Moteurs À fente vs moteurs Sans fente

LE DÉFI

Les moteurs sans balais (brushless) à aimants permanents peuvent produire un mouvement rotatif et linéaire. Ils sont connus pour la haute densité de couple et leur grande efficacité. Ils sont également communément appelés moteur sans balais en courant continu, moteurs sans balais en courant alternatif, moteurs synchrones à aimants permanents ou servomoteurs. Ces machines électriques produisent essentiellement un couple (rotatif) ou une force (linéaire).

Pour de nombreuses applications dans le domaine de l'optique, du scannage, de la métrologie, de l'opto-électricité et du suivi, le défi principal est celui d'obtenir un couple / une force constant(e) et prévisible. Les moteurs sans balais à aimants permanents traditionnels sont sujets à un couple d'encoche, une perturbation dérivant de l'interaction entre l'aimant permanent et les creux interposés entre les dents du stator. L'encoche est un couple cyclique avec un angle créant une ondulation de couple (et l'ondulation de vitesse correspondante), en allant ajouter un élément non linéaire au contrôle du moteur.

Au fil des ans, diverses méthodes ont été adoptées pour réduire au minimum l'encoche, comme par exemple des lamelles hélicoïdales, des aimants hélicoïdaux, des modifications mécaniques spéciales et une compensation électrique dans le contrôleur du moteur. Dans la plupart des applications qui demandent un mouvement constant avec des charges réduites, le succès de ces méthodes est marginal.

LA SOLUTION

Les moteurs sans encoche (sans creux) ou slotless ont été conçus pour optimiser l'uniformité et obtenir un couple en sortie prévisible avec des effets non linéaires minimes. Communément définis comme moteurs sans fente si rotatifs et sans fer ou ironless si linéaires, les moteurs sans encoche ont des bobines enroulées dans l'air. Si elles sont disposées correctement, ces bobines interagissent avec le flux des aimants permanents pour créer une force et un couple. Le couple d'encoche est éliminé grâce à l'élimination de la discontinuité créée par les dents du stator. La technologie sans fente est particulièrement efficace avec les systèmes de précision à actionnement direct parce que tout le couple est une fonction du courant de phase et le moteur ne produit par de perturbations de couple indésirés ou non contrôlés.

TOPOLOGIE DU MOTEUR

Les moteurs sans balais à aimants permanents présentent deux composants internes fondamentaux : le groupe de l'aimant permanent et celui des bobine de stator. Dans la version rotative, ces deux composants sont dits groupe rotor et groupe stator, tandis que dans la version linéaire ils prennent le nom de barre magnétique et de forceur. Le rotor / la barre magnétique est un élément magnétique constitué d'aimants permanents appliqués ou immergés dans une structure ferromagnétique. Le stator / forceur est l'ensemble des bobines opportunément combinées de façon à produire un champ magnétique avec diverses phases, trois dans la réalisation la plus commune.
La partie restante de cette note technique est dédiée à la comparaison et aux différences entre les moteurs rotatifs sans et avec fente (slotless et slotted). Les mêmes principes valent également pour les moteurs linéaires sans fer et avec noyau en fer (ironcore).

STRUCTURE DU ROTOR ET DU STATOR

Groupe rotor à aimants permanents

Le groupe rotor est généralement une bague ou un arbre d'acier sur lequel sont fixés des aimants qui peuvent être mécaniquement distincts ou constituer une bague solide avec des champs magnétiques magnétisés individuels par-dessus.

Le nombre de pôles est en corrélation directe avec le nombre d'aimants permanents du groupe rotor.

Parfois, on pourra choisir de compter le nombre de couples nord-sud : dans ce cas, nous parlerons de couples de polaires. Le nombre total de pôles détermine le rapport de transfert entre la fréquence électrique et la vitesse mécanique. En général, les moteurs avec un nombre inférieur de pôles ont une vitesse mécanique plus élevée, tandis que ceux avec plus de pôles sont normalement plus lents. Ceci dit, grâce aux progrès de l'électronique moderne à ample largeur de bande, il a été possible d'augmenter toujours plus la vitesse, y compris celle des moteurs avec un nombre élevé de pôles.

La Figure 1 - Exemple de rotor avec aimants mécaniquement distincts.

Groupe de stator

Pour que le moteur puisse tourner, il faut exciter de la façon appropriée un certain nombre de phases électromagnétiques qui, dans les moteurs sans balais à aimants permanents, sont normalement au nombre de trois. Ces phases électromagnétiques sont excitées au moyen de sorties en courant produites par une commande de moteur. La commande du moteur utilise normalement la rétroaction pour surveiller la position du rotor et créer le bon vecteur de courant dans les phases du stator afin d'obtenir le couple. Une fois créé, le couple peut être contrôlé avec la vitesse et la position afin de gérer n'importe quelle application de contrôle de mouvement.

