Points clés pour la sélection du rotor du moteur à flux axial dans différentes conditions de fonctionnement : moteurs de moyeu, joints de robot, propulsion de drone

Introduction : changement de paradigme de « Cylindre » à « Disque »

Lorsque les gens pensent aux moteurs électriques, la plupart imaginent un long cylindre dans lequel le stator entoure le rotor et où le champ magnétique se propage radialement. Cependant, un moteur qui défie cette forme conventionnelle est à l'origine d'une nouvelle révolution technologique : le moteur à flux axial . Il comprime le stator et le rotor en un disque presque plat, aussi compact qu'un biscuit sandwich.

Le cœur de cette révolution d’aplatissement réside dans un changement fondamental dans la direction du chemin magnétique. Dans un moteur à flux radial traditionnel, le champ magnétique rayonne vers l'extérieur à partir de l'axe ; dans un moteur à flux axial, le champ magnétique est parallèle à l'axe, le stator et le rotor se faisant face dans une disposition en disque. Ce changement apporte des avantages étonnants en termes de performances :  avec la même utilisation de matériaux, le couple d'un moteur à flux axial est proportionnel au cube du diamètre du rotor (alors que pour un moteur radial traditionnel, il s'agit uniquement du carré du diamètre), ce qui permet d'obtenir une augmentation de la densité de couple de 2 à 3 fois et un rendement supérieur à 96 %.  Dans le même temps, sa longueur axiale ne représente que 1/3 à 1/2 de celle d'un moteur conventionnel, avec un volume réduit de plus de 50 % et un poids réduit d'environ 40 à 50 % pour la même puissance.

La clé pour atteindre une densité de puissance et une densité de couple aussi élevées dans les moteurs à flux axial réside dans la conception ingénieuse de la structure du rotor. Différents scénarios d'application imposent des exigences de performances distinctes, et le choix de la structure du circuit magnétique du rotor, du matériau de l'aimant permanent et de la topologie détermine souvent directement si le moteur peut pleinement exploiter ses avantages. Cet article commence par trois scénarios d'application typiques – moteurs de moyeu, joints de robot et propulsion de drone – et analyse systématiquement les points essentiels de la sélection du rotor.

1. Moteurs de moyeu : compromis entre densité de couple et large plage de vitesse

Les moteurs de moyeu sont installés à l’intérieur de la jante, là où l’espace est extrêmement limité – c’est la principale contrainte de conception. Ils doivent simultanément fournir une densité de couple élevée (pour le démarrage et la montée), une large plage de vitesses (de la vitesse lente à la croisière à grande vitesse) et une bonne capacité de dissipation thermique.

En termes de sélection de la structure du rotor, les moteurs à moyeu utilisent généralement  des types montés en surface et à rayons (intérieurs) , chacun avec des priorités de conception différentes. Les aimants permanents montés en surface sont directement fixés à la surface du noyau du rotor, offrant une structure simple, une densité de flux d'entrefer élevée et une adaptation aux applications recherchant une densité de puissance ultime. Cependant, la rotation à grande vitesse d'un rotor de grand diamètre génère une énorme force centrifuge, nécessitant un manchon de retenue pour fixer les aimants montés en surface. Cela nécessite des matériaux non magnétiques à haute résistance, et le manchon lui-même augmente l'entrefer, réduisant ainsi le rendement.

Des aimants permanents à rayons (intérieurs) sont intégrés à l’intérieur du rotor. Grâce à la concentration du flux, ils améliorent considérablement la densité de couple et la capacité d'extension de vitesse en affaiblissant le flux. Par exemple, le moteur de moyeu à rayons STAF-PMSM conçu par l'Université du Jiangsu utilise une structure à double rotor pour augmenter la zone d'excitation de l'entrefer, obtenant ainsi une excitation à concentration de flux. Il délivre un couple maximal de 280 N·m et une puissance maximale de 15 kW, ce qui le rend adapté aux véhicules à énergie nouvelle à traction distribuée. De plus, la structure intérieure protège efficacement les aimants permanents de l'exposition directe aux températures élevées et aux impacts mécaniques, éliminant ainsi le risque de détachement des aimants auquel les types montés en surface sont confrontés à des vitesses élevées.

