L’un des éléments les plus importants qui déterminent les performances d’un moteur est le « bobinage ». Le bobinage consiste à enrouler des fils conducteurs, tels que des fils de cuivre ou d’aluminium, en forme de bobine ; il génère un champ magnétique lorsqu’il est traversé par un courant et constitue, par son interaction avec d’autres champs magnétiques (aimants permanents ou autres bobinages), le cœur même du moteur qui produit la force de rotation.Que ce soit pour les moteurs industriels, les appareils médicaux, les équipements optiques ou les dispositifs de sécurité, les matériaux, les types, les méthodes d’enroulement et la conception des bobinages ont une incidence directe sur l’ensemble des caractéristiques des moteurs utilisés dans ces domaines variés : performances, rendement, durabilité et fiabilité.
Dans cet article, nous vous présentons de manière systématique les connaissances indispensables aux ingénieurs du secteur B2B, depuis les principes fondamentaux du bobinage des moteurs jusqu’ aux types de matériaux, en passant par les méthodes de fabrication, les critères de sélection en fonction des applications, la mesure et la gestion de la résistance, ainsi que les points clés pour l’optimisation de la conception.Pour les ingénieurs impliqués dans la conception de moteurs et le développement de produits, la compréhension des techniques de bobinage est essentielle pour choisir le moteur le mieux adapté et optimiser ses performances.
| Sous la supervision du groupe commercial des composants électroniques de C.I. TAKIRON Corporation Nous supervisons la rédaction de cet article en nous appuyant sur les compétences techniques de pointe et l’expertise acquises depuis notre création en 1919 en tant qu’entreprise leader dans le domaine de la transformation des matières plastiques.Au sein de notre département, nous analysons en permanence les tendances du marché et les dernières technologies relatives aux micromoteurs ultra-compacts et de haute précision, et nous nous attachons à fournir des informations à forte valeur ajoutée aux concepteurs et développeurs. En tant qu’équipe d’experts maîtrisant parfaitement les caractéristiques des produits, nous vous accompagnons dans la résolution de vos défis et dans l’innovation technologique grâce à la diffusion de contenus précis et concrets. |
Connaissances de base sur les enroulements de moteurs et types de matériaux
Le bobinage d’un moteur est constitué de fils recouverts d’une gaine isolante enroulés en bobine ; lorsqu’il est traversé par un courant, il génère un champ magnétique qui, par interaction, produit la force de rotation du moteur.
Contenu abordé dans cette section
- Les trois rôles du bobinage dans un moteur
- Comparaison des performances des bobines en cuivre et en aluminium
- Types de revêtements isolants et critères de sélection
Les enroulements sont disposés sur le stator ou le rotor, et les techniques utilisées varient considérablement selon le type de moteur.Les matériaux utilisés pour les conducteurs sont le cuivre et l’aluminium, tandis que les revêtements isolants comprennent notamment le polyuréthane, le polyester et le polyester-imide. La combinaison de ces matériaux et de ces revêtements isolants détermine les performances et la fiabilité du moteur.
Les trois rôles joués par le bobinage dans un moteur
Dans un moteur, le bobinage remplit les trois rôles importants suivants :
[Les trois rôles du bobinage]
- La circulation d’un courant génère un champ magnétique
- Déterminer le couple et la vitesse de rotation en contrôlant l’intensité et la répartition du champ magnétique
- Dissiper correctement la chaleur générée (pertes dans le cuivre)
L’intensité du champ magnétique variant en fonction du nombre de spires et de leur disposition, il s’agit là du facteur le plus déterminant pour les performances du moteur. Par exemple, l’augmentation du nombre de spires renforce le champ magnétique et améliore le couple, mais entraîne également une hausse de la résistance. De plus, il est possible d’ajuster les caractéristiques de performance grâce à la valeur du produit « diamètre du fil au carré × nombre de spires ».Dans le domaine des appareils médicaux et des équipements optiques, la précision de cette conception d’enroulement a une incidence directe sur la fiabilité du produit.
