Dans la conception des moteurs électriques, le choix de la configuration des bobinages influence les performances, le rendement et la longévité. Il existe deux types de bobinages courants : concentré et distribué. Chacun présente des avantages uniques et des applications optimales. Cet article les compare afin d’aider les ingénieurs à optimiser les performances des moteurs.
Que sont les bobinages distribués et concentrés ?
Bobinage concentré :
Dans un bobinage concentré, les bobines sont enroulées de manière à ce que toutes les bobines correspondant à une phase particulière soient regroupées dans une petite zone compacte du stator. En résumé, chaque bobine occupe un nombre limité d’encoches dans le stator, ce qui entraîne une densité de bobines plus élevée dans ces encoches. Les bobines sont généralement enroulées en une seule couche.
Bobinage distribué :
À l’inverse, avec un bobinage distribué, les bobines sont réparties sur plusieurs encoches du stator. Cette méthode consiste à répartir les enroulements des bobines en plusieurs couches sur une plus grande surface. Chaque bobine est divisée et enroulée sur plusieurs encoches du stator, assurant une répartition uniforme du bobinage dans le stator.
Facteurs clés influençant le choix du bobinage
Le choix entre un bobinage concentré et un bobinage distribué dépend de plusieurs facteurs, notamment l’application du moteur, le couple et le rendement requis, ainsi que la complexité de la conception. Chaque méthode de bobinage offre des avantages uniques, la rendant adaptée à différents scénarios.
1. Rendement
L’efficacité du type de bobinage est l’un des principaux critères à prendre en compte. La configuration du bobinage peut avoir un impact direct sur la consommation énergétique et les performances globales du moteur.
Bobinage concentré :
Les bobinages concentrés comportent moins de spires par bobine, ce qui entraîne un courant de crête plus élevé. Cela peut entraîner des pertes de puissance plus importantes dans certaines applications, notamment lorsque les moteurs fonctionnent à grande vitesse. Le bobinage concentré génère également un champ magnétique moins uniforme, ce qui peut réduire le rendement du moteur dans certaines conceptions.
Bobinage distribué :
Les bobinages distribués, dont les bobines sont réparties sur plusieurs encoches du stator, produisent généralement un champ magnétique plus uniforme. Le rendement global du moteur est accru et la distorsion harmonique est ainsi réduite. La répartition uniforme des bobines assure un fonctionnement plus stable, réduisant les pertes par courants de Foucault et augmentant l’efficacité énergétique.
2. Ondulation de couple
L’ondulation de couple, qui désigne les fluctuations du couple de sortie du moteur pendant la rotation, est un autre indicateur clé de performance.
Bobinage concentré :
L’un des inconvénients du bobinage concentré est son ondulation de couple plus élevée. Comme les bobines sont placées dans un nombre limité d’encoches, elles ont tendance à créer un champ magnétique non uniforme, ce qui entraîne une production de couple irrégulière. Cela peut entraîner des vibrations et du bruit pendant le fonctionnement, ce qui peut être indésirable dans les applications de précision comme la robotique ou les véhicules électriques.
Bobinage distribué :
Les bobinages distribués offrent une répartition plus équilibrée des champs magnétiques, ce qui permet une production de couple plus régulière. La répartition des bobines sur les différents encoches minimise l’ondulation de couple, garantissant un fonctionnement plus silencieux et plus stable. Les bobinages distribués sont donc idéaux pour les applications où la régularité et la précision sont essentielles, comme dans les machines industrielles ou les véhicules électriques hautes performances.
3. Taille et poids
La taille et le poids du moteur sont des facteurs importants à prendre en compte pour de nombreuses applications, notamment dans les secteurs où l’espace est limité ou où le poids est limité.
Bobinage concentré :
Grâce à la densité de bobines plus élevée sur une surface plus réduite, le bobinage concentré tend à être plus compact. Cette configuration est avantageuse pour les applications nécessitant une conception compacte et légère. Par exemple, les petits moteurs utilisés dans les outils électriques ou les drones peuvent bénéficier de bobinages concentrés.
Bobinage distribué :
Les bobinages distribués nécessitent généralement plus d’espace car les bobines sont réparties sur plusieurs encoches. Cela signifie que les moteurs utilisant un bobinage distribué ont tendance à être plus grands et plus lourds que ceux à bobinages concentrés. Cependant, cette augmentation de taille peut souvent être compensée par un rendement accru et une ondulation de couple réduite dans les applications hautes performances.
4. Complexité et coût de fabrication
La complexité de fabrication joue un rôle crucial dans le choix de la configuration de bobinage, notamment en termes de coûts de production.
Bobinage concentré :
Les bobinages concentrés sont plus faciles et plus rapides à fabriquer que les bobinages distribués. Leur conception plus simple permet de réduire les coûts de production, ce qui en fait une option intéressante pour les fabricants souhaitant produire des moteurs en grandes quantités. De plus, dans les environnements de production à grande échelle, la simplicité de conception et d’assemblage est un avantage.
Bobinage distribué :
Les bobinages distribués nécessitent un processus de conception et de fabrication plus complexe. Le bobinage lui-même implique davantage d’étapes, comme le placement précis des bobines dans les différentes encoches du stator et l’utilisation de plusieurs couches. Bien que cela augmente les délais et les coûts de fabrication, les performances du moteur qui en résultent peuvent justifier un investissement supplémentaire dans certaines applications hautes performances.
Tableau comparatif : enroulement concentré et enroulement distribué
| Caractéristique | Bobinage Concentré | Bobinage Distribué |
| Efficacité | Efficacité généralement plus faible, pertes élevées à haute vitesse | Meilleure efficacité, performance plus stable |
| Ondulation du couple | Ondulation de couple plus élevée, engendrant des vibrations | Ondulation réduite, fonctionnement plus fluide |
| Taille et poids du moteur | Plus compact, plus léger | Plus grand, plus lourd |
| Complexité de fabrication | Plus simple, coût de fabrication plus bas | Plus complexe, coût de fabrication plus élevé |
| Performance de refroidissement | Refroidissement moins efficace, risques de points chauds | Meilleur refroidissement, répartition uniforme de la chaleur |
| Applications | Petits moteurs, outils électriques, drones | Véhicules électriques, machines industrielles, robotique |
| Utilisation dans les systèmes haute puissance | Moins adapté aux systèmes haute puissance | Idéal pour les applications haute puissance |
Conclusion
Le choix entre bobinages concentrés et bobinages distribués dépend de l’application et des objectifs de performance. Les bobinages concentrés sont économiques et compacts, idéaux pour les petits moteurs, tandis que les bobinages distribués offrent des performances, un rendement et un fonctionnement fluide supérieurs pour les applications de forte puissance. Les ingénieurs doivent trouver le juste équilibre entre rendement, ondulation de couple, taille et coût pour sélectionner le type de bobinage le mieux adapté à leur moteur.
