Le couple est proportionnel au courant








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(Equations et courbes typiques en cours de rédaction)



Paramètres principaux : unité unité USA

Coefficient de vitesse Kv tr/min = rpm/V

Coefficient de couple Km mNm/A oz-in

Courant à vide Io A

Résistance interne Ri ohm

Paramètres de constitution

Nombre de tours des bobinages

Tension nominale

Résistance thermique °C/W

Constante de temps en température minute

Poids P g

Paramètres d’utilisation et point de fonctionnement

Rendement = Puissance utile / puissance appliquée

Courant absorbé

Tension aux bornes

Vitesse angulaire

Rapport puissance utile / poids

Montée en température

Paramètres divers

Température max admissible (100 à 150 °C selon les aimants)

Les aimants ferrite sont plus sensibles à la température

Types de balais :

  • A base de métaux précieux (Cu, Ag, Au), habituellement inaccessibles

  • A base de graphite (optionnellement chargé cuivre) interchangeables ou non


Notes diverses :

Le produit KvKm est un peu une constante (même en changeant le nombre de tours de bobinage)

Moralité : UN MOTEUR QUI TOURNE VITE A MOINS DE COUPLE

Pour les bons moteurs KvKm =9600 (rpm/V mNm/A)

Pour les moteurs bas de gamme KvKm = 7000 (rpm/V mNm/A)

Indice de puissance I = Km^2/ Ri

Puissance/Poids = I / P


  1. Intérêts des moteurs sans balais (brushless)

Avantages


Rendement optimum Pas de chute de tension due au collecteur

Pas de friction de collecteur

Grande durée de vie, fiabilité (attention à la température)

Souplesse en vitesse Si le variateur est bien conçu (asservissement de vitesse)

Taille et poids avantageux Pas de collecteur, balais etc..

Puissance dissipée importante Bobinages en stator

Moins de parasites électriques Pas d’étincelles (pas de collecteur)

Contrôle de la commutation électronique (attention aux pics de commutation des circuits MOSFETs)

Moins de bruit acoustique Pas de vibrations des balais à haute vitesse

Moins de débris et résidus Pas de collecteur

Possibilité de construire soi même

Inconvénients


Nécessité d’un bon variateur Risque de mauvais démarrage ou de décrochages

Prix Plus petites séries, peu de séries économiques


  1. Les moteurs sans balais traditionnels à rotor interne (brushless in-runner)


Ces moteurs sont constitués d’un stator externe comportant 3 ou 6 bobines, connectées en triangle ou en étoile. Un rotor cylindrique (en général à 2 pôles) porteur de l’arbre de sortie (une ou deux extrémités) fournit la puissance mécanique. Des paliers de qualité ou des roulements à billes conduisent à un moteur robuste, fiable et pouvant tourner très vite (jusqu’à 30000 rpm). Certains moteurs offrent l’option « capteurs de position du rotor » incorporés (en général capteurs à effet Hall). Dans ce cas une alimentation 5 V est nécessaire pour alimenter ces capteurs. D’ou 5 fils supplémentaires.

Un variateur de vitesse triphasé de puissance adaptée (courant-tension) assure la « commutation » des impulsions appliquées à chaque phase (A, B ,C) selon une séquence temporelle à régler finement. Beaucoup de moteurs sans balais utilisés en modélisme n’ont pas de capteurs intégrés. Dans ce cas c’est le variateur qui va « auto-déterminer » le synchronisme de commutation, en se servant de la « force contre électromotrice » (Back EMF).

Au démarrage le synchronisme n’est pas asservi à la position du rotor. Le moteur est lancé et accéléré comme un moteur pas à pas.

Quelques moteurs sont à rotor interne multipôles. Plusieurs aimants sont fixés en périphérie de cylindre. Les principes du champ magnétique tournant entraînant le rotor sont décrits ci-dessous (chapitres 10 à 13). Ces principes sont identiques, que le rotor soit interne ou externe.


  1. Les moteurs BL à rotor externe (brushless out-runner) , variantes LRK et CD-R


Ces moteurs sont constitués d’un stator interne comportant 3, 6, 9, 12 .. bobines, connectées en triangle ou en étoile. Un rotor cylindrique (en général multipôles 12, 14 ..) porteur de l’arbre de sortie (une ou deux extrémités) fournit la puissance mécanique. Certains moteurs offrent l’option « capteurs de position à effet Hall » incorporés.

La disposition de ces moteurs fait que le rotor est réalisé sous la forme d’une cloche, à l’intérieur de laquelle une série d’aimants est collée (colle époxy). Cette cloche tourne en porte à faux autour du stator. Il faut donc monter ce type de moteur à l’abri mécanique d’un fuselage. Cependant, si la cloche est peu large, elle peut être l’organe « arbre de sortie ». Pour une voiture il est même possible de monter le pneu sur la cloche qui sert alors de jante.

