Dans la conception des moteurs électriques, l’un des éléments les plus souvent négligés, mais pourtant essentiels, est le nombre d’encoches du stator et du rotor. Ces encoches ne sont pas de simples caractéristiques structurelles ; elles influencent considérablement le couple, les vibrations, le comportement thermique et le rendement du moteur. Les moteurs asynchrones, largement utilisés dans les applications industrielles et commerciales, sont particulièrement sensibles à cet aspect de conception.
Comprendre le fonctionnement des machines à sous
Dans un moteur asynchrone, le stator et rotorCes éléments fonctionnent de concert pour générer une force de rotation par induction électromagnétique. Le rotor du moteur tourne à l’intérieur du stator, qui est la partie extérieure et fixe. Ces deux composants comportent des encoches régulièrement espacées, qui remplissent les fonctions suivantes :
- Les encoches du stator abritent des enroulements de cuivre qui, lorsqu’ils sont alimentés par un courant alternatif, produisent un champ magnétique rotatif.
- Les encoches du rotor (généralement remplies de barres conductrices dans les moteurs à cage d’écureuil) génèrent un courant par induction électromagnétique lorsqu’elles sont exposées au champ rotatif du stator.
Cette interaction génère une force de couple qui entraîne la rotation du rotor. Le nombre d’encoches, leur forme et leur répartition influent considérablement sur l’efficacité de cette interaction électromagnétique.
Un plus grand nombre d’encoches permet une meilleure mise en forme du champ magnétique et un remplissage accru du conducteur, mais peut aussi complexifier la fabrication, augmenter les coûts et fragiliser les composants structurels. Un nombre réduit d’encoches simplifie la construction, mais peut diminuer les performances dans des domaines critiques.
Champ magnétique et impact harmonique
Le champ magnétique tournant d’un moteur asynchrone devrait idéalement être lisse et sinusoïdal. Cependant, en raison de la nature discrète des encoches, le champ contient des harmoniques spatiales — des ondes supplémentaires qui déforment la forme d’onde magnétique principale.
Des combinaisons d’encoches mal choisies (par exemple, des encoches de stator et de rotor égales ou très proches) peuvent entraîner les problèmes suivants :
- Verrouillage magnétique, où le rotor tente de s’aligner de manière répétée avec certaines dents du stator, ce qui entraîne un couple pulsatoire.
- Augmentation du bruit et des vibrations, notamment lors des variations de charge.
- Des pertes plus importantes en fer et en cuivre réduisent le rendement global du moteur.
Pour atténuer ces effets, les ingénieurs privilégient les combinaisons d’encoches non entières. Par exemple, un stator à 36 encoches peut être associé à un rotor à 28, 29 ou 31 encoches. Cette asymétrie rompt l’interaction harmonique périodique et améliore la distribution du flux dans l’entrefer.
Ces interactions électromagnétiques sont fréquemment simulées et visualisées lors de la conception de moteurs grâce à l’analyse par éléments finis (AEF). Cela permet d’optimiser le nombre d’encoches avant la production de prototypes physiques.
Couple de crantage et bruit
Le couple de crantage est une forme particulière d’ondulation de couple causée par la tendance des dents du rotor à s’aligner avec les encoches du stator en l’absence de courant. Cet effet devient problématique dans les applications exigeant un mouvement fluide, telles que les ascenseurs, les machines à commande numérique et la robotique.
L’amplitude du couple de crantage est directement liée à :
- Le nombre d’encoches et la question de savoir si les nombres d’éléments du stator et du rotor partagent des multiples communs.
- Le pas de fente, ou espacement entre les fentes adjacentes.
- Propriétés magnétiques des noyaux du stator et du rotor.
Les techniques de conception permettant de réduire le couple de crantage comprennent :
- Choix du nombre d’encoches du stator et du rotor sans facteurs communs.
- Le fait d’incliner légèrement les barres du rotor dans le sens axial permet de répartir les forces de crantage de manière homogène sur la longueur du rotor.
- Utilisation d’enroulements à encoches fractionnaires, qui répartissent les forces magnétiques de manière plus uniforme.
En minimisant le couple de crantage, les concepteurs de moteurs peuvent réduire les vibrations, le bruit et l’usure des roulements, améliorant ainsi la qualité globale et la durée de vie de la machine.
Nombre d’encoches du rotor et caractéristiques de démarrage
Le nombre d’encoches influence également le comportement du moteur lors du démarrage, une étape de performance critique pour les moteurs asynchrones.
- Un plus grand nombre d’encoches sur le rotor réduit la réactance de fuite et augmente la résistance au démarrage, ce qui diminue le courant d’appel mais peut potentiellement réduire le couple.
- Un nombre réduit d’encoches sur le rotor offre un couple de démarrage plus élevé, ce qui peut être utile dans les applications avec des charges initiales élevées, mais entraîne également une consommation de courant plus importante.
Pour concilier ces besoins contradictoires, certaines conceptions utilisent :
- Les rotors à barres profondes offrent une résistance plus élevée au démarrage et une résistance plus faible en fonctionnement normal grâce à l’effet de peau.
