Moteurs à flux axialLes moteurs à friction automatique (AFM) offrent une densité de couple exceptionnelle, un format compact et un rendement élevé, ce qui les rend idéaux pour les véhicules électriques, l’aérospatiale, l’automatisation industrielle, la robotique et les applications d’énergies renouvelables.
Un paramètre de conception essentiel des AFM est la configuration de l’enroulement, c’est-à-dire la disposition des bobines de cuivre autour du stator. Deux approches principales sont :
- Enroulement réparti (également appelé enroulement imbriqué ou enroulement d’induit réparti)
- Enroulement concentré (également appelé enroulement à bobine dentée)
Le choix entre ces techniques d’enroulement a des implications profondes sur :
- Rendement du moteur
- Ondulation de couple
- Complexité de fabrication
- Gestion thermique
- Coût et poids
Bobinage de moteur à flux axial
Dans un moteur à flux axial :
Le stator contient des bobines qui produisent un champ magnétique alternatif lorsqu’elles sont alimentées.
Les aimants permanents du rotor interagissent avec le champ magnétique pour générer un couple.
Contrairement aux moteurs à flux radial, les moteurs à flux axial présentent une conception plate en forme de disque, avec un placement des bobines optimisé pour un flux magnétique axial. La configuration des enroulements détermine :
- Facteur de remplissage de l’emplacement (efficacité avec laquelle le cuivre occupe l’espace de l’emplacement)
- Inductance et résistance des bobines
- distribution du flux magnétique
- efficacité de dissipation thermique
Enroulement réparti dans les moteurs à flux axial
Définition
Dans un bobinage distribué, les bobines sont réparties sur plusieurs encoches du stator par pôle et par phase. Chaque enroulement de phase est réparti sur plusieurs encoches, ce qui entraîne un chevauchement des côtés des bobines.
Exemple : Pour un moteur à 12 encoches et 10 pôles, un enroulement de phase peut s’étendre sur plusieurs encoches selon un motif ondulé.
Caractéristiques
- Produit une distribution de force magnétomotrice (FMM) sinusoïdale, réduisant le contenu harmonique.
- Utilisation de cuivre plus élevée qu’avec un bobinage concentré.
- Conception plus complexe de l’insertion et de l’enroulement des extrémités de la bobine.
Avantages
- Faible distorsion harmonique → minimise les pertes par courants de Foucault dans les aimants du rotor
- Ondulation de couple réduite → fonctionnement plus fluide.
- Meilleure efficacité à haute vitesse grâce à la réduction des pertes dans le noyau dues aux harmoniques.
Inconvénients
- Enroulements d’extrémité plus longs → pertes cuivre plus élevées (pertes I²R).
- Plus lourd et plus encombrant en raison de sa teneur plus élevée en cuivre.
- Procédé de fabrication et d’insertion d’enroulement plus complexe.
Enroulement concentré dans les moteurs à flux axial
Définition
Dans un bobinage concentré, chaque spire est enroulée autour d’une seule dent ou d’un seul pôle du stator. Les spires de la spire sont concentrées sur une seule dent au lieu d’être réparties sur plusieurs.
Exemple : Pour un moteur à 12 encoches et 10 pôles, chaque dent porte une bobine complète.
Caractéristiques
- Produit une forme d’onde MMF plus trapézoïdale, augmentant ainsi le contenu harmonique.
- Des enroulements d’extrémité plus courts, réduisant la longueur et le poids du cuivre.
- Fabrication et remplacement des bobines simplifiés.
Avantages
- Facteur de remplissage des fentes plus élevé → meilleure dissipation thermique et conception compacte.
- Utilisation réduite de cuivre → résistance réduite, moins de pertes I²R.
- Procédé d’enroulement simplifié → adapté à la fabrication automatisée.
Inconvénients
- Ondulation de couple plus élevée due aux composantes harmoniques.
- Pertes de cuivre en courant alternatif plus élevées à haute vitesse dues à l’augmentation des courants harmoniques.
- Nécessite des mesures de conception supplémentaires pour contrôler les pertes par courants de Foucault dans les aimants.
Indicateurs clés de performance : distribué vs concentré
Tableau 1 : Comparaison des enroulements répartis et concentrés dans les moteurs à flux axial
| Paramètre | Enroulement réparti | Enroulement concentré |
| Forme d’onde MMF | Sinusoïdale (harmoniques basses) | Trapézoïdal (harmoniques élevées) |
| Ondulation de couple | Faible | Plus haut |
| Utilisation du cuivre | Plus élevé (enroulements d’extrémité plus longs) | enroulements inférieurs (enroulements d’extrémité plus courts) |
| Facteur de remplissage des emplacements | Moyen | Haut |
| Efficacité à haute vitesse | Plus haut | Inférieur (en raison des pertes CA) |
| Complexité de la fabrication | Haut | Faible |
| Poids | Plus haut | Inférieur |
| Gestion thermique | Plus difficile (serpentin dense) | Plus facile (bobine compacte sur une seule dent) |
| Coût | Plus haut | Inférieur |
Impact électromagnétique du choix de l’enroulement
Harmoniques et pertes
L’enroulement réparti minimise les harmoniques des encoches, réduisant ainsi les pertes par effet Joule et par courants de Foucault dans les aimants du rotor.
