinages sont typiquement fixés dans le stator par une résine ou maintenus en place par un ruban, voire un dispositif de rétention mécanique. En revanche, dans une conception à encoches, les enroulements sont retenus dans des encoches ou rainures.

Les moteurs sans encoches sont généralement plus compacts et ces conceptions sont également avantageuses pour les applications exigeant un fonctionnement fluide et une vitesse élevée. Cependant, les moteurs BLDC à encoches permettent d’augmenter la densité du flux magnétique dans l’entrefer, suscitant une élévation du couple généré. Les caractéristiques dynamiques du moteur sont ainsi améliorées, rendant cette conception plus fiable. Les encoches contribuent également à dissiper la chaleur, ce qui rehausse le refroidissement.

Dimensionnement des moteurs BLDC à encoches

Toutefois, les moteurs BLDC à encoches présentent des défis uniques lors de la conception, exigeant dès lors un cahier des charges minutieux. Il s’agit notamment du calcul précis des pertes dans le noyau, ainsi que de la responsabilisation de la saturation du matériau et de la démagnétisation de l’aimant à des températures de fonctionnement supérieures. Les performances, l’efficience et la gestion thermique peuvent en être affectées. Dimensionner le moteur pour répondre aux exigences de couple est une étape cruciale. Ce calcul dépend principalement des charges électriques et magnétiques, des dimensions du rotor et du stator et du choix des matériaux.

En principe général, si les points de fonctionnement de l’application impliquent une vitesse élevée et un couple faible, la charge magnétique doit être optimisée pour réduire les pertes dans le noyau avec un nombre moindre de paires de pôles. Les pertes dans le noyau, également appelées pertes dans le fer, désignent l’énergie dissipée dans le noyau magnétique du moteur en résultante des phénomènes d’hystérésis et de courants de Foucault. À l’autre extrémité de l’échelle, si les points de fonctionnement impliquent une vitesse faible et un couple élevé, la charge électrique doit être optimisée pour gérer les pertes dans le cuivre (également appelées pertes I²R). Les pertes dans le cuivre représentent la résistance des bobinages au flux de courant électrique et se présentent sous forme de perte de puissance dans la chaleur générée. La réduction des pertes dans le cuivre et le noyau optimise l’efficience du moteur pour les points de fonctionnement couple-vitesse donnés.

Le couple est proportionnel à la taille du moteur pour les charges choisies et les combinaisons encoches-pôles. Par conséquent, le choix des charges et des combinaisons encoches-pôles dépend des exigences de couple-vitesse de l’application.

Aperçu des combinaisons encoches-pôles

La disposition et la relation entre les encoches du stator et les pôles de l’aimant permanent sur le rotor sont appelées combinaisons encoches-pôles. Elles décrivent les interactions du champ magnétique du moteur.

Les minimoteurs à encoches présentent différentes combinaisons encoches-pôles. Un facteur d’enroulement élevé doit être pris en compte pour augmenter le couple constant du moteur. Un plus petit commun multiple, ou PPCM, élevé entre le nombre d’encoches et de pôles réduit la magnitude du couple d’engrènement tandis qu’un plus grand commun diviseur, ou PGCD, élevé contribue à réduire les forces radiales magnétiques déséquilibrées et à augmenter la symétrie radiale.

Il est possible d’utiliser une conception classique à encoches à deux pôles pour enroulement réparti à encoches intégrées (ISDW – Integral Slot Distributed Winding) mais le couple constant est inférieur à celui d’une conception à quatre pôles. Par conséquent, cette option est déconseillée pour les applications à couple élevé et à vitesse faible.

Différentes combinaisons sont disponibles en fonction du couple et de la vitesse souhaités, ainsi que de la capacité du moteur à gérer des caractéristiques comme le couple d’engrènement qui crée des ondulations de couple et affecte la fluidité du déroulement du mouvement.

Outre la combinaison encoches-pôles, une autre configuration, dénommée enroulements concentrés à nombre fractionnaire d’encoches  (FSCW – Fractional Slot Concentrated Windings), inclut des configurations d’aimant annulaire multipolaire. Il s’agit de circuits magnétisés courts et d’une conception adaptée aux applications combinant vitesse faible et couple élevé.

Spécification des minimoteurs BLDC à encoches

Le couple généré par le moteur est proportionnel à son volume, à la charge magnétique et électrique et à sa combinaison encoches-pôles. La spécification de ces caractéristiques dépend non seulement des exigences couple-vitesse de l’application mais aussi d’attributs plus larges susceptibles d’affecter les performances du mouvement ainsi que la fiabilité et la longévité.

Pour la spécification d’un moteur BLDC à encoches, les modèles standard à encoches de stator et les configurations d’aimants standard développés au fil des années de production peuvent assurer une fiabilité élevée et des performances suffisantes pour un dimensionnement de moteur standard. Cependant, l’utilisation du circuit magnétique pour cette conception traditionnelle est généralement sous-optimale. En d’autres termes, l’efficience est inférieure à des points de fonctionnement couple-vitesse spécifiques.

Compte tenu de l’ensemble des facteurs affectant les spécifications, il est crucial de rechercher l’assistance d’intégration d’ingénierie d’un spécialiste du mouvement comme Portescap. Spécialement pour les équipementiers à grand volume. Une conception de moteur sur mesure s’avère très avantageuse car cette approche optimise les performances et l’efficience pour des points de fonctionnement spécifiques. Sur la base de conceptions existantes personnalisables et si toutes les étapes de l’intégration sont envisagées, le délai de mise sur le marché est souvent réduit comparé à celui d’une conception standard. Les moteurs BLDC à encoches peuvent également être spécifiés pour leur rentabilité et, eu égard à la valeur accrue potentielle d’une conception sur mesure, ce processus peut réduire les coûts totaux.

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À propos de Portescap

Portescap propose la gamme la plus étendue de moteurs spécialisés et minimoteurs du secteur, couvrant les technologies des moteurs DC à balais sans fer, DC sans balais, pas-à-pas, réducteurs, actionneurs linéaires numériques et à aimant disque. Depuis plus de 70 ans, les produits Portescap répondent à divers besoins solutions motorisées dans des applications médicales et industrielles très diverses.

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