Comparaison des performances des bobines en cuivre et en aluminium
Le choix du matériau de bobinage dépend de l’application du moteur et des performances requises. Vous trouverez ci-dessous les principales caractéristiques des bobinages en cuivre et en aluminium.
| Rubrique | Fil de cuivre | Fil d’aluminium |
| Conductivité électrique | Élevée (résistivité de 1,68 × 10⁻⁸ Ω·m) | Environ 60 % de celle du cuivre |
| Densité | 8,9 | 2,7 (léger) |
| Coût | élevé | Faible |
| Principales applications | Moteurs compacts et haute performance | Moteurs de grande taille et moteurs destinés à l’automobile |
Types de revêtements isolants et critères de sélection
Le choix du revêtement isolant dépend avant tout de la température de l’environnement d’utilisation. Vous trouverez ci-dessous les principales caractéristiques des revêtements isolants.
| Types de revêtements | Température de résistance à la chaleur | Classe de résistance à la chaleur | Principales caractéristiques et applications |
| Polyuréthane (UEW) | 120 °C | Classe E | Soudable directement, convient aux petits moteurs |
| Polyester (PEW) | 155 °C | Classe F | Largement utilisé dans les moteurs à usage général |
| Polyester-imide (EIW) | 180 °C | Classe H | Il présente une excellente résistance à la chaleur et est utilisé dans les moteurs à usage général résistants à la chaleur. |
Les fils en polyuréthane peuvent être soudés directement et conviennent aux petits moteurs, mais ne sont pas adaptés aux environnements à haute température.Les fils en polyester sont largement utilisés dans les moteurs à usage général et présentent des caractéristiques équilibrées. Les fils en polyester-imide offrent une excellente résistance à la chaleur et garantissent des performances stables même en fonctionnement continu prolongé. Le choix d’une gaine isolante adaptée à l’application est un critère de décision essentiel qui détermine la fiabilité et la durée de vie du moteur.
Méthodes de fabrication des bobinages de moteurs et choix en fonction de l’application
La fabrication des enroulements de moteurs implique différents procédés d’enroulement et méthodes de fabrication ; il est donc nécessaire de choisir en fonction des caractéristiques propres à chacun.
Contenu abordé dans cette section
- Comparaison des caractéristiques des enroulements à répartition, à concentration et sans noyau
- Utilisation distincte des systèmes à broche, à roue et à enroulement par buse
- Exigences relatives aux bobinages destinés aux appareils médicaux, aux appareils optiques et aux équipements de sécurité
Nous allons vous expliquer ci-dessous, de manière simple et claire, les différentes méthodes d’enroulement, telles que l’enroulement en nappe ou l’enroulement concentré, ainsi que les procédés de fabrication, notamment le procédé à broche et le procédé à rouleau.
Comparaison des caractéristiques des enroulements à répartition, à concentration et sans noyau
Les caractéristiques de performance d’un moteur varient considérablement en fonction du type de bobinage. Vous trouverez ci-dessous les caractéristiques des trois principaux types de bobinage.
| Méthode d’enroulement | Caractéristiques | Avantages | Principales applications |
| Bobine à répartition | Répartition des enroulements sur plusieurs fentes | Champ magnétique uniforme Faible ripple de couple Réduction des vibrations et du bruit | Moteurs industriels de grande taille Équipements médicaux |
| Enroulement concentré | Concentration de l’enroulement sur une seule dent | Rendement de production élevé Réduction de la quantité de fil de cuivre utilisée Réduction des coûts | Moteurs automobiles Moteurs de petite taille |
| Bobinage sans noyau | Structure sans noyau | Couple de cogging nul Réponse rapide Rotation fluide | Appareils médicaux Équipements optiques Appareils de précision |
L’enroulement réparti permet de répartir le fil de bobinage sur plusieurs fentes (rainures du noyau magnétique), ce qui garantit un champ magnétique uniforme et réduit les fluctuations de couple, ce qui est efficace pour limiter les vibrations et le bruit.En revanche, l’enroulement concentré, grâce à sa structure qui concentre le fil de bobinage sur une seule dent (saillie du noyau), simplifie le processus d’enroulement, ce qui se traduit par une efficacité de production élevée ; de plus, la quantité de fil de cuivre utilisée étant moindre, il permet de réduire les coûts.Le bobinage sans noyau, dépourvu de noyau magnétique, ne génère pratiquement aucun effet de cogging, ce qui permet une rotation fluide ; son moment d’inertie est faible et il offre une excellente réactivité à haute vitesse. Grâce à ces caractéristiques, les moteurs sans noyau de C.I. Takiron sont des produits adaptés aux applications de précision, telles que les appareils médicaux et les équipements optiques.