Le groupe du stator est normalement constitué de lamelles de fer tendre avec des dents faisant saillie dans le sens radial. Les espaces entre ces dents sont dits creux et permettent l'insertion du fil des bobines électromagnétiques. Ce type de moteur est dit « à fente ».

Figure 2 - Un moteur direct classique sans cadre (frameless) avec un nombre élevé de pôles et construction avec bague à bas profil.

Dans l'exemple rapporté en Figure 2, les dents et les creux du stator sont clairement visibles. La bague grise au centre du moteur est le rotor réalisé en matériau magnétique avec 36 pôles magnétiquement inclinés sur lui. Il est à noter que les pôles ont été obtenus par approximation par raisons représentatives. La configuration inclinée contribue à réduire le phénomène d'encoche en alternant le champ magnétique dans le sens axial et en compensant la fréquence fondamentale du couple d'encoche.

STATOR À FENTE

Les configurations traditionnelles d'un stator à fente reposent sur des dents qui concentrent le flux magnétique vers les aimants du rotor et réduisent l'entrefer global du circuit magnétique. En général, chaque phase prévoit plusieurs dents. Les moteurs à fente sont les plus diffus parce qu'ils assurent un bon équilibre entre le couple en sortie, la constante du moteur, l'efficacité et la facilité de fabrication. Ils garantissent normalement la constante de mouvement plus élevée Kt (couple / ampère) pour un moteur d'une taille donnée, ainsi qu'une grande efficience et une grande accélération avec une inertie minimale.

Comme expliqué précédemment, les espaces entre les dents du stator permettent d'insérer le fil des phases électromagnétiques. Les creux sont la cause principale du couple d'encoche parce qu'ils créent une perméabilité discontinue tandis que les aimants passent de l'un à l'autre. Pour réduire au minimum la fréquence fondamentale du couple d'encoche, la pratique consiste à incliner ou décaler les dents du stator ou les aimants du rotor.

Figure 3 - Stator avec dents inclinés.

Le couple d'encoche des moteurs à fente varie normalement de 1 à 5 % du couple de pic, selon la configuration du moteur. Dans les applications avec des charges utiles plus élevées, le couple d'encoche minimum est réduit par rapport au couple d'actionnement et a un effet négligeable sur les prestations du système. Cependant, dans les applications dans lesquelles la charge utile est réduite ou lorsque le mouvement uniforme est une condition essentielle, le couple d'encoche produit généralement une ondulation de vitesse qui peut avoir des effets négatifs sur les prestations.

La fréquence du couple d'encoche est fonction du nombre de pôles et du nombre de creux du moteur. La fréquence fondamentale de cette encoche est le plus petit commun multiple entre le nombre de pôles et celui de creux. Cependant, du fait des variations de production et des effets tridimensionnels, les autres attributs harmoniques plus ou moins élevés contribuent également au profil du couple d'encoche avec l'angle.

Les stators avec des creux sont également sujets à la saturation magnétique et à l'augmentation du courant. Ce phénomène est également appelé linéarité de la constante de couple (Kt). Pour optimiser la taille et la sortie du moteur, le fer est normalement proche de la saturation magnétique en correspondance de la limite thermique continue du moteur. Dans certains moteurs, la valeur nominale continue de la sortie intègre une erreur de linéarité de 10 % Kt.

STATOR SANS FENTE

Un moteur sans balais à aimants permanents idéal produit un couple sinusoïdal sans distorsion harmonique. Le moteur sans fente est celui qui se rapproche le plus de cet objectif. Le stator sans creux ne présente pas de dents et les creux correspondants. Les bobines de phase sont orientées spatialement autour du stator de sorte à former la relation entre les phases électromagnétiques nécessaires au fonctionnement du moteur. Lorsqu'elles sont excitées, les bobines produisent un champ magnétique semblable à celui du moteur à fente, mais la courbe couple / angle qui en résulte est sinusoïdale. Le couple d'encoche est égal à zéro du fait de l'absence de dents et de creux correspondants.

Figure 4 - Moteur sans fente avec rotor conçu pour utiliser des aimants mécaniquement distincts.

Le rotor au centre est constitué de 8 aimants distincts et a huit pôles. Les stators sans fente ont une section transversale radiale très subtile qui permet d'utiliser un diamètre de rotor plus grand.