La gestion thermique est un autre défi majeur pour les moteurs à moyeu. En fonctionnement à haute puissance, les pertes électromagnétiques sont concentrées et les conditions de refroidissement sont mauvaises. Cela nécessite une modélisation thermique précise basée sur une analyse des pertes pour obtenir un refroidissement efficace. Actuellement, le moteur à flux axial à double stator et à rotor unique (AFIR) améliore la densité de puissance en augmentant la charge électrique avec deux stators, tandis que le moteur à flux axial sans culasse (YASA) élimine la culasse du stator pour réduire la perte de fer, réduisant ainsi la charge thermique tout en améliorant l'efficacité et la densité de couple.

Dans l'ensemble, la sélection du rotor pour les moteurs de moyeu doit équilibrer  la densité de couple, la capacité d'extension de vitesse et la fiabilité . Pour les exigences de couple élevé à faible vitesse, les structures montées en surface ou à rayons sont préférées, mais si une large plage de vitesses est nécessaire, le type à rayons est plus approprié en raison de sa concentration de flux et de sa capacité d'affaiblissement du flux.

2. Articulations de robot : double exigence de faible inertie et de contrôle de précision

Les joints de robot exigent des caractéristiques nettement différentes de celles des moteurs à moyeu. Dans les articulations volumineuses telles que les hanches, la taille et les jambes, un couple élevé et un allégement extrême sont les principales exigences. Par rapport aux moteurs radiaux traditionnels, les moteurs à flux axial dans ces scénarios peuvent réduire l'occupation de l'espace de 30 à 60 % et le poids de plus de 30 %, certaines conceptions atteignant 60 à 70 %. Dans les petites articulations telles que les poignets et les doigts, la précision et la faible inertie deviennent des priorités majeures.

Le rapport couple/inertie  est un paramètre de conception clé pour les moteurs articulés de robots. La recherche montre que le couple d'un moteur à flux axial est proportionnel au cube du diamètre du rotor, ce qui signifie qu'un couple de sortie à basse vitesse extrêmement élevé peut être obtenu dans l'espace compact d'un joint aplati, tandis que la structure de disque mince peut être intégrée directement dans le joint et simplifie la dissipation thermique.

Pour la sélection du rotor, les articulations du robot donnent la priorité aux structures montées en surface ou aux réseaux Halbach. La structure montée en surface, avec sa faible perte de rotor et son faible moment d'inertie, permet  une réponse dynamique plus rapide  : le temps de réponse à l'accélération peut être réduit de 15 ms à 5 à 8 ms, ce qui est crucial pour les mouvements du robot nécessitant un démarrage/arrêt rapide et un positionnement précis. Un réseau Halbach, grâce à un modèle de direction de magnétisation spécifique, améliore le champ magnétique d'un côté tout en l'annulant presque de l'autre, permettant l'élimination du noyau du rotor et réduisant davantage l'inertie et les pertes du rotor.

La conception des circuits magnétiques et la sélection des matériaux des aimants permanents nécessitent également un contrôle précis. Les moteurs à flux axial utilisent une disposition d'aimant annulaire, qui raccourcit la longueur du trajet magnétique et augmente la densité de couple par rapport à la disposition radiale des moteurs à flux radial traditionnels. De plus, étant donné que les articulations des robots incluent souvent des réducteurs ou même des systèmes d'entraînement quasi-direct (QDD), une coercivité et une stabilité thermique plus élevées sont nécessaires. Lorsque le coût le permet, les qualités à coercivité élevée contenant des terres rares lourdes telles que le dysprosium et le terbium peuvent empêcher efficacement la démagnétisation due aux champs magnétiques inverses pendant le fonctionnement.

Pour les joints miniatures de l'ordre de 16 à 18 mm, les moteurs à flux axial de type PCB présentent des avantages uniques. Utilisant la gravure au lieu des enroulements en cuivre traditionnels, ils offrent une grande cohérence de fabrication, une faible perte de fer et un poids extrême.

3. Propulsion de drones : défis extrêmes de densité de puissance et de résistance à la démagnétisation thermique

Les systèmes de propulsion des drones sont confrontés à une contradiction fondamentale :  chaque gramme de poids supplémentaire réduit le temps de vol, et chaque degré d'augmentation de la température réduit la puissance . Les données montrent que pour un moteur à flux axial avec un rapport poussée/poids supérieur à 25:1, une réduction de la masse de 1 kg peut augmenter la portée d'environ 10 km. Par conséquent, la légèreté et la densité de puissance élevée sont les principaux critères de conception des moteurs de propulsion des drones.