- Les rotors à double cage comportent deux ensembles de barres de rotor avec des caractéristiques de résistance et de réactance différentes afin d’optimiser les performances au démarrage et en fonctionnement.
Dans les moteurs raccordés directement au réseau électrique (démarreurs directs), la conception des encoches du rotor est cruciale pour la gestion des contraintes électriques et l’accélération progressive. Dans les systèmes à variateur de fréquence, l’optimisation des encoches complète les stratégies de commande électronique afin d’améliorer le rendement et la régulation du couple.
Considérations thermiques et d’efficacité
Le nombre et la forme des encoches influent non seulement sur les performances électromagnétiques, mais aussi sur la génération et la dissipation de chaleur dans le moteur.
Les principaux impacts thermiques sont les suivants :
- Les pertes par effet Joule (pertes I²R) sont influencées par la densité avec laquelle les enroulements peuvent être insérés dans les encoches du stator.
- Les pertes dans le noyau, notamment les pertes par hystérésis et par courants de Foucault, dépendent de la forme d’onde du champ magnétique, elle-même influencée par le numéro d’encoche.
- L’efficacité du refroidissement dépend des fentes du rotor qui agissent comme des conduits de chaleur. Leur forme et leur profondeur influent sur la vitesse à laquelle la chaleur est transférée vers la surface extérieure et finalement dissipée.
Les concepteurs doivent trouver un juste équilibre entre le taux de remplissage des encoches (quantité de cuivre utilisée) et la surface disponible du noyau (afin d’éviter la saturation magnétique). Un nombre excessif d’encoches réduit la largeur des dents, ce qui augmente la densité de flux magnétique et le risque d’échauffement du noyau.
Les logiciels de simulation thermique, souvent associés à une modélisation électromagnétique, permettent d’identifier les points chauds et d’évaluer si la configuration des fentes assure un refroidissement adéquat pour l’application prévue.
Aspects mécaniques et structurels
Du point de vue mécanique, la configuration des encoches peut avoir un impact sur l’intégrité structurelle du stator et du rotor.
- Un trop grand nombre d’encoches entraîne un amincissement des dents entre elles, réduisant ainsi la capacité du composant à résister aux contraintes mécaniques, notamment à des vitesses de rotation élevées ou en cas de chocs de charge.
- Les espaces étroits ont tendance à concentrer les contraintes mécaniques, ce qui peut, à terme, provoquer de la fatigue ou une rupture.
- Les fentes obliques, bien qu’avantageuses sur le plan électromagnétique, peuvent réduire la rigidité torsionnelle du rotor, ce qui nécessite des matériaux plus résistants ou des compensations de conception.
Dans les moteurs conçus pour un fonctionnement à grande vitesse, tels que les moteurs bipolaires fonctionnant à 3 000 tr/min (50 Hz), ces facteurs deviennent particulièrement critiques. Le moteur doit alors résister aux forces centrifuges sans se déformer ni se déséquilibrer.
En règle générale, les moteurs à grande vitesse sont conçus avec un nombre modéré d’encoches et des matériaux renforcés, ce qui permet d’équilibrer les avantages électromagnétiques et la fiabilité structurelle.
Meilleures pratiques et combinaisons de machines à sous
Certaines combinaisons d’encoches de stator et de rotor sont devenues des normes industrielles pour des applications spécifiques, assurant un bon équilibre entre efficacité, couple régulier, facilité de fabrication et coût.
| fentes du stator | Fentes du rotor | Application |
| 36 | 28, 29 | Moteurs industriels à usage général |
| 48 | 37, 38 | Moteurs à haut rendement ou alimentés par onduleur |
| 72 | 56, 58 | Ventilateurs de grande taille, compresseurs et variateurs de vitesse robustes |
| 24 | 20, 22 | Petits moteurs à puissance fractionnaire |
Règles de conception :
- Évitez les numéros d’encoches du stator et du rotor qui partagent un PGCD > 1.
- Appliquer une inclinaison du pas d’une fente du stator lorsque cela est possible.
- Pour la vérification des performances, utilisez l’analyse thermique et l’analyse par éléments finis (FEA) dès les premières étapes de la conception.
Ces combinaisons permettent de minimiser les ondulations de couple, le bruit acoustique et la complexité de fabrication, tout en offrant des performances robustes dans diverses conditions de fonctionnement.
Exemple d’étude de cas
Un fabricant de pompes constatait un niveau sonore élevé et une fiabilité réduite sur son moteur asynchrone de 15 kW. À l’origine, le stator et le rotor comportaient tous deux 36 encoches. Au démarrage, les vibrations étaient importantes et les utilisateurs signalaient une défaillance prématurée des roulements.
Après simulation et analyse, le nombre d’encoches du rotor a été modifié de 36 à 29, et les barres du rotor ont été décalées d’un pas d’encoche.
Résultats:
- Le niveau sonore a diminué de 7 dB.
- Couple de démarrage augmenté de 15 %.
- Durée de vie (basée sur des tests de vieillissement accéléré) améliorée de 22 %.
- Les plaintes des clients ont diminué de 80 % dès la première année suivant la refonte.
Cet exemple montre comment même de petites modifications du nombre d’emplacements peuvent se traduire par des gains de performance quantifiables dans le monde réel.