Figure 5 : le rotor au centre est une bague magnétique solide avec 12 pôles.

Dans un moteur sans fente, tout le couple est fonction du courant appliqué à l'enroulement, simplifiant ainsi le système de servocommande et assurant un fonctionnement uniforme. De plus, le moteur présente une linéarité de kit sensiblement meilleure par rapport à la version à fente.

Un aspect concernant les configurations sans fente est le grand entrefer magnétique entre rotor et stator dérivant de l'élimination des dents du stator. Cela entraîne une densité inférieure du flux et, par conséquent, un couple en sortie plus bas pour un moteur d'une taille donnée. Le couple en sortie d'une configuration sans fente est normalement égal à 70-75 % d'un moteur à fente de taille équivalente, mais avec l'optimisation de divers paramètres, il est possible d'arriver jusqu'à 85 %. Si l’uniformité constitue une condition requise essentielle, la technologie sans fente est préférable, tandis que les moteurs à fente sont probablement la meilleure solution lorsque le facteur essentiel est la densité du couple.

COURBE COUPLE / ANGLE

Un moteur rotatif qui produit essentiellement un couple qui est fonction du courant et de la position. La méthode plus commune pour analyser ce phénomène est la courbe couple-angle. La courbe couple-angle représente le couple en sortie d'un moteur, y compris le couple d'encoche, et est la figure la plus utile pour prévoir le fonctionnement d'un moteur dans une application spécifique. Le rapport couple-angle peut être mesuré en mettant sous tension une phase du moteur tandis que le rotor est mis en rotation manuellement en mesurant le couple produit au moyen d'un transducteur de couple.

Tous les moteurs sans balais à aimants permanents ont un profil de couple-angle qui est normalement sinusoïdal et contient en général divers harmoniques. Le couple d'encoche est l'un des facteurs qui contribue et peut donner comme résultat une distorsion harmonique significative. Cette distorsion provoque une ondulation de couple tandis que le moteur est en fonction, avec des effets sur l'ondulation de vitesse.

Les Figures 6 et 7 suivantes illustrent la manière dont le couple d'encoche représente la principale différence entre les moteurs à fente et sans fente. La Figure 6 montre clairement que, lorsqu'un moteur à fente n'opère pas au couple nominal maximal, l'encoche est un pourcentage relativement bas de la sortie et l'ondulation de couple est considérablement supérieure. Dans la Figure 7, nous pouvons clairement observer que le couple d'encoche est égal à zéro dans la courbe couple / angle.

Figure 6 - La courbe violette est le couple sinusoïdale théorique par rapport à l'angle. La courbe verte est le résultat de compromis du couple d'encoche. La courbe rouge est le couple d'encoche et la courbe bleue représente le couple résultant des trois phases opérant ensemble. Toutes les valeurs ont été normalisées à 1 pour simplifier la visualisation. L’exemple a un couple d'encoche à 5 % du couple nominal des moteurs.

Figure 7 - L’absence de couple d'encoche a pour effet que le moteur produit un vecteur de couple constant lorsqu'il tourne ou se déplace. Tout le couple est en corrélation directe avec le courant produit au niveau de l'enroulement. Le couple en sortie est linéaire et les variations de courant et de mouvement sont bien plus contrôlables. La ligne violette est superposée à la ligne verte et, par conséquent, les deux courbes se superposent.

RÉCAPITULATIF ET CONCLUSIONS

L’offre de Servotecnica inclut des moteurs avec ou sans fente. Les moteurs à fente donnent de bons résultats en termes de densité de couple et d'accélération élevée, tandis que les moteurs sans fente sont excellents pour obtenir un fonctionnement uniforme avec une bonne linéarité de Kt lorsqu'utilisés dans un système à commande asservie.

Le couple d'encoche varie considérablement en fonction des différentes configurations des moteurs et, généralement, des mesures sont prises pour en réduire les effets, comme incliner les aimants ou les lamelles du stator. Les deux technologies offrent de grands trous de rotor et peuvent être adaptées à des applications d'actionnement direct à bas profil.

Les caractéristiques en termes de prestations principales pour chaque type de moteur sont résumées dans le tableau suivant.

Paramètre	À fente	Sans fente
Mouvement plus uniforme (ondulation de vitesse minimale)		✓
Constante de couple plus élevée	✓
Linéarité de la constante de couple (Kt)		✓
Trou de passage plus grand		✓
Accélérations plus élevées	✓

Tableau 1 : synthèse des caractéristiques principales des moteurs avec ou sans fente.

Source : Celera Motion