Noyau de moteur 101 : stator et rotor, encoches, dents et contre-fer

Si vous avez déjà regardé la coupe d'un moteur et que vous vous êtes dit "cool... mais Qu'est-ce que je regarde exactement ?"Ce guide est fait pour vous.

La plupart des gens parlent des moteurs en termes de aimants, cuivre et contrôleurs. Mais tranquillement, la forme de la noyau du moteur - le stator, le rotor, les fentes, les dents et le fer arrière - décide de choses comme.. :

• Quel est le couple réellement obtenu ?
• Le niveau de bruit ou de douceur de l'appareil
• La température de fonctionnement et la durée de vie de l'appareil

Sous la peinture et le plastique, il n'y a que de l'acier, du cuivre et de l'air - disposés de manière très délibérée.

• Ce que vous obtiendrez de ce guide
  • Une clarté, visuel modèle mental de la signification des termes "stator", "rotor", "fentes", "dents" et "fer à repasser".
  • Une compréhension de la façon dont ces formes orientent le couple, le bruit, l'efficacité et le coût.
  • Vocabulaire suffisant pour avoir des conversations intelligentes avec les vendeurs de moteurs ou les ingénieurs concepteurs.
  • Des "boutons" simples auxquels vous pouvez penser lors du choix ou de la spécification d'un noyau de moteur

1. Stator et rotor : l'image de base

Dans sa forme la plus simple, un moteur électrique est constitué de deux anneaux d'acier séparés par un minuscule espace :

• Le stator (anneau extérieur fixe) contient les enroulements en cuivre et crée un champ magnétique rotatif lorsqu'il est alimenté.
• Le rotor (anneau intérieur rotatif) se trouve à l'intérieur du stator et est entraîné par ce champ, convertissant l'énergie électrique en couple mécanique sur l'arbre.

Les noyaux du stator et du rotor sont construits à partir de tôles minces d'acier électrique - généralement de l'acier allié au silicium - empilé comme un livre très serré. Ce laminage réduit considérablement les pertes dues aux courants de Foucault et à l'hystérésis, et les noyaux des moteurs modernes utilisent des épaisseurs de lamelles souvent de l'ordre du million d'euros. 0,1-0,5 mm gamme.

Le fameux "entrefer" entre le stator et le rotor est petit, mais conceptuellement énorme : le fait de l'agrandir ou de le réduire modifie l'effort que le stator doit fournir pour attirer le flux à travers lui, ce qui affecte le rendement, le couple et, parfois, le bruit acoustique.

Voici une comparaison en un coup d'œil que vous pouvez garder en tête :

• Stator et rotor : le modèle mental clé
  • Stator = le "sculpteur de champ": il forme où le champ magnétique va et la solidité c'est par la géométrie des dents, des fentes et du contre-fer.
  • Rotor = le "suiveur" qui transforme le champ en mouvement: sa géométrie détermine avec quelle fidélité il suit ce champ (ondulation du couple, glissement, pertes, marges démag).
  • Vous pouvez penser à conception du stator comme étant principalement créer un bon terrain, et conception du rotor en ce qui concerne récolte ce domaine de manière sûre et efficace.
  • Modifier la géométrie du stator ⇒ c'est souvent modifier l'ondulation du couple, les NVH et l'efficacité. Modifier la géométrie du rotor ⇒ vous modifiez souvent le couple de pointe, les pertes aimant/rotor et les limites mécaniques.

2. Fentes et dents : la rencontre du cuivre et de l'acier

Si vous coupez le noyau d'un moteur comme un beignet, vous verrez que ni le stator ni le rotor ne sont des anneaux lisses. Ils ont la forme d'un engrenage, avec des dents et créneaux sur la circonférence.

• Dents sont les saillies radiales de l'acier.
• Machines à sous sont les espaces entre les dents où se trouvent les conducteurs en cuivre (stator) ou les barres/aimants du rotor (rotor).

Pourquoi s'embarrasser d'une forme aussi compliquée ?

Les dents ont deux fonctions très importantes :

1. Ils flux de concentrés près de l'entrefer, ce qui renforce le champ magnétique là où c'est important, augmentant ainsi le couple et la force contre-électromotrice par unité de cuivre.
2. Ils ancrer les bobines ou les aimants dans une géométrie reproductible, ce qui est crucial pour un fonctionnement sans heurts et pour la fabrication.

Cependant, ces mêmes dents créent également variation de la réluctance à mesure que le rotor tourne - une "route cahoteuse" magnétique qui se transforme en une "route cahoteuse". couple de cogging et l'ondulation du couple si elle n'est pas gérée.

