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Moteurs classiques et sans fentes : ce que vous devez savoir

17 Jun 2021
Experts Kollmorgen

Les moteurs classiques sans balais et sans fentes ont tous deux leurs forces et leurs faiblesses en matière de performances, mais lorsqu'il s'agit de choisir entre les deux, la question n'est pas de savoir quel moteur est le meilleur, mais bien lequel des deux est le mieux adapté à l'application.  

De nombreuses applications nécessitant un système mécanique fluide et précis peuvent bénéficier de moteurs qui fournissent un couple élevé dans un ensemble compact. Prenons l'exemple des systèmes électro-optiques/infrarouges (EO/IR). Dans un système EO/IR, une plateforme stable, réactive et dotée d'un mouvement précis et exact est nécessaire pour suivre les objets même dans des conditions de secousses dues aux chocs de la route, aux turbulences de l'air, aux vibrations et aux autres forces.  

Cependant, des considérations mécaniques et environnementales, telles que l'ondulation de couple ou les forces exercées sur le système dans les applications mobiles, peuvent perturber l'asservissement du capteur visuel ou infrarouge, nécessitant un logiciel supplémentaire pour stabiliser et lisser l'image. Un système mécanique fluide et stable qui corrige l'environnement au point de collecte des données peut réduire le traitement informatique nécessaire pour stabiliser les images.  

Étant donné que le couple de cogging et l'ondulation de couple peuvent être gérés par la conception du moteur et le système de commande, le couple par volume d'un moteur est une meilleure indication des performances dans un système EO/IR. Les moteurs classiques fournissent un couple plus élevé par volume que les moteurs sans fentes. Et pour les systèmes à faible vitesse (<1 000 tr/min), tel qu'un système EO/IR, ils fournissent un couple de crête continu disponible supérieur pour des performances plus réactives.   

Comment le couple de cogging et l'ondulation de couple entrent-ils en jeu? 

Pour comprendre les différences entre les moteurs classiques et les moteurs sans fentes, il est important de comprendre les forces du couple de cogging et de l'ondulation de couple, ainsi que la façon dont ces deux éléments interviennent dans un système EO/IR.  

Le couple de cogging se produit à l'état non alimenté d'un moteur classique lorsque l'attraction entre les aimants permanents du rotor et les dents en acier des tôles du stator crée un mouvement de « saccade » lors de la rotation.Les moteurs  sans fentes ne subissent pas ces secousses, car il n'y a pas de dents dans le stator et les aimants sont attirés par la stratification tout au long de la rotation.  

L'ondulation de couple se produit à l'état alimenté d'un moteur, qu'il soit classique ou sans fentes. Ce phénomène est dû aux variations des champs électromagnétiques lors de l'interaction entre le rotor et le stator. Même s'il est possible de réduire le couple de cogging dans un moteur sans fentes, l'ondulation de couple est toujours présente et doit être gérée par un asservissement à haute résolution et l'utilisation d'algorithmes de commande avancés. (Pour en savoir plus, consultez notre article « Couple de cogging et ondulation de couple : ce que vous devez savoir. »)

Pour les systèmes à faible vitesse, tels que EO/IR, le couple de crête n'est généralement pas la principale caractéristique pour un servomoteur. Même si l'élimination du couple de cogging peut avoir un impact sur l'ondulation de couple, c'est le comportement du moteur lorsqu'il est sous tension qui importe le plus. Et comme tous les moteurs ont une ondulation de couple, y compris les moteurs sans fentes, le fait de se concentrer sur cet aspect plutôt que sur d'autres attributs de conception du moteur masque les avantages d'un moteur classique par rapport à un moteur sans fentes. Le couple par volume est le principal indicateur de performance par rapport au couple de cogging ou à l'ondulation de couple lors de la sélection d'un moteur pour une application EO/IR.

 

Slotted vs Slotless motors illustration

La pression pour le moteur sans fentes 

Contrairement aux moteurs classiques, les moteurs sans fentes n'ont pas de dents en acier sur le stator (c'est pourquoi un moteur classique est parfois appelé moteur à fentes). Au lieu de dents pour supporter les enroulements, la stratification du stator est constituée de bagues en acier empilées les unes sur les autres, sur lesquelles sont montées des bobines de cuivre qui sont ensuite encapsulées. En conséquence, les bobines sont positionnées dans l'espace entre la stratification du stator et les aimants du rotor.   

Un grand entrefer entre le rotor et le stator limite la quantité de couple qu'un moteur peut produire. La création d'un entrefer (l'espace entre l'aimant et le stator) plus petit peut générer plus de couple. En divisant cette distance par deux, vous obtiendrez un couple quatre fois supérieur.Les moteurs sans fentes essaient de réduire cet espace autant que possible pour un couple maximum. Cependant, un entrefer trop étroit crée un problème. Pour combler cet espace, la plupart des fabricants utilisent des aimants plus grands. Mais cela augmente le coût. Les moteurs sans balais classiques peuvent produire un couple plus important sans avoir à repousser les limites (et les coûts) de la fabrication.  