Un enroulement concentré augmente le contenu harmonique, ce qui entraîne des courants de Foucault plus élevés, notamment dans les aimants permanents montés en surface.
Tendances en matière d’efficacité
Données d’essai pour un prototype à flux axial de 5 kW :
| Type d’enroulement | Rendement maximal (%) | Ondulation du couple (%) | Perte de cuivre (W) | Perte dans le noyau (W) |
| Distribué | 95,2 | 2.5 | 140 | 60 |
| Concentré | 94,1 | 5.8 | 110 | 85 |
Considérations relatives à la gestion thermique
Enroulement réparti
Plus de cuivre par encoche → masse thermique plus élevée, mais les enroulements d’extrémité plus longs peuvent être plus difficiles à refroidir.
Nécessite un refroidissement avancé : canaux de refroidissement par air forcé ou par liquide dans le stator.
Enroulement concentré
Des enroulements d’extrémité plus courts et des bobines compactes permettent un refroidissement plus direct.
Intégration plus facile des systèmes de refroidissement par enroulement direct (DWC).
Implications en matière de fabrication et de coûts
Enroulement réparti
Plus exigeante en main-d’œuvre en raison du chevauchement des bobines.
Idéal pour les séries limitées privilégiant la performance au coût
Enroulement concentré
Plus facile à automatiser avec des bobines préformées.
Privilégié dans les applications de production de masse telles que les deux-roues électriques, les drones et certains moteurs de véhicules électriques.
Recommandations spécifiques à l’application
| Application | Bobinage recommandé | Raison |
| Traction EV haute performance | Distribué | Haute efficacité, faible ondulation de couple |
| Véhicules électriques légers (vélos électriques) | Concentré | Économique, compact et facile à produire |
| Actionneurs aérospatiaux | Distribué | Mouvement précis, faible bruit |
| Drones et UAV | Concentré | Léger, rapport couple/poids élevé |
| Automatisation industrielle | Distribué | Mouvement fluide, vibrations mécaniques réduites |
| outils portables | Concentré | Fabrication simplifiée et à faible coût |
Stratégies d’optimisation de la conception
Pour l’enroulement distribué :
- Utilisez un bobinage à encoches fractionnaires pour minimiser davantage l’ondulation du couple.
- Utiliser des fentes obliques pour réduire le couple de crantage.
- Optimiser la forme de l’enroulement d’extrémité pour réduire les pertes de cuivre.
Pour l’enroulement concentré :
- Appliquer une segmentation magnétique pour réduire les pertes par courants de Foucault dues aux harmoniques.
- Utiliser des matériaux magnétiques à haute résistivité (par exemple, NdFeB avec ajout de Dy).
- Incorporer un enroulement concentré à fente fractionnaire (FSCW) pour équilibrer la suppression des harmoniques et la compacité.
Étude de cas : Moteur à flux axial pour véhicules électriques
Caractéristiques du moteur :
- Puissance : 100 kW
- Diamètre : 320 mm
- Refroidissement : liquide
Conception d’enroulement distribué :
- Rendement : 96,2 % en crête
- Ondulation du couple : 1,8 %
- Indice des coûts de fabrication : 1,4
Conception à enroulement concentré :
- Rendement : 94,9 % en crête
- Ondulation du couple : 4,5 %
- Indice des coûts de fabrication : 1,0
Pour les véhicules électriques haut de gamme, l’enroulement distribué est privilégié pour sa régularité et son efficacité. Pour les véhicules électriques d’entrée de gamme, l’enroulement concentré offre des performances compétitives à moindre coût.
Le choix entre un enroulement distribué et un enroulement concentré dans les moteurs à flux axial dépend des priorités de performance, des contraintes de coût et des besoins de l’application :
Enroulement distribué : Idéal pour les applications nécessitant un rendement élevé, une faible ondulation de couple et un fonctionnement régulier, malgré un coût de fabrication plus élevé.
Enroulement concentré : idéal pour les conceptions économiques, légères et compactes, notamment en production de masse.
Les innovations futures, telles que l’enroulement distribué à fentes fractionnaires et les conceptions d’aimants segmentés, contribuent à combler les écarts de performance, permettant aux ingénieurs d’adapter plus précisément les configurations d’enroulement aux exigences des applications.
