Noyau du moteur 10 : Fentes et pôles - Comment ils déterminent les choix de conception du stator et du rotor

Lorsque les ingénieurs discutent des moteurs, ils parlent généralement d'aimants, de remplissage en cuivre ou d'astuces d'inverseur. Mais discrètement, en dessous de tout cela, il y a une très Une décision simple est à l'origine de presque tout :

Combien d'encoches de stator et combien de pôles de rotor utilisez-vous ?

C'est la combinaison fente/pôle qui décide si votre moteur ronronne ou hurle, si vos aimants sont froids ou cuits, et si votre machine est facile à fabriquer ou un cauchemar. Les recherches récentes reviennent toujours à la même conclusion : le choix de la fente et du pôle est la première décision à prendre en matière de conceptionsurtout avec les machines modernes à enroulement concentré à fente fractionnée (FSCW).

• À la fin de cet article, vous serez en mesure de.. :
  • En lisant une notation slot/pole comme "12s/10p", vous imaginez immédiatement ce que cela signifie pour l'enroulement, le cogging et le couple.
  • Comprendre comment les fentes et les pôles conjointement contraindre la géométrie des dents du stator, la disposition de l'aimant du rotor et les pertes.
  • Comparez 10 combinaisons réelles d'encoches et de pôles et voyez quelles familles sont adaptées aux VE, aux drones, aux pompes ou à l'entraînement direct.
  • Posez des questions beaucoup plus précises lorsqu'un fournisseur propose un laminage ou un nombre de pôles de rotor "standard".

1. Fentes, pôles et qLe modèle mental en 30 secondes

Fixons la terminologie pour une machine triphasée (la plupart de ce qui suit se généralise facilement) :

• Machines à sous (Q) - les dents et les fentes dans le noyau du stator où vit votre cuivre.
• Pôles (2p) - les pôles magnétiques nord/sud autour de la rotor (ou stator, dans certaines topologies).
• Emplacements par pôle et par phase (q) - le ratio clé :

[ q = \frac{Q}{m \cdot 2p} \quad \text{(avec } m = 3 \text{ pour une machine triphasée)} ]

Ce seul numéro, qvous indique si votre enroulement est "à fente intégrale" (integer q) ou "fractional-slot" (non entier). q). Les machines à enroulement concentré à fente fractionnée (FSCW) - désormais courantes dans les VE, l'aérospatiale et les générateurs - choisissent délibérément de s'enrouler sur une seule fente. q < 1 pour une densité de couple élevée et des tours courts.

• Ce que le choix de l'emplacement ou du pôle contrôle réellement (en langage clair) :
  • Densité de couple - Plus de pôles signifie généralement plus de couple par volume à basse vitesse, mais aussi une vitesse de base plus faible.
  • Cogging et ondulation du couple - certaines combinaisons donnent des pulsations de couple désagréables, d'autres les atténuent presque.
  • Facteur d'enroulement - l'efficacité de l'addition des éléments fondamentaux de votre MMF ; les mauvaises combinaisons gaspillent du cuivre et du volume d'aimant.
  • Bruit et vibrations - certains modèles de fentes/pôles génèrent de fortes forces radiales dans le stator, ce qui entraîne des bruits acoustiques.
  • Fabrication - la complexité de l'insertion des bobines, la nécessité d'une inclinaison, la variété des laminages et la segmentation de l'aimant.

2. Intégrale ou fractionnée : la bifurcation de la route

Historiquement, les grands moteurs industriels ont commencé par enroulements distribués à fente intégrale:

• Exemple : 36 emplacements / 4 pôles, triphasé
  • q = 36 / (3-4) = 3
  • Plusieurs petites bobines se chevauchant → FMM très sinusoïdale, faible teneur en harmoniques, faible ondulation du couple.

Puis sont arrivées les machines PM à nombre de pôles élevé et les applications à entraînement direct. Afin de réduire la longueur du cuivre et de simplifier le bobinage, les concepteurs ont opté pour des bobines d'un diamètre de 1,5 mm. enroulements concentrés à fente fractionnée (FSCW) où chaque dent porte une bobine concentrée et q est fractionnaire.

Il ne s'agissait pas d'un simple changement de mode - il a fondamentalement changé la façon dont nous choisissons les paires de fentes et de pôles. Au lieu de "tout ce qui donne un enroulement bien réparti", vous ciblez maintenant :

• Un haut facteur d'enroulement fondamental (≈ 0,9 ou mieux pour de nombreux modèles).
• Un haut couple cogging fréquence (de sorte que les impulsions de cogging individuelles sont faibles).