• Principaux "boutons" de conception des fentes et des dents du stator
  • Nombre d'emplacements (Q)
    • Plus d'encoches : couple plus doux, cogging plus faible, meilleure forme d'onde, mais bobinage plus complexe et coût de fabrication plus élevé.
    • Moins de fentes : plus simple, souvent moins cher, mais peut entraîner une ondulation du couple et un bruit acoustique plus importants.
  • Combinaison fente/pôle (par exemple, 12s/10p, 9s/6p)
    • Détermine créneaux par pôle et par phase (q)qui affecte fortement le facteur d'enroulement, le couple de cogging et le contenu harmonique du champ de l'entrefer.
  • Forme de la fente (ouverte, semi-fermée, complètement fermée)
    • Fentes ouvertes : plus faciles à enrouler, fuites plus importantes, cogging potentiellement plus élevé ; tendent à être moins chères.
    • Semi-fermé : bon compromis pour de nombreux moteurs industriels.
    • Fermé ou quasi-fermé : faibles fuites et potentiellement faible bruit, mais plus difficile à enrouler et à refroidir.
  • Largeur et hauteur des dents
    • Dents plus larges → plus de capacité de flux, moins de risque de saturation, mais moins d'espace pour le cuivre dans les fentes.
    • Des dents plus hautes → peuvent faciliter l'agencement, mais augmentent la longueur du chemin pour le flux et peuvent nuire à la rigidité mécanique.
  • Stratégie de revêtement et d'isolation des fentes
    • Affecte directement le facteur de remplissage du cuivre, le chemin thermique et les marges de décharge partielle à des tensions plus élevées.

3. Les fentes et les dents du rotor : subtiles mais puissantes

La géométrie du rotor est tout aussi importante, même s'il tourne trop vite pour que vous puissiez le regarder.

En moteurs à inductionLes fentes du rotor contiennent des barres conductrices (formant une "cage d'écureuil") qui transportent les courants induits. En les machines à aimant permanent (PMSM/BLDC)Ils définissent souvent l'emplacement des aimants ou des ponts de flux dans une conception d'aimant permanent intérieur (IPM).

Les fentes et les dents du rotor ont une incidence :

• Comment le flux traverse l'entrefer et se propage dans le noyau du rotor
• Comment s'établit le compromis entre le couple de démarrage et l'efficacité (pour les machines à induction) ?
• L'exposition des aimants aux champs harmoniques et aux impulsions de démagnétisation (pour les machines PM).

Tôles de rotorComme les tôles du stator, elles sont constituées d'un empilage d'acier électrique mince dont la qualité et l'épaisseur ont été soigneusement choisies pour minimiser les pertes de noyau tout en résistant aux contraintes mécaniques de la vitesse.

• Leviers de conception importants du côté du rotor
  • Nombre d'encoches par rapport au nombre d'encoches du stator
    • Certaines combinaisons d'encoches stator/rotor entraînent des "harmoniques d'encoches" indésirables et une ondulation ou un bruit de couple. Des choix judicieux permettent d'éviter les schémas de résonance courants.
  • Forme de la fente du rotor (profonde, oblique, semi-fermée)
    • Les encoches profondes et obliques des moteurs à induction améliorent le couple de démarrage et réduisent considérablement le bruit et l'ondulation du couple, au prix d'une certaine efficacité.
  • Placement de l'aimant (surface ou intérieur)
    • Aimants montés en surface : plus simples, densité de couple élevée, mais généralement plus de cogging et risque de contrainte mécanique à la vitesse.
    • Aimants intérieurs : meilleure formation du champ, large plage de vitesse à puissance constante, confinement mécanique à haut régime, mais géométrie plus complexe de la lamelle.
  • Barrières de flux et ponts (moteurs IPM)
    • Des vides soigneusement formés dans le noyau du rotor dirigent le flux de sorte que le couple provient principalement de la réluctance et du couple de l'aimant. De minuscules changements dans ces formes peuvent faire de grandes différences en termes de performances et de bruit.
  • Marge mécanique à la vitesse
    • Les trous, les rainures, les poches d'aimant et l'obliquité réduisent tous la section efficace pour la résistance, de sorte que la conception du rotor est toujours un équilibre entre les performances magnétiques et la marge de vitesse d'éclatement.

4. Fer arrière (culasse) : la colonne vertébrale silencieuse du circuit magnétique

"Fer à repasser" ou joug est l'anneau d'acier situé derrière les dents, à l'écart de l'entrefer. C'est le chemin de retour du flux magnétique :

1. Le champ quitte une dent du stator, traverse l'entrefer et passe à travers le rotor,
2. Retour par le rotor du fer à repasser,
3. Traverse à nouveau la lame d'air au niveau d'une autre dent,
4. Il s'écoule ensuite à travers le stator back iron/yoke pour compléter la boucle.

