Moteurs synchrones à aimant permanent (PMSM) dominent les conceptions modernes de moteurs de broche en raison de leurs :
• Haute densité de puissance (taille compacte pour un couple donné)
• Efficacité supérieure (90 à 97 % typique)
• Contrôle précis de la vitesse (caractéristique de glissement nul)
• Excellente réponse dynamique (critique pour les applications CNC)
Ce guide couvre les conception électromagnétique, thermique et mécanique considérations pour optimisation des stators et des rotors PMSM dans les moteurs de broche fonctionnant entre 10 000 et 60 000 tr/min. En tant que technologie fondamentale pour tous moteur électrique types, la conception du stator et du rotor exige une attention primordiale en ingénierie.
2.1 Optimisation de la géométrie de base
Combinaisons fentes/pôles
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Configuration |
Avantages |
Cas d'utilisation de la broche |
|
9 emplacements/6 pôles |
Faible cogging, bonnes harmoniques |
Fraisage à usage général |
|
12 emplacements/8 pôles |
Densité de couple équilibrée |
Meulage à grande vitesse |
|
18 emplacements/12 pôles |
Ondulation de couple réduite |
Usinage ultra-précis |
Considérations clés :
• Un nombre d'emplacements plus élevé réduit l'ondulation du couple mais augmente la perte de cuivre
• Les enroulements à fentes fractionnaires (par exemple, 9 fentes pour 8 pôles) minimisent l'encoche
Conception de stratification
• Matériau : tôles d'acier au silicium M19-M47 de 0,2 à 0,35 mm d'épaisseur
• Largeur des dents : 40 à 60 % du pas de la fente pour équilibrer la saturation et la surface en cuivre
• Fer arrière : 1,2 à 1,5 fois la largeur des dents pour éviter la saturation du flux.
2.2 Configuration du bobinage
Types d'enroulement
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Tapez |
Avantages |
Inconvénients |
|
Distribué |
Harmoniques plus faibles, meilleur refroidissement |
Tours d'extrémité plus longs |
|
Concentré |
Bobines plus courtes, remplissage de fente plus élevé |
Ondulation de couple plus élevée |
Techniques avancées :
Enroulements double couche : déphasage de 30 à 45° pour l'annulation des harmoniques
Fil de Litz : Pour un fonctionnement à haute fréquence (>400 Hz) afin de réduire l'effet cutané
Facteur de remplissage des fentes : 60 à 75 % réalisable avec des bobineuses de précision
2.3 Stratégies de refroidissement
Refroidissement direct des fentes : canaux d'huile intégrés dans les fentes du stator
Conducteurs creux : pour broches haute puissance refroidies par liquide (> 15 kW)
Matériaux d'interface thermique : résines à haute conductivité thermique (5-8 W/mK)
3.1 Disposition des aimants
Topologies
|
Tapez |
Densité du flux |
Couple de crémaillère |
Complexité de fabrication |
|
Monté en surface |
Modéré |
Faible |
Simple |
|
PM intérieur (IPM) |
Élevé |
Modéré |
Complexe |
|
IPM en forme de V |
Très élevé |
Élevé |
Très complexe |
Choix spécifiques à la broche :
10 000-30 000 tr/min : Surface PM avec manchon en fibre de carbone
30 000 à 60 000 tr/min : IPM creux pour une meilleure résistance à la force centrifuge
3.2 Matériaux magnétiques
|
Matériel |
Br (T) |
Hc (kA/m) |
Température maximale |
Coût |
|
Ferrite |
0.4 |
200 |
150°C |
$ |
|
NdFeB N42H |
1.3 |
900 |
120°C |
$$$ |
|
SmCo |
1.1 |
700 |
300°C |
$$$$$ |
Critères de sélection :
Déclassement de température (les broches atteignent 80-150°C en interne)
Protection contre la corrosion (nickelage pour environnements humides)
Aimants segmentés pour réduire les courants de Foucault
3.3 Conception structurelle du rotor
Manchons de rétention :
• Fibre de carbone : pour >40 000 tr/min (σ > 800 MPa)
• Inconel : pour les applications à haute température
Équilibrage dynamique :
•
• Forme asymétrique des pôles pour l'équilibrage harmonique
4.1 Compromis entre paramètres
|
Paramètre |
Augmenter de |
Effet |
|
Entrefer |
Un écart plus grand |
↓ Densité de couple, ↑ fiabilité |
|
Épaisseur de l'aimant |
Plus de matériel |
↑ Densité de flux, ↑ coût |
|
Densité actuelle |
J supérieur |
↑ Couple, ↑ contrainte thermique |
4.2 Techniques avancées
• Inclinaison : 1 à 2 pas de fente pour réduire l'encochement
• Mise en forme des pôles : pôles entaillés pour une force contre-électromotrice sinusoïdale
• Optimisation multi-objectifs :
# Exemple d'optimisation Pareto pour le couple par rapport à la perte
objectifs = [maximiser (Torque), minimiser (Iron_Loss)]
contraintes = [Temp_rise
5.1 Considérations sur les roulements
Roulements à contact oblique : précharge 150-400N pour la rigidité de la broche
Céramique hybride : pour une plage de 20 000 à 40 000 tr/min
Roulements magnétiques actifs : pour une ultra-précision > 50 000 tr/min
5.2 Conception de l'arbre
Exigence de rigidité : >100 N/µm à l'interface de l'outil
Arbres creux : Pour le passage du liquide de refroidissement (rapport ID/OD
Compensation de croissance thermique : manchons en fibre de carbone avec correspondance CTE
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Composant |
Tolérance critique |
Méthode de mesure |
|
Entrefer |
±0,05 mm |
Micromètre laser |
|
Position de l'aimant |
±0,1° angulaire |
Système de vision |
|
Symétrie de la bobine |
|
Compteur LCR |
Stator: 18 emplacements, enroulement distribué triphasé
Rotor: V-IPM 6 pôles avec aimants SmCo
Refroidissement: Fentes refroidies directement à l'huile
Performances:
• Densité de puissance : 6,5 KW/kg
• Efficacité : 96 % à la charge nominale
• Faux-rond :
Fabrication additive : canaux de refroidissement imprimés en 3D
Matériaux améliorés au graphène : pour une conductivité thermique plus élevée
Jumeaux numériques : simulation des performances en temps réel
Conception Stators et rotors PMSM pour les moteurs de broche nécessite un équilibrage :
1. Performances électromagnétiques (densité de couple, efficacité)
2. Gestion thermique (stratégies de refroidissement)
3. Intégrité mécanique (dynamique du rotor, durée de vie des roulements)
Pour votre application spécifique de la broche, considérez :
• Profil vitesse/couple cible
• Contraintes du système de refroidissement
• Budget pour les matériaux haut de gamme (SmCo, fibre de carbone)
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