• Classification mentale rapide à l'aide de q:
  • q ≥ 2 → enroulement distribué "classique" (par exemple, 36/4) : couple régulier, mais longueur de cuivre plus importante et enroulement plus complexe.
  • 1 ≤ q < 2 → compact distribué ou semi-concentré ; souvent utilisé dans les PMSM industriels.
  • 0.25 ≤ q < 1 → fractionné concentré; domine les machines modernes à haute polarité et les moteurs à moyeu de roue.
  • q < 0.25 → fractionnement extrême ; généralement trop de pôles pour le nombre de fentes, entraînant des parasites importants à moins d'une conception très soignée.

3. Comment les combinaisons d'encoches et de pôles modifient la conception du stator

Une fois que vous avez choisi Q et 2p, votre géométrie du stator effondrement de l'espace à un ensemble plus restreint d'options viables :

• Largeur et saturation des dents.
  • Moins de fentes (petit Q) → dents larges qui peuvent saturer si l'on pousse la densité de flux, ce qui limite le couple.
  • Plus de fentes → dents plus étroites ; il est facile de saturer, mais vous avez un meilleur contrôle de la forme de la FMM et plus d'options pour ajuster les ouvertures des fentes.
• Ouverture de la fente et harmoniques.
  • Le rapport entre la largeur de la pointe de la dent et l'ouverture de la fente contrôle la variation de la perméance à l'air - et donc le couple de cogging.
  • Des ouvertures de fente étroites et des combinaisons Q/2p particulières peuvent réduire considérablement le cogging, mais peuvent compliquer la fabrication et l'insertion.
• Trajet thermique et facteur de remplissage.
  • Un nombre élevé de fentes offre un plus grand périmètre pour l'évacuation de la chaleur, mais aussi plus d'interfaces d'isolation.
  • Les enroulements à fentes fractionnées peuvent simplifier la forme des bobines et améliorer l'emballage du cuivre dans chaque fente, ce qui compense la surface réduite des fentes.

• Liste de contrôle côté stator lorsque vous regardez une paire de fentes/pôles proposée :
  • "Est-ce que q dans une fourchette confortable (≈0,25-3) pour mon type de fabrication et de bobinage ?"
  • "Puis-je atteindre la densité de flux dentaire visée sans atteindre une saturation profonde ?"
  • "Est-ce que j'ai assez d'espace pour le cuivre ? et à la densité de courant requise ?"
  • "Ai-je besoin d'astuces telles que l'obliquité des fentes, les fentes factices ou les encoches de dents pour gérer l'engrenage de cette combinaison ?
  • "Cette Q me permet-elle de réutiliser l'outillage de laminage existant ou implique-t-elle un nouveau jeu de poinçons ?

4. Des conséquences sur le rotor que vous ne pouvez pas ignorer

En changeant la combinaison fente/pôle, vous changez la tout le travail du rotorIl s'agit de savoir comment il transporte le flux, comment les aimants sont dimensionnés et placés, et quelles sont les harmoniques qui touchent les aimants et l'arbre.

Pour les PMSM et les machines SPM montées en surfaceDes études comparatives récentes montrent que le choix du poteau ou de la fente influe fortement sur les résultats :

• Forme d'onde de la FEM arrière.
• Amplitude et fréquence du couple de cogging.
• Pertes dans les aimants et le noyau du rotor.

Pour PM intérieur (IPM) ou réticence Dans le cas des machines, la même paire de fentes/pôles détermine l'emplacement des barrières de flux et la séparation des inductances des axes d et q, ce qui est crucial pour l'affaiblissement du champ.

• Questions à poser du côté du rotor pour toute proposition d'emplacement ou de pôle :
  • "Quel arc polaire (portée de l'aimant) me faut-il pour obtenir un bon couple sans saturer les dents du stator ?
  • "La fréquence du couple cogging est-elle suffisamment élevée pour que son amplitude reste faible ? (Plus le LCM des fentes et des pôles est élevé, plus la fréquence est élevée et plus l'amplitude est faible).
  • "Les sous-harmoniques de ce couple fente/pôle vont-elles entraîner des modes de vibration gênants dans mon boîtier ou mon arbre ?"
  • "Puis-je segmenter les aimants ou incliner le rotor sans rendre l'assemblage ou le coût impossible ?
  • "Cette combinaison est-elle adaptée à ma vitesse mécanique maximale (contrainte centrifuge par rapport à la densité de l'aimant) ?