La conception d'un bon fer à repasser, c'est ne pas se mettre en travers de ce flux :

• Trop mince → la densité de flux devient élevée, l'acier sature, le couple ne suit plus l'évolution du courant, les pertes montent en flèche.
• Trop épais → vous transportez de l'acier et des coûts supplémentaires pour un gain minime.

Étant donné que le fer arrière du stator sert souvent de cadre mécanique et la surface de montage, sa géométrie doit jongler avec les exigences magnétiques, mécaniques et thermiques en même temps.

• Fer à repasser : ce à quoi il faut faire attention
  • Objectifs de densité de flux
    • De nombreuses conceptions visent à maintenir la densité du flux du fer arrière dans une bande qui équilibre la capacité de couple par rapport à la perte (souvent quelque part dans la gamme ~1,2-1,7 T en fonction de la qualité de l'acier et de l'application).
  • Points de pincement locaux sous les dents fortement sollicitées
    • Les zones à couple élevé (par exemple, les enroulements concentrés) peuvent créer une saturation locale juste sous certaines dents, alors que le reste de l'étrier est en bon état. L'analyse par éléments finis tend à le révéler rapidement.
  • Boîtiers divisés et caractéristiques d'assemblage
    • Les trous de boulons, les nervures, les découpes pour les câbles et les passages de refroidissement réduisent tous la section transversale du fer à dos ; ils doivent être placés de manière à ne pas étouffer la boucle de flux principale.
  • Rotor en fer sous les aimants
    • Dans les machines PM, le fer arrière du rotor doit être suffisamment épais pour que les aimants "voient" un chemin à faible réluctance ; s'il est trop fin, les aimants saturent le rotor, gaspillant le potentiel de l'aimant et risquant de se démagnétiser dans des conditions de défaut.

5. Un cycle électrique : comment le stator, le rotor, les fentes, les dents et le fer arrière fonctionnent ensemble

Voyons une animation mentale très simplifiée d'un moteur PM triphasé au cours d'un cycle électrique :

Imaginez un seul dent du stator. Autour de lui, dans la fente de chaque côté, se trouve du cuivre appartenant à une phase. Lorsque cette phase est sous tension :

• Le courant circule dans les bobines, transformant la dent en un puissant électro-aimant.
• Le flux quitte la face de la dent, traverse l'entrefer, pénètre dans un aimant ou une dent du rotor, se répand dans le noyau/la fonte du rotor et revient par d'autres dents et la fonte du stator.

Imaginez maintenant que le trois phases l'allumage se fait en séquence. Le schéma "quelle dent est alimentée" tourne autour du stator :

• Pour les aimants du rotor, cela ressemble à une champ magnétique tournant.
• Le rotor essaie de suivre ce champ tournant ; dans les machines à moteur à particules, il se bloque avec un faible glissement, dans les machines à induction, il le poursuit avec un certain glissement.

Les détails - l'intensité du couple, la souplesse de la rotation et la température du cœur - sont tous réglés par l'entreprise :

• La surface de la face de la dent avant qu'elle ne soit saturée
• Comment la forme de la fente et la combinaison fente/pôle façonnent les harmoniques dans le champ
• L'épaisseur du fer arrière et la façon dont il porte le flux de retour

• Déroulement d'un cycle (simplifié)
  • Les dents de la phase A sont fortement excitées → pics de flux à travers ces dents et les régions correspondantes du rotor.
  • Lorsque les courants tournent (A→B→C), les dents voisines prennent le relais et le "point chaud" de flux se déplace sur la circonférence du stator.
  • Les aimants ou les conducteurs de la cage du rotor voient un vecteur de champ tournant et développent un couple en essayant de s'aligner sur ce vecteur.
  • À chaque instant, certaines dents et zones de l'étrier sont proches de la saturation, d'autres sont faiblement sollicitées - le schéma dépend fortement des fentes, des dents et de la géométrie du fer arrière.
  • Sur de nombreux cycles, les pertes dans les dents et le fer arrière (hystérésis, courants de Foucault) se transforment en chaleur ; l'épaisseur du laminage et la qualité de l'acier sont choisies pour minimiser ces pertes tout en restant fabricables.

6. Comment ces choix géométriques se traduisent dans le monde réel

Tout cela peut sembler abstrait jusqu'à ce que vous fassiez le lien avec ce que vous ressentez réellement avec un moteur :

• Densité de couple: la quantité de couple obtenue par unité de taille/poids
• NVH (bruit, vibration, rudesse)la sensation de "pleurnicherie" ou de "cogitation" que l'on ressent
• Efficacité et portée (pour les véhicules électriques, la robotique, les batteries)
• Marge de manœuvre thermique et la fiabilité

Les fabricants modifient discrètement les fentes, les dents et le fer arrière pour obtenir les compromis qu'ils préfèrent.