Utilisation différenciée des systèmes à broche, à roue et à enroulement par buse
Le choix du procédé de fabrication dépend de la forme de la bobine, du volume de production et des exigences de précision.
[Principales méthodes de fabrication]
- Système à broche : enroulement d’un fil de cuivre autour d’un axe tournant à grande vitesse
- Système de rotation : le bras tourne autour d’un noyau fixe
- Enroulement des buses : un enroulement de haute précision réalisé à l’aide d’une machine spécialisée
Le procédé à broche consiste à enrouler un fil de cuivre autour d’un axe tournant à grande vitesse ; il est adapté à une production en série à haut rendement. Le procédé à bras rotatif, dans lequel un bras rotatif tourne autour d’un noyau fixe, permet de réaliser des formes complexes et des bobines de grand diamètre ; il est principalement utilisé pour le bobinage du rotor des moteurs à collecteur.
Par ailleurs, le bobinage par buse, qui consiste à réaliser un bobinage de précision à l’aide d’une machine spécialisée, constitue une option de choix pour les appareils médicaux et les équipements optiques exigeant une grande précision. Le traitement au vernis appliqué après le bobinage permet non seulement d’empêcher toute déformation due aux vibrations ou à la chaleur, mais contribue également à améliorer la résistance mécanique et les performances d’isolation.
Exigences relatives aux bobinages destinés aux dispositifs médicaux, aux équipements optiques et aux dispositifs de sécurité
La compréhension des exigences en matière de bobinage en fonction de l’application permet de choisir le moteur le mieux adapté. Vous trouverez ci-dessous les exigences relatives aux principaux domaines d’application.
| Domaine | Performances requises | Exigences techniques | Réponse de C.I. Takiron |
| Appareils médicaux | Contrôle de haute précision | sans à-coups : faibles vibrations, faible niveau sonore et longue durée de vie | Rotation fluide grâce à un moteur sans noyau |
| Équipements optiques | Autofocus rapide Stabilisation d’image | Réponse rapide (en ms) Précision de positionnement (de l’ordre du μm) | Contrôle de précision grâce à un moteur sans noyau à haute réactivité |
| Équipements de sécurité | Alimentation par pile Longue durée de vie | Fonctionnement à basse tension (1,0 V à 3,0 V) Économie d’énergie | Modèles fonctionnant à partir de 1,0 V disponibles |
Dans le domaine des appareils médicaux, on exige une rotation fluide avec un couple de cogging quasi nul, un contrôle de vitesse de haute précision, un faible niveau de vibrations et de bruit, ainsi qu’une longue durée de vie. Dans le domaine des appareils optiques, une réponse rapide et une grande précision de positionnement sont nécessaires pour l’autofocus des appareils photo et l’entraînement des objectifs.Dans le domaine des équipements de sécurité, un fonctionnement à basse tension (1,0 V à 3,0 V) et une longue durée de vie (réduction de la fréquence de remplacement des piles) sont essentiels. Certains modèles de micromoteurs de C.I. Takiron fonctionnent à une tension minimale de 1,0 V et offrent ainsi une solution parfaitement adaptée aux exigences de chaque secteur.
Mesure de la résistance des enroulements de moteur et optimisation de la conception
La résistance des enroulements d’un moteur constitue l’indicateur le plus important pour évaluer ses performances et sa qualité.
