Le couple est proportionnel au courant








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BrushlessBLDC.doc Louis FOURDAN 27/03/2017

MOTEURS BRUSHLESS (BLDC)


  1. Un moteur électrique, c’est quoi ?


Un moteur électrique est un composant « électromécanique ». Il transforme de l’énergie électrique en énergie mécanique (travail). La base du travail correspond à une force qui se déplace dans sa direction (ou via une composante de force projetée) W = F x L . La puissance instantanée est le quotient du travail par unité de temps soit le produit force x vitesse P = F x V. Une force se déplaçant dans une direction perpendiculaire ne fournit aucun travail.
Pour un arbre en rotation on parlera de force tangentielle F , couple (torque) T= F x R, bras de levier R et vitesse angulaire . Puissance P = T x  (rad/s).
[Unités de vitesse angulaire :

  • tour/s (rev/s) ou cycle/s ou Hz (unité la plus intuitive et souvent la plus commode en traitement du signal)

  • tour/minute (rpm) ( exemple 3000 rpm = 50 Hz)

  • rad/s

  • deg/s …]


Le principe de base théorique du moteur électrique est la « loi du bonhomme d’Ampère » :

Un élément de courant I de longueur dL dans un champ magnétique perpendiculaire B produit une force F perpendiculaire au plan {dL . B} : F = B x I x dL

L’unité de densité de champ magnétique (magnetic flux density ou magnetic induction) est le tesla (T) ou weber/m2 (Wb/m2)
Règle des 3 doigts de la main gauche :

Index (comme In-tensité) := courant I orienté

Majeur (comme sertChamp Major ou Magnétique) := Champ magnétique B (induction magnétique B)

Pouce (comme la force pousse) := Force F
Un moteur électrique résulte de l ‘INTERACTION entre un COURANT et un CHAMP MAGNĖTIQUE pour donner une force (et donc un COUPLE pour un moteur rotatif). Remarque : le concept de moteur LINEAIRE existe.
En règle générale un moteur est constitué par un(des) BOBINAGE(S) et un(des) AIMANTS PERMANENTS


  1. LE COUPLE EST PROPORTIONNEL AU COURANT

  2. LE COUPLE EST PROPORTIONNEL A LA LONGUEUR DES ELEMENTS DE COURANT (donc au NOMBRE DE TOURS DES BOBINAGES)


L’énergie perdue par effet Joule dans les bobinages de couple est NUISIBLE mais INEVITABLE. Si on veut minimiser cette perte il faut diminuer la résistance des bobinages, donc prendre un fil très conducteur (Cuivre) et en général augmenter le POIDS du moteur. On utilise généralement un fil de cuivre « émaillé » c’est à dire « isolé » par un genre de vernis très dur. Pour souder les extrémités d’un bobinage il faut « décaper » le vernis. Par ailleurs il ne faut pas « blesser » le fil (risque de court circuit entre couches)

Le moteur constitué de bobinages d’induction (à la place des aimants permanents) + bobinages de couple est rarement utilisé (énergie perdue, pour alimenter le champ, en raison de l’effet Joule via la résistance des fils).


  1. Les aimants permanents


Les aimants permanents simples sont des pièces (composants) qui ont différentes formes :

  • Cylindres ou anneaux

  • Parallélépipèdes ou petites plaques

  • Fer à cheval ou autres formes

Un aimant simple est polarisé sous la forme de 2 pôles (Nord et Sud)

Un cylindre peut avoir ses pôles en « bout (axe) » ou « en travers (2 génératrices à 180°) »

Un parallélépipède peut avoir ses pôles selon un des 3 axes (dans la grande dimension ou en épaisseur)

Aimants multi- pôles :

  • par assemblage-collage d’aimants bipolaires sur un support

  • anneau de ferrite (céramique) à 12 pôles par exemple (moteurs Brushless-CD-R)

Bien entendu le nombre de pôles magnétiques est TOUJOURS PAIR

Matériaux magnétiques (B en Tesla)

  • Ferrite Baryium ou Strontium (BaO 6Fe2O3 ou SrO 6Fe2O3) 0.16 à 0.40 T

  • AlNiCo 2 (10 Al 19 Ni 13 Co 3 Cu 55 Fe) 0.75 T

  • Samarium-Cobalt = SmCo5 0.82 à 0.87

  • Fer Chrome Cobalt (28 Cr 10.5 Co 61.5 Fe) 0.98 T

  • Néodyme (Neodymium-Fer-Bore = Nd2Fe14B) 1 à 1.5 T

  • Fer Chrome Cobalt (23 Cr 15 Co 62 Fe) 1.35 T

  • AlNiCo 5 (8 Al 14 Ni 24 Co 3 Cu 51 Fe) 1.35 T

Voir http://www.magnetweb.com/magamer.htm

Catalogues et divers:

Edmund Scientific Company : barres, carrés, disques, cylindres, rondelles, fer à cheval (Alnico, Néodyme, céramique…)

Les vendeurs de pièces pour moteurs LRK vendent des aimants rectangulaires Néodyme.

Exemples :

Un aimant Néodyme 10x3x2 mm coûte 0.8 euro, un 20x4x2 mm coûte 1.6 euro (Batt-mann)


  1. Les bobinages et pièces polaires fer doux


En complément des aimants permanents un moteur comporte généralement un(des) bobinages et des noyaux et pièces polaires en fer doux (carcasse) destinées à canaliser les lignes de force magnétiques. La disposition des aimants et des bobinages détermine la famille du moteur.

Les bobines seront excitées par un courant commuté en fonction du type. Nous verrons dans la classification différentes organisations.

