Le couple est proportionnel au courant
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BrushlessBLDC.doc Louis FOURDAN MOTEURS BRUSHLESS (BLDC)
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 :
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
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).
Les aimants permanents simples sont des pièces (composants) qui ont différentes 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 :
Bien entendu le nombre de pôles magnétiques est TOUJOURS PAIR Matériaux magnétiques (B en Tesla)
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)
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
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.
Les moteurs peuvent être classées par familles selon leur constitution. Les moteurs rotatifs comprennent
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.
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
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