5. Dix combinaisons réelles de fentes et de pôles - et ce qu'elles représentent faire

Vous trouverez ci-dessous un aperçu pratique de 10 combinaisons fente/pôle courantes ou illustratives pour les moteurs triphasés. Il ne s'agit pas d'étiquettes "bonnes ou mauvaises", mais de points de départ pour réfléchir à la manière dont les choix du stator et du rotor sont liés.

q est calculée pour un système triphasé (m = 3): q = Q / (3-2p)

La situation dans son ensemble : lorsque vous glissez de (36/4) vers (48/40), vous échangez la vitesse contre le couple, et de "jolies ondes sinusoïdales" contre des machines compactes à nombre de pôles élevé qui exigent un contrôle harmonique et mécanique minutieux.

• Lorsque quelqu'un propose une combinaison fente/pôle, posez-vous la question :
  • "De quelle ligne de ce tableau se sent-il le plus proche ?
  • Suis-je plus proche du "monde industriel 36/4" ou du "monde 48/40 à transmission directe" ?
  • "Ma technologie de laminage et d'aimantation est-elle suffisamment mûre pour le côté haut-pôle de ce spectre ?

6. Ce que dit la recherche sur les "bonnes" combinaisons fente/pôle

De nombreux travaux universitaires ont tenté de répondre à la question "quelle est la meilleure paire d'encoches et de pôles" pour différents types de machines. Le résumé honnête est le suivant : cela dépend de vos priorités - mais là sont des modèles.

Principales conclusions de la littérature récente sur les machines PM à enroulements concentrés :

• Facteur de bobinage élevé + fréquence de cogging élevée = candidats forts.
  • Des études sur les machines FSCW montrent que les combinaisons où le nombre de fentes est proche du nombre de pôles peuvent atteindre des facteurs de bobinage supérieurs à 0,95, si la disposition est symétrique.
  • En même temps, un multiple le moins commun (MCP) élevé d'encoches et de pôles augmente la fréquence du couple cogging et réduit généralement son amplitude.
• Mais certains tracés "à fort facteur de vent" posent des problèmes.
  • Les travaux classiques de Libert & Soulard montrent que des combinaisons telles que Qs = 9 + 6k avec p = Qs ± 1 (y compris 9/8) peuvent présenter une ondulation de couple très élevée et des forces magnétiques déséquilibrées, à moins qu'elles ne soient soigneusement atténuées.
• Règles empiriques de conception pour les machines BLDC / PM :
  • Une ligne directrice largement citée pour les BLDC est de s'assurer que :
    • Nombre entier d'encoches par enroulement unitaire par phase.
    • Symétrie triphasée satisfaite.
    • q > 0.25.
    • Facteur de tangage > 0,5 et facteur d'enroulement global > 0,85.
• L'optimisation spécifique à l'application est importante.
  • 2023-2025 Les études montrent que les combinaisons "optimales" diffèrent d'un pays à l'autre :
    • Générateurs de drones (obsédés par le poids et l'efficacité).
    • PMSM de forage (faible vitesse, couple élevé, affaiblissement important du champ).
    • Moteurs de ventilateurs de radiateurs (ils doivent être compacts, silencieux et durables).
  • Dans chaque cas, la fente/pôle est choisie en fonction de la topologie du rotor, du concept de refroidissement et des contraintes de contrôle. jamais de manière isolée.

• Comment traduire toutes ces recherches en une règle mentale :
  • Commencez par des combinaisons qui :
    • Donner un fractionnaire q entre ~0,3 et 0,7 si vous souhaitez des conceptions FSCW compactes.
    • Évitez les motifs "déséquilibrés" notoires (par exemple, certaines dispositions de type 9/8), sauf si vous savoir la façon dont vous gérerez l'ondulation du couple et le bruit.
    • Disposer d'un grand LCM(Q, 2p) pour augmenter la fréquence de cogging et diminuer l'amplitude.

7. Un processus de sélection pratique (stator + rotor ensemble)

Voici une respectueux de l'homme La méthode de sélection d'une combinaison fente/pôle pour un nouveau moteur reflète ce que font réellement les bureaux de recherche et de conception haut de gamme.