Chaque bobine (coil) ou partie de bobinage sera caractérisée

    1. Par la longueur et le diamètre du fil de cuivre (isolé par émaillage)

    2. Par le nombre de « tours »

    3. Par la résistance de la bobine Ri (résistance interne) ou Rc (Coil resistance) qui jouera un rôle important dans l’énergie perdue par effet Joule. Pd = Ri x I^2

Rappel : Ri = rho L/S

Rho = résistivité (resistivity) micro-ohm-cm et coefficient de température /°C)

Cu @ 20°C 1.7241 +0.0039

Ag @ 20°C 1.62 +0.0038

Or @ 20°C 2.44 +0.0034

Constantan 55Cu 45 Ni 44.2 +0.0002

Pour mesurer la résistance d’une bobine il faut donc faire une mesure très rapide pour éviter tout échauffement. Lors du fonctionnement du moteur la résistance va augmenter et le rendement va ainsi diminuer.
Sur le plan électrique une bobine aura deux extrémités. Si le bobinage est constitué de plusieurs « fils en main » les bouts seront décapés (pour enlever la couche d’émail), tortillés et soudés à l’étain.

Sur le plan magnétique une bobine aura un pôle Nord et un pôle Sud qui pourront s’inverser avec l’inversion du courant I.


  1. Classification des moteurs rotatifs à balais et sans balais


Les moteurs peuvent être classées par familles selon leur constitution. Les moteurs rotatifs comprennent

  • un STATOR

  • un ROTOR (portant l’axe) concentrique du STATOR

Les forces TANGENTIELLES d’interaction électromagnétique vont développer un couple moteur qui sera annulé par le couple de charge et le couple de frottement. Le couple de frottement est un couple parasite qui diminuera le rendement (utile).

Une classification proposée est la suivante, cependant certaines des sept familles présentées sont plus voisines que d’autres. Les variantes de constitution peuvent être très nombreuses. Une grande différence concerne les moteurs avec balais 1a-1b (brushed) et les modèles sans balais 2a-2e (brushless) :
1a- Moteurs DC à balais et rotor fer

Stator externe = Aimants permanents, paliers, connexions + et –

Rotor interne = Bobinages et pièces polaires en fer doux

Commutation des bobines avec collecteur à lames et balais

1b- Moteurs DC à balais et rotor sans fer

Stator externe = Aimants permanents, paliers, connexions + et –

Rotor cloche interne = Bobinages (obliques, brevet Faulhaber), sans fer, autoportant

Commutation des bobines avec collecteur à lames et balais
2a- Moteurs BLDC sans balais à rotor interne avec encoches (slots)

Rotor interne = Aimant permanent cylindrique (habituellement 2 pôles, mais on trouve aussi des multipolaires)

Stator externe = Bobines triphasées à 120 degrés étoile ou triangle, paliers, habituellement 3 connexions

Commutation par circuit électronique (MOSFET), c’est à dire alimentation par impulsions selon « un timing » (schéma temporel)

2b- Moteurs BLDC sans balais à rotor interne sans encoches

Rotor interne = Aimant permanent cylindrique (habituellement 2 pôles)

Stator externe = Bobines triphasées à bobinages obliques sans encoches

Commutation : voir 2a

2c- Moteurs BLDC sans balais à rotor externe

Rotor externe = Aimant permanent en anneau (habituellement multi-pôles)

Stator interne = Bobines triphasées étoile ou triangle, paliers, habituellement 3 connexions

Commutation : voir 2a

2d- Moteurs BLDC sans balais à rotor disque (à plat)

Stator : les bobines sont parallèles à l’axe . Commutation : voir 2a

Rotor : les aimants sont des pastilles rangées en circonférence sur un plateau perpendiculaire à l’axe.

Un exemple est un moteur à 8 bobines et 4 aimants

2e- Moteurs pas à pas sans balais à rotor disque (à plat)

Stator : les bobines sont en général diphasées et forment un fer à cheval de part et d’autre du rotor

Commutation : voir 2a

Rotor : c’est un disque portant une multitude d’aimants et de pôles (jusqu’à 100 pas par tour)

C’est une spécialité PORTESCAP

Pour les moteurs sans balais certains modèles ont des capteurs (senseurs) intégrés, d’autres pas du tout.

Certains moteurs de CD-ROM sont montés sur une structure de stator comportant un circuit imprimé portant 3 capteurs à effet Hall CMS (SMC) , à proximité du bord des aimants de la cloche (rotor externe).

3 – Appareils électromagnétiques divers

Pour mémoire citons les solénoïdes ou actuateurs linéaires ou rotatifs, les relais, les galvanomètres à cadre mobile, les bobines de haut-parleur, systèmes qui tous sont basés sur les mêmes principes physiques.



  1. Paramètres des moteurs à balais


Les paramètres et les équations régissant les moteurs DC à balais sont relativement simples à comprendre. On trouve de très bonnes explications et formules dans les catalogues FAULHABER, MAXON et PORTESCAP. Le présent document est orienté moteurs sans balais. Nous donnerons juste un résumé.

L’énergie appliquée sera transformée en

  • Energie mécanique utile (arbre de sortie moteur) Pu = T x  (rad/s).

  • Energie de frottement interne (paliers ou roulements à billes)

  • Energie de frottement interne (balais et collecteur)

  • Chaleur (effet Joule) Ri x I¨2

  • Pertes par courants de FOUCAUT dans les tôles-pièces polaires des bobinages

  • Pertes diverses (acoustiques, étincelles ..)



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