Par exemple :

• Des dents plus étroites (nombre de fentes plus élevé) avec une bonne combinaison de fentes et de pôles peuvent considérablement améliorer la qualité de l'air. réduire le couple de cogging et le bruit acoustique.
• L'utilisation d'un acier de laminage de qualité supérieure et de piles de lamelles plus fines permet de réduire la consommation d'énergie. pertes de baseLes caractéristiques de l'appareil, en particulier à haute fréquence (vitesse électrique élevée), améliorent l'efficacité.
• L'optimisation de la géométrie des fentes du rotor ou de l'emplacement de l'aimant peut permettre d'obtenir une forme plus plate. l'efficacité par rapport à la vitesse ou plus de régions à puissance constante utilisables.

• Si vous voulez... alors votre géométrie de base doit tendre vers...
  • Fonctionnement silencieux (par exemple, appareils électroménagers haut de gamme, vélos électriques)
    • Nombre d'encoches du stator plus élevé avec des combinaisons d'encoches et de pôles fractionnées qui minimisent le cogging.
    • Les fentes ou les aimants du rotor sont inclinés pour éliminer les harmoniques de l'ondulation du couple.
  • Couple brutal à basse vitesse (par exemple, entraînements industriels, véhicules électriques tout-terrain)
    • Sections généreuses de la dent et du fer arrière pour éviter la saturation à un courant élevé.
    • La géométrie de l'aimant ou de la barre de rotor est optimisée pour maintenir un couple élevé sans surchauffe.
  • Ultra-haute vitesse (par exemple, broches, turbocompresseurs)
    • Rotor dont la masse est soigneusement contrôlée et le confinement solide (aimants IPM ou enterrés ; petits "trous" dans le fer arrière du rotor).
    • Les encoches du stator sont façonnées de manière à limiter les pertes et les contraintes à haute fréquence électrique.
  • Faible coût et fabrication facile
    • Nombre de fentes modéré, formes de fentes simples, bonnes qualités de laminage sans être exotiques.
    • Stator et rotor conçus pour l'estampage avec un minimum de déchets et un empilage facile.

7. Questions à poser à un fournisseur de moteurs (qui vous montrent vraiment comprendre les cœurs)

Il n'est pas nécessaire d'être la personne chargée de l'analyse par éléments finis pour paraître extrêmement compétent lors d'un examen de la conception. Quelques questions bien ciblées sur le stator, le rotor, les encoches et la contre-ferrure montreront immédiatement que vous pensez plus loin que "kW et RPM".

• Questions pratiques centrées sur la géométrie
  • "Qu'est-ce que combinaison fente/pôle utilisez-vous, et comment l'avez-vous choisi en ce qui concerne le couple de cogging et les harmoniques ?"
  • "Qu'est-ce que la qualité et l'épaisseur du laminage utilisez-vous pour le stator et le rotor, et quel est l'impact sur les pertes du noyau à notre vitesse de fonctionnement ?"
  • "Quels sont vos objectifs ? densités de flux dans les dents du stator et le fer arrière au couple nominal ? Où êtes-vous le plus proche de la saturation ?"
  • "Est-ce que le rotor en biais? Si oui, de combien de pas de fente, et quel compromis avez-vous fait entre le couple et les NVH ?"
  • "Comment gérez-vous chemins thermiques des dents et du fer arrière dans le boîtier - existe-t-il des points chauds connus dans le noyau en cas de charge maximale ?"
  • "Quel genre de Validation de l'analyse par éléments finis avez-vous vérifié la saturation locale dans l'arcade près des éléments de montage ou des canaux de refroidissement ?"
  • "Si nous demandions un couple de pointe de +10%, quel serait le premier goulot d'étranglement de votre conception : les dents, les encoches, la fonte arrière ou le rotor ?

8. La fin de l'histoire

Si l'on réduit un moteur électrique à son essence, on obtient.. :

• Deux anneaux en acier laminé
• Un modèle de fentes et dents qui guide le cuivre et le flux
• A fer à repasser structure qui ferme silencieusement la boucle magnétique

Mais c'est dans la façon dont ces anneaux et ces dents sont disposés que réside la magie - et l'avantage concurrentiel - de l'entreprise.

• Stator: il forme le champ tournant et porte la plus grande partie du cuivre.
• Rotor: transforme ce champ en travail mécanique et maintient des aimants ou des barres.
• Machines à sous et dents: ils déterminent la netteté du couple produit et le niveau de bruit du moteur.
• Fer à repasserLe flux d'énergie : il détermine l'aisance du flux et la proximité de la limite de saturation.