Comme vous pouvez l'imaginer, l'encapsulation des enroulements dans la stratification du stator offre plusieurs avantages dans un moteur sans fentes. Comme mentionné ci-dessus, il n'a pas de couple de cogging. Comme il n'y a pas de dents dans la stratification qui interagissent avec l'aimant du rotor, le moteur présente des caractéristiques de fonctionnement fluide. La production de couple est prévisible et hautement contrôlable, car elle est directement liée au courant fourni à l'enroulement.Les moteurs sans fentes ont de faibles pertes dans le noyau à des vitesses élevées (ce qui n'est généralement pas le cas dans les applications EO/IR) et peuvent être utilisés efficacement pour des applications à poids et couples faibles, et dans des conditions stables. Ils sont moins efficaces dans les applications EO/IR hautement dynamiques.  

Même si le couple de cogging est éliminé dans un moteur sans fentes en raison de l'absence de dents dans la stratification, il subit toujours une ondulation de couple. Comme le moteur doit être à l'état alimenté pour produire un couple, l'avantage de l'absence de couple de cogging est minimisé. Pour les applications précises et sensibles comme l'EO/IR, l'ondulation de couple doit encore être éliminée par des commandes d'asservissement.

 

Slotless motor illustration

Moteurs sans balais classiques 

Les moteurs classiques à stratifications dentées, parfois appelés moteurs à fentes, comportent des stratifications d'acier fendues qui sont empilées les unes sur les autres, avec des enroulements en cuivre insérés dans ces fentes. La partie du stator la plus proche du rotor est appelée la dent. Elle concentre le flux électromagnétique vers les aimants du rotor, concentrant ainsi l'énergie mieux qu'une conception sans fentes.  

Par rapport à un moteur sans fentes, les moteurs classiques offrent un bon équilibre entre le couple de sortie, la constante du moteur, le rendement et la capacité de fabrication. Pour leur taille, les moteurs sans balais classiques ont une constante moteur élevée avec un haut rendement et des vitesses d'accélération élevées avec une faible inertie. Cela permet à un moteur classique d'avoir moins de réaction d'induit à un courant élevé, moins d'ondulation de couple et un couple continu plus élevé à basse vitesse. 

Les moteurs classiques ayant un nombre élevé de pôles peuvent s'avérer problématiques à certains égards. Ils sont généralement moins efficaces et ont un couple plus faible à haute vitesse. Mais le plus grand problème posé par les moteurs classiques est la présence d'un couple de cogging. Cependant, comme nous l'avons expliqué plus haut, lorsqu'il s'agit d'applications à faible vitesse et à couple élevé, le couple d'inertie est moins important que le couple par volume à l'état excité.

 

Slotted cogging effects illustration

Surmonter le couple de cogging 

Les moteurs classiques, avec leur couple plus élevé par volume, leur efficacité et leur rendement, sont mieux adaptés aux systèmes à faible vitesse tels que les applications EO/IR hautement dynamiques. Ils se distinguent également par leur capacité de fabrication. Grâce à diverses conceptions standard et de co-ingénierie, nous avons pu minimiser le couple de cogging dans les moteurs classiques. Par exemple, le choix des bonnes combinaisons de fentes et de pôles permet de minimiser le couple de cogging. D'autres considérations sont à prendre en compte : : 

  • le facteur kW ou facteur de bobinage, qui détermine l'efficacité de l'interface entre le flux magnétique et le bobinage.  
  • L'insertion du bobinage, comme le bobinage à aiguille avec un remplissage modéré des fentes ou le bobinage à la main avec un facteur de remplissage des fentes plus élevé. Cependant, les combinaisons à plus de fentes/pôles prennent plus de temps à enrouler et ont des tours finaux plus longs. 
  • Réaction d'induit. Les combinaisons à moins de fentes/pôles ont plus de réaction d'induit. 

Il existe plusieurs autres options de conception et de mesures que nous pouvons prendre pour minimiser l'impact du couple de cogging. Elles peuvent réduire l'efficacité du moteur, mais en fonction de la conception du système, elles peuvent ne pas être nécessaires : 

  • Écartement des pôles (largeur des aimants). 
  • Façonnage de l'aimant. 
  • Ouverture de fente et conception de la pointe des dents. 
  • L'inclinaison de l'assemblage des aimants permet de réduire jusqu'à 90 % le couple de cogging.

 

Stator Teeth Skew illustration

Les moteurs classiques restent le premier choix 

Dans les systèmes nécessitant un fonctionnement fluide, des vitesses d'accélération élevées et un couple constant élevé, les moteurs sans balais classiques restent le premier choix. Lorsque la charge est faible, un moteur sans fentes peut être une bonne alternative. Cependant, ils n'ont pas toutes les performances requises pour les applications agressives à couple plus élevé. Les systèmes EO/IR à faible vitesse et à couple élevé ont besoin d'un couple supérieur par volume pour créer des systèmes stables et fluides qui corrigent les perturbations environnementales et réduisent les besoins en traitement informatique. Les moteurs classiques sans balais peuvent produire un couple de crête plus élevé, tandis que les moteurs sans fentes ne sont pas aussi performants dans ces applications à couple moyen ou élevé.  

Kollmorgen possède l'expertise en co-ingénierie pour concevoir des moteurs classiques qui répondent aux besoins des systèmes EO/IR tout en minimisant le couple de cogging. Prêt à découvrir tout ce dont votre application est capable? 

À propos de l'auteur

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Ce blog est le fruit d'une collaboration entre une équipe d'experts en mouvement et en automatisation de Kollmorgen, comprenant des ingénieurs, du personnel du service clientèle et des experts de la conception. Quelle que soit l'avancée de votre projet, nous sommes là pour vous aider.

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