Contenu abordé dans cette section
- Formules de calcul et méthodes de mesure de la résistance d’enroulement
- Évolution de la résistance en fonction de la température et conception thermique
- Optimisation de la conception des bobinages en fonction de l’application et possibilités de personnalisation
La résistance d’enroulement dépend de la longueur de l’enroulement, du diamètre du fil et de la résistivité électrique du matériau, et elle influe directement sur le courant, le couple, la production de chaleur et le rendement du moteur. Au cours du processus de fabrication, des tests de continuité et des mesures de résistance sont effectués, et les tolérances sont définies en fonction des spécifications du produit, des normes et des critères du fabricant.À titre indicatif, il arrive que la résistance soit contrôlée à ±10 % environ. Par ailleurs, la résistance d’un fil de cuivre augmentant d’environ 4 % lorsque la température s’élève de 10 °C, une conception de refroidissement appropriée s’impose. Lors de la conception, il convient d’optimiser de manière globale le matériau de bobinage, le nombre de spires, le diamètre du fil, le mode de bobinage, le revêtement isolant et la gestion thermique en fonction de l’application.
Formules de calcul et méthodes de mesure de la résistance d’enroulement
Une compréhension et une mesure précises de la résistance des enroulements sont indispensables au contrôle qualité des moteurs. La résistance des enroulements R se calcule à l’aide de la formule suivante.
[Formule de calcul de la résistance d’enroulement]
R = ρ × L / A
ρ : résistivité électrique du matériau (Ωm)
L : longueur du câble (m)
A : Section transversale du conducteur (m²)
Lorsque le nombre de spires augmente, la longueur du bobinage L augmente, ce qui entraîne une hausse de la résistance ; à l’inverse, lorsque le diamètre du fil est plus gros, la section transversale A augmente, ce qui entraîne une baisse de la résistance. Par exemple, si l’on compare des fils de cuivre de 0,1 mm et 0,2 mm de diamètre avec le même nombre de spires, on constate que la résistance du second, dont la section transversale est quatre fois plus grande, diminue pour atteindre environ un quart de celle du premier.
Une fois le bobinage terminé, nous mesurons la résistance à l’aide d’un multimètre numérique ou d’un milliohmmètre afin de vérifier sa conformité avec les valeurs de conception. Par ailleurs, le contrôle des performances d’isolation par des essais de tenue de tension constitue également une étape indispensable du processus d’assurance qualité. Chez C.I. Takiron, nous garantissons un haut niveau de fiabilité grâce à un contrôle qualité rigoureux.
Évolution de la résistance en fonction de l’élévation de température et conception thermique
L’élévation de température pendant le fonctionnement du moteur a une incidence considérable sur ses performances et sa durée de vie. La résistance d’un fil de cuivre présente un coefficient de température de 0,004/°C ; ainsi, lorsque la température augmente de 10 °C, la résistance augmente d’environ 4 %.
| Température (°C) | Taux de variation de la résistance | Incidence sur le rendement |
| 25 °C (référence) | 100 % | Référence |
| 50 °C | environ 110 % | Augmentation des pertes dans le cuivre (I²R) d’environ 10 % |
| 75 °C | environ 120 % | Augmentation des pertes dans le cuivre (I²R) d’environ 20 % |
| 100 °C | environ 130 % | Augmentation des pertes dans le cuivre (I²R) d’environ 30 % |
Le taux de baisse du rendement variant en fonction de la part des pertes dans le cuivre par rapport aux pertes totales, le tableau ci-dessus doit être considéré comme une indication de l’augmentation des pertes dans le cuivre.Lors du fonctionnement du moteur, le passage du courant dans les enroulements génère des pertes dans le cuivre qui entraînent un échauffement ; l’augmentation de la température provoque une hausse de la résistance, ce qui réduit le rendement. Dans des environnements à haute température ou en cas de fonctionnement à forte charge, il est indispensable de choisir une gaine isolante, telle qu’un fil de polyester-imide présentant une excellente résistance à la chaleur, et de mettre en place une conception de refroidissement utilisant notamment des ailettes de dissipation thermique ou un ventilateur.De plus, le traitement au vernis permet de fixer les enroulements et d’empêcher toute déformation due à la dilatation thermique*. Une baisse de température de 10 °C doublant approximativement la durée de vie, une conception thermique appropriée contribue directement à prolonger la durée de vie du moteur.