1. Réparer d'abord les choses faciles
   • Cible point vitesse-couple au fonctionnement nominal et à la vitesse maximale.
   • Décider type de machine: SPM, IPM, réluctance synchrone, etc.
   • Décidez approximativement si vous êtes dans la "distribué" (q ≥ 1) ou "concentré" (q < 1) camp.
2. Choisir une courte liste de paires Q / 2p candidates
   • Utilisez votre famille de candidatures :
     • Pompe / ventilateur / usage général → démarrage vers 12/4, 24/4, 36/4.
     • Servo / actionneur compact → essai 12/8, 12/10, 18/16.
     • Couple élevé à faible vitesse → voir 24/22, 27/22, 36/30, 48/40.
   • Pour chaque candidat, calculer q et de rejeter rapidement tout ce qui sort de votre zone de confort en matière de fabrication.
3. Évaluer les performances du côté du stator
   • Calculer facteur d'enroulement et les harmoniques MMF (même des outils analytiques rapides ou des feuilles de calcul peuvent aider).
   • Vérifier remplissage de la fenteLa densité de flux de la dent et la perte de cuivre approximative.
   • Identifiez les astuces dont vous aurez besoin pour le stator : biais, encoches, fentes auxiliaires, mise en forme de la pointe de la dent.
4. Évaluer les performances du côté du rotor
   • Pour chaque candidat, dessinez la disposition de l'aimant, l'arc polaire et la segmentation.
   • Estimation couple de cogging et la fréquence (sur la base du LCM) et vérifier la sensibilité de l'application.
   • Examinez les contraintes mécaniques à la vitesse maximale et les implications en termes de refroidissement pour les aimants et le fer du rotor.
5. Effectuer une analyse rapide des flux financiers sur 2 ou 3 finalistes seulement
   • Des articles récents soulignent que l'analyse par éléments finis permet de voir correctement la saturation et les fuites, mais qu'il n'est pas nécessaire de simuler toutes les combinaisons possibles, seulement celles qui sont prometteuses.
   • Comparer :
     • Couple moyen et ondulation du couple.
     • Forme de la FEM arrière et THD.
     • Pertes et points chauds thermiques.
6. Choisir le compromis "le moins douloureux
   • Il est rare qu'il y ait un gagnant parfait ; le meilleur choix est celui qui.. :
     • Atteint les objectifs de performance avec une marge.
     • Peut être fabriqué avec votre chaîne d'approvisionnement de laminage, de bobinage et d'aimants.
     • Vous laisse options (par exemple, il est possible d'entailler les dents, d'ajuster l'arc de la tige ou de l'incliner légèrement sans avoir à tout redessiner).

• Si vous ne retenez rien d'autre de cet article, retenez ceci :
  • Les combinaisons machine à sous/pôle ne sont pas seulement une curiosité de la table de mixage, elles sont la base de la vie de l'entreprise. premier levier de conception qui verrouille ce que votre stator et votre rotor sont autorisés à faire.
  • Une fois que l'on s'est engagé sur Q et 2p, toute optimisation ultérieure n'est qu'un moyen de limiter les dégâts ou d'affiner les choses.

8. Le ramener au "Motor Core 10".

Si l'on considère le "Motor Core 10" comme la dixième décision essentielle en matière de conception, les combinaisons fente/pôle font probablement partie des trois premières. Tout le reste - qualité de l'aimant, sophistication du variateur, refroidissement - est construit sur cette base.

Ainsi, la prochaine fois qu'une fiche technique mentionne de manière désinvolte "12 fentes, 10 pôlesne vous contentez pas d'acquiescer et de passer à autre chose. Faites une pause et posez des questions :

• "Qu'est-ce que cela m'apprend sur la géométrie des dents du stator et sur la trajectoire thermique ?
• "Qu'est-ce qui oblige le rotor à faire - en termes d'arc polaire, de segmentation et d'intégrité mécanique ?
• "Cette combinaison correspond-elle à mes priorités : silence, couple, coût ou efficacité ?

Lorsque vous commencez à voir des combinaisons de fentes et de pôles comme concevoir des leviers plutôt que de simples chiffresil vous sera beaucoup plus facile de surpasser vos concurrents et d'avoir de meilleures conversations avec vos clients. fournisseurs de laminage et les fabricants de moteurs.