DÉFIS ET PERSPECTIVES DE LA CONCEPTION DE MOTEURS MINIATURES À ENCOCHES

Défis et opportunités de conception de moteurs à fentes

La densité de couple élevée et la capacité de refroidissement améliorée des moteurs miniatures CC sans balais (BLDC) à encoches sont déterminantes dans de nombreuses applications allant de la robotique à l’électronique grand public. Cependant, pour optimiser l’efficacité, la performance et la fiabilité de l’application, leur spécification doit faire l’objet d’une attention particulière. Les conseils en matière d’intégration technique lors de la sélection des moteurs CC sans balais à encoches disponibles sur le marché sont avantageux et les considérations relatives à la conception sur mesure bénéficieront aux performances de l’application à long terme.

Grâce à l’absence de balais pour le processus de commutation, les moteurs miniatures CC sans balais présentent des avantages par rapport à leurs homologues à balais, notamment un meilleur rendement, un fonctionnement à vitesse haute, une durée de vie plus longue et la possibilité d’améliorer leur pilotage. Dans le cas des moteurs CC sans balais, il est possible de choisir entre des configurations avec ou sans encoches.

Le stator, qui est la partie extérieure fixe entourant le rotor, contient les bobinages qui canalisent le flux de courant électrique. Cela génère un champ magnétique qui interagit avec les aimants du rotor et qui le fait tourner en créant un mouvement. Dans un moteur CC sans balais ni encoches, les bobinages sont généralement fixés dans le stator par de la résine ou maintenus en place par un ruban ou un dispositif de rétention mécanique. Dans le cas d’une conception à encoches, les bobinages sont maintenus dans des encoches ou des rainures.

Les moteurs sans encoches sont généralement plus compacts et leurs conceptions sont également avantageuses pour les applications nécessitant un fonctionnement plus souple et une vitesse haute. Cependant, les moteurs CC sans balais à encoches permettent d’augmenter la densité du flux magnétique dans l’entrefer, ce qui se traduit par une génération de couple plus élevée ; cela contribue à améliorer la dynamique du moteur tout en rendant cette conception plus fiable. Les encoches contribuent également à la dissipation de la chaleur, ce qui permet d’améliorer le refroidissement.

DIMENSIONNEMENT DES MOTEURS CC SANS BALAIS À ENCOCHES

Les moteurs CC sans balais à encoches présentent des défis uniques lors de la phase de conception, ce qui signifie qu’une spécification minutieuse est nécessaire. Cela comprend le calcul précis de la perte de noyau, ainsi que la responsabilité de la saturation du matériau et de la démagnétisation de l’aimant à des températures de fonctionnement plus élevées qui peuvent avoir un impact sur les performances, l’efficacité et la gestion thermique. Le dimensionnement du moteur en fonction du couple requis est une étape essentielle. Ce calcul dépend principalement des charges électriques et magnétiques, ainsi que des dimensions du rotor et du stator et du choix des matériaux.

En règle générale, si les points de fonctionnement de l’application impliquent une vitesse haute et un faible couple, la charge magnétique doit être optimisée pour réduire les pertes fer avec un plus petit nombre de paires de pôles. Les pertes fer, également appelées pertes de noyau, correspondent à l’énergie dissipée dans le noyau magnétique du moteur en raison de l’hystérésis et des courants de Foucault. À l’autre bout du spectre, si les points de fonctionnement comprennent une vitesse basse et un couple élevé, la charge électrique doit être optimisée pour faire face aux pertes par effet Joule (également connues sous le nom de pertes RI²). Les pertes Joule sont dues à la résistance des bobinages au passage du courant électrique et se traduisent par une perte de puissance sous forme de chaleur générée. La réduction des pertes fer et des pertes Joule permet d’optimiser l’efficacité du moteur pour les points de fonctionnement couple-vitesse donnés. La relation de base entre le couple généré est donnée par l’équation suivante (Lisez le livre blanc sur notre site Web pour voir l'équation)

APERÇU DES COMBINAISONS ENCOCHES-PÔLES

La disposition/relation entre les encoches du stator et les pôles de l’aimant permanent sur le rotor est connu sous le nom de combinaison encoches-pôles, qui décrit les interactions du champ magnétique du moteur.

Différentes combinaisons encoches-pôles sont possibles avec les moteurs miniatures à encoches. Un facteur de bobinage élevé doit être envisagé pour augmenter la constante de couple du moteur. Un PPCM (plus petit commun multiple) élevé entre le nombre d’encoches et de pôles (S, P) réduit l’ampleur du couple résiduel, tandis qu’un PGCD (plus grand commun diviseur) élevé (S, P) permet de réduire les forces radiales magnétiques déséquilibrées et d’augmenter la symétrie radiale.

La conception traditionnelle à encoches à deux pôles des bobinages concentrés à encoches intégrées (ICSW), illustrée à la figure 1, est possible, mais la constante de couple est inférieure à celle de la conception à quatre pôles ; cette option n’est pas recommandée pour les applications à couple élevé et à vitesse basse.

Différentes combinaisons sont disponibles en fonction du couple et de la vitesse souhaités, ainsi que de la capacité du moteur à gérer des caractéristiques telles que le couple résiduel, qui crée des ondulations de couple et influe sur la fluidité du mouvement.

Outre la combinaison encoches-pôles, une autre configuration connue sous le nom de bobinages concentrés à encoches fractionnées (FSCW) est également possible. Les bobinages concentrés à encoches fractionnées comprennent des configurations d’aimants annulaires multipolaires avec des circuits magnétiques courts. Cette conception est adaptée aux applications à vitesse basse et à couple élevé. Le tableau 1 présente les différentes combinaisons encoches-pôles et leurs avantages.

SPÉCIFICATION DES MOTEURS MINIATURES CC SANS BALAIS 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 de l’application en matière de couple-vitesse, mais aussi d’attributs plus larges qui peuvent avoir un impact sur les performances du mouvement, ainsi que sur la fiabilité et la longévité.

Lors de la spécification d’un moteur CC sans balais à encoches, les modèles de forme d’encoches du stator disponibles sur le marché et les configurations d’aimants standard développées au cours de nombreuses années de production peuvent offrir une grande fiabilité et des performances suffisantes si la taille du moteur est standard. Cependant, cette conception traditionnelle présente généralement une utilisation sous-optimale du circuit magnétique, ce qui se traduit également par une efficacité moindre à certains points de fonctionnement couple-vitesse.

Compte tenu de l’ensemble des facteurs qui influent sur les spécifications, il est essentiel de faire appel à un spécialiste du mouvement tel que Portescap pour obtenir un soutien en matière d’intégration de l’ingénierie. C’est particulièrement le cas pour les FEO de grand volume. La conception de moteurs sur mesure est extrêmement bénéfique, car cette approche permet d’optimiser les performances et l’efficacité pour des points de fonctionnement spécifiques ; sur la base de conceptions existantes personnalisables, le délai de mise sur le marché est également souvent plus rapide que l’utilisation d’une conception standard lorsque toutes les étapes de l’intégration sont prises en compte. Les moteurs CC sans balais à encoches peuvent également être prévus pour leur rentabilité et, compte tenu de la valeur accrue qu’une conception sur mesure peut apporter, ce processus a le potentiel de réduire les coûts totaux.

Pour en savoir plus sur les spécifications des moteurs CC sans balais et les conceptions adaptées à votre application, contactez l’équipe de Portescap sur https://www.portescap.com