En termes de densité de puissance, les moteurs à flux axial présentent des avantages considérables dans la propulsion des drones. Leur densité de puissance volumétrique peut atteindre  14,9 kW/kg , dépassant largement celle des moteurs radiaux traditionnels. Les densités de puissance mesurées vont de  5,8 à 21 kW/kg , avec des densités de couple de  15 à 25 Nm/kg . Le dernier système de propulsion à flux axial « Yufeng » de la série T atteint une densité de puissance continue de 10 Nm/kg et une densité de couple maximale de 20 Nm/kg, ce qui le rend bien adapté à la propulsion à entraînement direct dans les avions avancés tels que les eVTOL habités et les drones à ailes composées.

Au-delà de la densité de puissance, les moteurs de propulsion des drones sont également confrontés au risque de démagnétisation dans les environnements à haute température. Pendant le vol, les moteurs fonctionnent à puissance élevée pendant de longues périodes, provoquant une augmentation rapide de la température des enroulements et des aimants permanents. Si les missions sont effectuées dans la chaleur estivale ou dans des zones désertiques, la combinaison de la température ambiante et de l'auto-échauffement crée de graves problèmes de démagnétisation pour les aimants permanents.

La sélection du matériau de l’aimant permanent affecte directement la fiabilité à haute température des moteurs de drones.  Parmi les matériaux d'aimant permanent courants, le néodyme-fer-bore (NdFeB) offre les performances magnétiques les plus élevées, mais les qualités standard (série N) ont une température de fonctionnement maximale de seulement 80 à 100°C, et une perte magnétique irréversible peut se produire au-dessus de 200°C. Les qualités NdFeB à haute coercitivité (séries SH, UH, EH, AH) peuvent fonctionner jusqu'à 150-240°C, mais leur stabilité à haute température est toujours inférieure à celle du samarium-cobalt (SmCo). Les aimants SmCo peuvent fonctionner de manière stable au-dessus de  300 °C , avec une température de Curie supérieure à 720 °C, et leurs propriétés magnétiques ne varient que de 1/4 à 1/3 autant que celles du NdFeB avec la température. Les inconvénients sont un produit à énergie magnétique légèrement inférieure et un coût plus élevé. Pour les drones grand public, le NdFeB haute performance est suffisant pour la plupart des besoins ; mais pour les drones industriels et les eVTOL habités dans des conditions de température et de puissance élevées, SmCo – malgré son coût – est un choix nécessaire pour la fiabilité.

4. Aperçu rapide des types de rotors : comparaison des rotors montés en surface et intérieurs

Sur la base de l'analyse ci-dessus, les principaux types de structure de rotor pour les moteurs à flux axial sont résumés dans le tableau suivant :

5. SDM : un pilote clé pour les rotors de moteurs à flux axial montés en surface

Après avoir analysé les points clés de sélection du rotor pour les trois scénarios majeurs, nous arrivons à un élément central :  la capacité d'ingénierie pour les aimants permanents hautes performances et les structures de rotor montées en surface . C'est précisément là que résident les avantages techniques de SDM.

SDM est une entreprise nationale de haute technologie axée sur les aimants et les solutions magnétiques, avec 16 ans d'expérience dans la production professionnelle d'aimants. La société entretient une coopération stratégique avec China Aluminum, la plus grande entreprise minière de terres rares en Chine, garantissant un approvisionnement stable et sécurisé en matières premières de terres rares. Dans le même temps, SDM mène des recherches collaboratives approfondies avec l'  Académie chinoise des sciences  et travaille avec ses clients sur l'analyse par éléments finis (FEA), fournissant un support de simulation précis dès le début de la conception des circuits magnétiques, raccourcissant ainsi les cycles de développement et réduisant les coûts d'essais et d'erreurs.

Dans le domaine des rotors de moteurs à flux axial montés en surface, SDM offre des avantages systématiques en matière de fabrication et de conception :

Tout d’abord, un système de production complet avec des certifications de haut niveau.  L'entreprise est titulaire de la norme IATF 16949 (système de gestion de la qualité automobile), maintient un record de zéro défaut (0 PPM) en tant que fournisseur de niveau 2 de General Motors depuis 2010 et possède également les certifications ISO 9001, ISO 14001, ISO 45001, empreinte carbone et BSCI. Ses produits sont conformes aux exigences de tests RoHS, REACH et SGS. Cela signifie que chaque lot d'aimants permanents est soumis à un contrôle qualité rigoureux, depuis la traçabilité des matières premières jusqu'à l'expédition du produit fini.