On verra aux chapitres 12 et 13 que le fait d’avoir plusieurs bobines et plusieurs aimants entraîne un fonctionnement spécifique. La rotation du vecteur champ engendrée par les « allumages » successifs des bobines entraîne le groupe des aimants à une vitesse inférieure. Ce phénomène se rapproche du phénomène « stroboscopie ». En fait il suffit d’imaginer la rotation de la cloche par un dispositif « pas fin » de quelques degrés, alors que dans un moteur traditionnel le pas est de 60° (ou même120°).

Variante dite LRK-Torquemax (acronyme de Lucas, Retzbach and Kühfuß):

Stator interne composée de Nc bobines (pair), Nc = 2 * 6 * k

Rotor externe avec Np aimants ou pôles alternés (pair), Np = 2 * (6 * k + Eps) ; Eps =  1

LRK classique k = 1, Eps = +1, Nc = 12 , Np = 14, pas 8.57 ° (60 / 7 °)

Variante moteur brushless de lecteur CD-R

Stator interne composée de Nc bobines, Nc = 3 * 3 * k

Rotor externe composé de Np aimants ou pôles alternés (pair) Np = 2 * 3 * (k + 1) 

classique k = 1, Nc = 9 , Np = 12 , pas 10 °

Variantes diverses

Nc = 3 * k bobines (des triplets de bobines !)

Np = (3  1)* k aimants

k = 1: 3 bobines, 2 ou 4 aimants, pas 120° ou 30°

k = 2: 6 bobines, 4 ou 8 aimants (mini LRK), pas 30° ou 15°

Il existe une grande quantité de variantes possibles. On peut aussi concevoir des moteurs ou le stator serait constitué de bobines axiales (parallèles à l’arbre et non radiales) avec un rotor-disque multipôles tournant en façade ou entre deux stators en forme de mâchoires.

On peut aussi imaginer des moteurs ou toutes les bobines seraient indépendantes en commutation :

(6 bobines= 6 phases, 12 bobines = 12 phases etc..) au lieu de toujours travailler avec seulement 3 phases A, B, C sur des groupes de bobines connectées entre elles.


  1. Fonctionnement BL3 03-02 : 3 bobines , 2 pôles, rotor interne


Fonctionnement à 3 bobines indépendantes A, B, C en étoile

Considérons la figure 1 montrant 3 pas successifs d’un moteur brushless BL3-03-02

Image de gauche :

La bobine A est alimentée (+) et crée l’équivalent d’un champ magnétique pôle bleu (à l’opposé du point rouge, qui marque le sens du bobinage). Le rotor est en position d’équilibre puisque le pôle rouge (convention pôle Nord par exemple) est juste en face. La force électromagnétique est purement radiale sans composante tangentielle. Le couple de rotation est donc nul.

A

A

A


















C

C

C




B

B

B





A on, B off, C off

Couple nul , 0°

A off, B on, C off

Couple CW , 60°

A off, B on, C off

Couple nul , 120°


Fig 1 : 3 bobines en étoile , rotor interne 2 pôles


Image milieu :

La bobine A n’est plus alimentée. C’est la bobine B qui reçoit V+. Cette bobine crée un pôle bleu qui va repousser le pôle bleu du rotor et attirer le pôle rouge du rotor. Un couple dans le sens de la flèche est créé. Le couple est maximum lorsque le rotor a tourné de 60°. On peut remarquer que la force tangentielle n’existe que d’un coté. D’autres schémas (moteurs symétriques) ont un couple formé par deux forces symétriques ou trois forces à 120°. Dans ces derniers cas, il n’y a pas de forces résultantes radiales.
Image de droite :

C’est la bobine B qui reçoit toujours V+. Le rotor est arrivé devant sa nouvelle position d’équilibre, après une rotation de 120° (dans le sens CW ou dans le sens inverse).
Le contrôleur est chargé de fournir les impulsions successives A+, B+, C+ séquentiellement dans le temps. Le problème est de déterminer les instants de commutation.

Plusieurs solutions existent

  1. Fonctionnement « Forcé » sans réaction de position du rotor (pas à pas)

Le contrôleur fixe la cadence à partir d’une vitesse de consigne. Cette solution ne fonctionne que pour des vitesses lentes. En cas de variation de charge sur l’arbre de sortie, le moteur risque de décrocher (de ne pas suivre la cadence). Quand le moteur se désynchronise le couple s’écroule ou se renverse brutalement.