*Certains de nos produits sont traités selon la méthode dite de « fixation ».
Optimisation de la conception des bobinages en fonction de l’application et possibilités de personnalisation
L’optimisation de la conception du bobinage en fonction de l’application permet de tirer le meilleur parti des performances du moteur. Vous trouverez ci-dessous les recommandations de conception pour les principales applications.
| Utilisation | Méthode de bobinage | Tendances relatives au diamètre des fils | Tendances en matière de nombre de spires | Objectifs de conception |
| à couple élevé (outils industriels) | Les moteurs à courant continu à balais (à enroulement superposé ou ondulé) et les moteurs à courant continu sans balais à enroulement concentré constituent la norme | Choisissez des fils de gros diamètre en fonction du courant admissible | Tendance à augmenter le nombre de spires afin d’accroître la constante de couple (Kt) | Optimisation de la densité de flux magnétique et équilibre entre les pertes dans le cuivre et la dissipation thermique |
| Rotation à grande vitesse (Équipements de précision) | On observe souvent un enroulement concentré | Choix de fils fins ou d’enroulements parallèles afin de limiter l’effet de peau | Tendance à réduire le nombre de spires afin de diminuer la constante Ke ( constante de force contre-électromotrice ) | Réduction de la constante de temps électrique |
| Contrôle de haute précision (Médical et optique) | Bobinage sans noyau | Sélection tenant compte de la résistance mécanique de la bobine | Conception flexible grâce à une faible inductance | Élimination du couple de cogging et rotation fluide |
Dans les applications à couple élevé, telles que les outils industriels, la densité de flux magnétique est améliorée grâce à un diamètre de fil épais et à un nombre élevé de spires. En revanche, dans les applications à rotation rapide, telles que les équipements de précision, on opte généralement pour une conception visant à réduire le nombre de spires afin de diminuer la force contre-électromotrice.Dans le domaine des appareils médicaux et optiques, on privilégie les bobinages sans noyau et sans effet de cogging afin d’assurer un contrôle de haute précision. Chez C.I. Takiron, nous écoutons attentivement les spécifications requises pour chaque application et vous accompagnons de manière intégrée, du prototypage en petites séries à la production en série. Nos techniciens vous conseillent directement et sont en mesure de vous proposer la solution la mieux adaptée à vos besoins.
Résumé
Le bobinage du moteur est le cœur du système qui génère un couple grâce à la création d’un champ magnétique induit par le courant et à ses interactions. On utilise comme matériaux des fils de cuivre ou d’aluminium, et la résistance à la chaleur varie en fonction du type de gaine isolante.Il existe un large éventail d’options en matière de méthodes de bobinage et de procédés de fabrication, et il est nécessaire de choisir celles qui conviennent le mieux à l’application visée. Les critères requis varient selon les domaines : pour les appareils médicaux, il s’agit notamment d’un contrôle de haute précision et d’un fonctionnement sans à-coups, tandis que pour les appareils optiques, c’est la rapidité de réponse qui prime. La gestion de la résistance des enroulements et la conception thermique influent également sur les performances et la fiabilité.
Chez C.I. Takiron, nous proposons des micromoteurs de haute précision, issus de la technologie d’enroulement sans noyau, grâce à un contrôle qualité rigoureux et à des solutions personnalisées répondant à vos spécifications.
Informations sur les produits et demandes de renseignements
Pour plus d’informations sur les micromoteurs de C.I. Takiron, veuillez consulter le site Web suivant.
- Site du produit : https://cik-ele.com/
- Moteurs sans noyau : https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Moteurs sans balais: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Moteurs à engrenages : https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Codeur : https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Si vous rencontrez des difficultés pour choisir un petit moteur dans le cadre du développement de vos produits, n’hésitez pas à nous contacter via le formulaire de contact. Nos techniciens vous écouteront pour comprendre votre application et vos exigences, et vous proposeront la solution la mieux adaptée.
- Contact : https://cik-ele.com/contact/