Deuxièmement, une technologie de processus intégrée mature pour les structures de rotor montées en surface.  Dans un moteur à flux axial, un disque de rotor à aimant permanent monté en surface doit simultanément résoudre trois difficultés techniques majeures :  la fixation à haute résistance des aimants, la stabilité en fonctionnement à grande vitesse et la fabricabilité/assemblage . SDM propose diverses options de matériaux magnétiques, notamment les qualités NdFeB à haute coercivité et les séries SmCo. Il utilise une combinaison de plaques de presse/cadres de fixation en polymère à faible perte et à haute résistance, de fers arrière de rotor et de manchons de retenue en fibre de carbone pour garantir un positionnement fiable de l'aimant en fonctionnement à grande vitesse, tout en minimisant les pertes par courants de Foucault du rotor. Cette solution a prouvé ses avantages complets : faible perte de rotor, résistance structurelle élevée et bonne aptitude au traitement de l'assemblage.

Troisièmement, une équipe technique de haut niveau prenant en charge une personnalisation haut de gamme.  L'équipe technique, constituée d'  experts en matériaux magnétiques de l'Académie chinoise des sciences , comprend 2 docteurs, 5 titulaires de maîtrise, 8 ingénieurs seniors et plus de 80 ingénieurs et techniciens. L'entreprise a créé un centre municipal de R&D et un poste de travail postdoctoral. Ainsi, SDM peut non seulement produire des aimants conventionnels, mais également fournir des solutions techniques complètes pour les exigences réelles des circuits magnétiques dans différentes conditions de travail (moteurs de moyeu, joints de robot, propulsion de drones), y compris la sélection de la qualité de l'aimant (qualités NdFeB N/M/UH à coercivité ultra-élevée, séries SmCo5/Sm-Co-₇), le calcul de la marge de température de démagnétisation et la simulation par éléments finis.

Quatrièmement, la collaboration industrie-université-recherche et un large portefeuille de produits.  SDM entretient des relations de coopération avec l'Institut de technologie et d'ingénierie des matériaux (CAS) de Ningbo et l'Université Jiaotong du Sud-Ouest, suivant en permanence les progrès dans le domaine des matériaux magnétiques. Sa gamme de produits couvre les stators et rotors de micromoteurs, les moteurs maglev, les capteurs, les résolveurs, les isolateurs optiques, les composants à aimants permanents et magnétiques doux, fournissant un support matériel magnétique unique pour les conceptions de moteurs dans différentes industries.

Conclusion

Avec sa structure aplatie et sa densité de puissance transformatrice, le moteur à flux axial redéfinit l'architecture de puissance des véhicules électriques, des robots humanoïdes et des avions à basse altitude. Dans cette course technologique centrée sur la « densité de couple » et la « légèreté », la conception de la structure du rotor et la qualité des matériaux à aimant permanent fixent la limite inférieure, tandis que la structure montée en surface – avec sa  conception simple, sa réponse dynamique rapide et sa densité de couple élevée  – occupe une position irremplaçable dans les articulations de robots, les entraînements de moyeu à faible vitesse et à couple élevé et d'autres applications exigeant un rendement élevé et une faible inertie.

De l'optimisation précise de la topologie du circuit magnétique à la conception de matériaux à aimants permanents stables à haute température, ce n'est qu'en maîtrisant la chaîne complète de la technologie des matériaux de base et des processus de fabrication du rotor qu'un véritable fossé peut être établi dans la concurrence féroce du marché. SDM, avec ses références en tant qu'entreprise nationale de haute technologie, 16 ans d'expérience accumulée dans le domaine des aimants permanents, le support technique d'une équipe d'experts constituée par CAS et un système de gestion de la qualité systématique, fournit une base solide pour la haute fiabilité et les hautes performances des rotors de moteurs à flux axial montés en surface. Qu'il s'agisse du défi de la large plage de vitesse des moteurs de moyeu, des exigences de contrôle de précision à faible inertie des articulations des robots ou des exigences extrêmes en matière de densité de puissance et de résistance à la démagnétisation dans la propulsion des drones, SDM propose des solutions d'ingénierie complètes, des matériaux à la simulation – précisément la force motrice indispensable qui fait passer les moteurs à flux axial du laboratoire aux applications à grande échelle.