  1. Fonctionnement avec « Informations de position » sans capteurs

Le contrôleur utilise la force contre électromotrice crée par la rotation du rotor au passage devant les bobines pour déterminer des points de passage. (voir figure 4)

Un algorithme utilisé est de comparer la tension de chaque bobine par rapport à la moyenne

Calculer (en analogique par amplificateurs opérationnels)

Signe [A-(A+B+C)/3]

Signe [B-(A+B+C)/3]

Signe [C-(A+B+C)/3]

Les passages à zéro (en montant ou en descendant) donnent des tops

Reste à gérer l’ « angle d’avance à l’allumage » et le « facteur de forme »

  1. Fonctionnement avec « Informations de position » avec capteurs (effet Hall, optiques etc ..)

Le contrôleur utilise les signaux de position de capteurs magnétiques (effet Hall) ou optiques ou autres. (voir figure 4)

Les tops servent comme en B) à gérer la commutation des bobines.

Reste aussi à gérer l’ « angle d’avance à l’allumage » et le « facteur de forme »

Dans cette configuration le champ magnétique créé par les bobines et le rotor tournent à la même vitesse.

Lorsque le contrôleur envoie ses impulsions, A+, B+, C+ le champ ET le rotor tournent de 120°.

ANGLE D’AVANCE A L’ALLUMAGE :

Il est commode de garder ce paramètre programmable. Ce paramètre peut être fixe ou fonction de la vitesse mesurée (si la position est calculée ou donnée par des capteurs).

Remarque : dans le cas de contrôleurs « sans capteurs » (sensorless) la position peut varier déjà avec la vitesse due à l’intégration des circuits.

Des capteurs de position véritables n’ont pas ce défaut (surtout les capteurs optiques)
ANGLE DE FACTEUR DE FORME :

Il s’agit de faire varier le couple par une durée de chaque impulsion A+, B+ ou C+

C’est une modulation de durée d’impulsion (PWM Pulse Width Modulation)

Ce paramètre est équivalent à la variation de tension par découpage d’un contrôleur pour moteur à balais.

Deux solutions

  1. Réaliser un découpage PWM haute fréquence (en général de l’ordre de 5 à 20 kHz) avec facteur de forme variable de 0 à 100%






Fig 2 : Diagramme des temps (découpage PWM haute fréquence)


  1. Réaliser des impulsions uniques A+, B+, C+ de durées variables et donc non jointives






Fig 3 : Diagramme des temps (timing personnalisé et calculé)

Cette dernière solution présente certainement moins de pertes de commutation, mais est plus difficile à réaliser.

La solution la plus sophistiquée est de faire avec cette méthode un contrôle digital par BOUCLE ALPHA-BETA de vitesse par contrôle de l’angle d’ouverture avec un angle d’avance constant en degrés.
BLOC DIAGRAMME :

Le contrôleur pourrait avoir la structure suivante (neutre ou point commun disponible connecté à V+)

Composants principaux : 1 PIC, 1 régulateur 5V 1.5 A, 3 MOSFETs à commande logique, plus quelques résistances et condensateurs (non figurés).

La détection de la position du rotor peut être réalisée soit par des capteurs soit par un système électronique Cs (résistances et comparateurs)


Fig 4 : Bloc-diagramme du contrôleur type 1

  1. Fonctionnement BL3 06-02 : 6 bobines , 2 pôles, rotor interne


Fonctionnement à 6 bobines AA’, BB’, CC’ en série à 180°, connectées en triangle B’A, C’B, A’C

Les fils de sortie étant A, B, C

Considérons la figure 5 montrant 3 étapes successives d’un moteur brushless BL3-06-02

Image de gauche :

La bobine A est alimentée (+) et crée l’équivalent d’un champ magnétique pôle bleu (à l’opposé du point rouge, qui marque le sens du bobinage). La bobine B est alimentée (). Le rotor est en position d’équilibre puisque le pôle rouge est en face de la résultante (-30°). Les forces électromagnétiques sont purement radiales sans composantes tangentielles. Le couple de rotation est nul.




Image milieu :

La bobine A reste alimentée (+). C’est la bobine C qui est alimentée (). La résultante a tourné de 60° alors que le rotor (en cours de déplacement) n’a tourné que de 30°. Un couple dans le sens de la flèche est créé. Le couple est maximum lorsque le rotor a tourné de 30°. Les forces radiales sont toujours équilibrées
Image de droite :

La bobine A reste alimentée (+). La bobine C reste alimentée (). Le rotor est arrivé devant sa nouvelle position d’équilibre, après une rotation de 60° (dans le sens CW).
SEQUENCEMENT

On distingue 6 sous-cycles de 60° représentés par les étapes
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