Dans l'industrie du contrôle des fluides miniatures, les moteurs sans balais constituent la principale source d'alimentation des équipements courants, notamment les pompes à eau miniatures et les pompes à vide miniatures. Les petites électrovannes coopèrent avec les moteurs pour réaliser une régulation automatique du débit. Récemment, de nombreux acheteurs d'équipements se sont concentrés sur les performances du BLDC ; c'est pourquoi nous lançons un article scientifique de vulgarisation en série pour présenter les connaissances de base de ce moteur à haut rendement.
Comprendre les principes et les applications des moteurs à haut rendement : Les moteurs électriques convertissent l'énergie électrique fournie en énergie mécanique. Différents types de moteurs électriques sont largement utilisés. Parmi eux, les moteurs à courant continu sans balais (BLDC) sont très efficaces et ont une excellente contrôlabilité, et sont largement utilisés dans de nombreuses applications. Par rapport à d'autres types de moteurs, les moteurs BLDC présentent des avantages en matière d'économie d'énergie.
Les moteurs électriques sont des machines de transmission électrique.
Lorsque les ingénieurs sont confrontés au défi de concevoir des équipements électriques pour effectuer des tâches mécaniques, ils peuvent réfléchir à la manière dont les signaux électriques sont convertis en énergie. Par conséquent, les actionneurs et les moteurs font partie des dispositifs qui convertissent les signaux électriques en mouvement. Les moteurs convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique.
Le moteur électrique le plus simple est le moteur à courant continu sans balais. Dans ce type de moteur, le courant circule dans des bobines placées dans un champ magnétique fixe. Le courant génère un champ magnétique dans les bobines ; cela provoque la rotation de l'ensemble de bobines lorsque chaque bobine est poussée loin de son propre pôle et tirée vers un pôle du champ magnétique fixe. Pour maintenir la rotation, le courant doit être constamment inversé, ce qui entraîne une inversion continue de la polarité de la bobine, ce qui fait que les bobines continuent de « poursuivre » le pôle du champ magnétique opposé. L'alimentation des bobines est fournie par des balais conducteurs fixes qui entrent en contact avec le collecteur rotatif ; la rotation du collecteur fait circuler le courant à travers les bobines dans le sens opposé. Le collecteur et les balais sont les composants clés qui distinguent les moteurs à courant continu à balais des autres moteurs.
La figure 1 illustre le principe général d'un moteur à courant continu à balais.
La figure 1 illustre le principe général d'un moteur à courant continu à balais.
Figure 1 : Fonctionnement d’un moteur à courant continu à balais.
Les balais fixes fournissent de l'énergie électrique au collecteur rotatif. Lorsque le collecteur tourne, il inverse continuellement le sens du courant circulant vers les bobines, inversant ainsi la polarité des bobines et les maintenant en rotation vers la droite. Le collecteur tourne car il est connecté à un rotor sur lequel les bobines sont montées.
Types de moteurs courants
Les moteurs diffèrent par leur type de puissance (AC ou DC) et leur méthode de génération de rotation (Figure 2). Ci-dessous, nous présentons brièvement les caractéristiques et les applications de chaque type.
Figure 2 : Différents types de moteurs
Les moteurs CC à balais sont de conception simple, faciles à contrôler et largement utilisés pour ouvrir et fermer les plateaux de disques. Dans les automobiles, ils sont couramment utilisés pour rétracter, étendre et positionner les vitres latérales électriques. Le faible coût de ces moteurs les rend adaptés à de nombreuses applications. Cependant, un inconvénient est que les balais et le collecteur ont tendance à s'user relativement rapidement en raison d'un contact continu, nécessitant un remplacement fréquent et un entretien régulier.
Les moteurs pas à pas sont entraînés par des impulsions ; pour chaque impulsion reçue, il tourne d'un angle spécifique (pas). Le processus de rotation étant entièrement contrôlé par le nombre d’impulsions reçues, ces moteurs sont largement utilisés pour le réglage de position. Ils sont souvent utilisés pour contrôler le processus d'alimentation en papier dans les télécopieurs et les imprimantes, car ces appareils alimentent le papier par étapes fixes et ces étapes sont facilement corrélées au nombre d'impulsions. Le contrôle de pause est également facile à mettre en œuvre, car la rotation du moteur s'arrête immédiatement lorsque le signal d'impulsion est interrompu.
Lors de l'utilisation de moteurs synchrones, la rotation est synchronisée avec la fréquence du courant d'alimentation. Ces moteurs sont couramment utilisés pour entraîner les plateaux rotatifs dans les fours à micro-ondes ; les réducteurs du bloc moteur fournissent la vitesse de rotation appropriée pour réchauffer les aliments. Moteurs à induction, la vitesse de rotation varie avec la fréquence, mais les mouvements sont asynchrones. Dans le passé, ces moteurs étaient couramment utilisés dans les ventilateurs électriques et les machines à laver.
Il existe différents types de moteurs couramment utilisés ; dans cette section, nous examinerons les avantages et les applications des moteurs à courant continu sans balais.
Pourquoi les moteurs BLDC tournent-ils ?
Comme leur nom l’indique, les moteurs à courant continu sans balais n’utilisent pas de balais. Dans les moteurs à balais, les balais transfèrent le courant aux bobines du rotor via un collecteur. Alors, comment un moteur sans balais transfère-t-il le courant aux bobines du rotor ? Aucune, car les bobines ne sont pas situées sur le rotor. Le rotor est un aimant permanent ; les bobines ne tournent pas mais sont fixées au stator. Comme les bobines ne bougent pas, les balais et le collecteur ne sont pas nécessaires. (Voir Figure 3) Dans les moteurs à balais, la rotation est obtenue en contrôlant le champ magnétique généré par les bobines du rotor, tandis que le champ magnétique généré par l'aimant fixe reste constant. Pour modifier la vitesse de rotation, la tension aux bornes des bobines doit être modifiée. Dans un moteur BLDC, l'aimant permanent tourne ; la rotation est obtenue en changeant la direction du champ électromagnétique généré par les bobines fixes environnantes. Pour contrôler la rotation, l’ampleur et la direction du courant circulant dans ces bobines doivent être ajustées.
Figure 3 : Moteur BLDC.
Le rotor étant un aimant permanent, il ne nécessite pas de courant, éliminant ainsi le besoin de balais et de collecteurs. Le courant vers les bobines fixes est contrôlé de l’extérieur.
Avantages des moteurs BLDC
Un moteur BLDC avec trois bobines sur le stator aura six fils (deux pour chaque bobine) partant de ces bobines. Dans la plupart des implémentations, trois de ces fils seront connectés en interne, les trois autres s'étendant du corps du moteur (contrairement aux deux fils du moteur à balais décrits précédemment). Le câblage à l’intérieur du boîtier d’un moteur BLDC est plus complexe que la simple connexion des bornes positives et négatives d’un bloc d’alimentation ; nous examinerons le fonctionnement de ces moteurs plus en détail dans la partie II de cette série. Ci-dessous, nous concluons en comprenant les avantages des moteurs BLDC.
Un avantage significatif est l’efficacité, car ces moteurs peuvent fonctionner en continu au couple maximum. En revanche, les moteurs à balais ne peuvent atteindre le couple maximum qu’à certains points de rotation. Pour fournir le même couple qu'un moteur sans balais, les moteurs à balais nécessitent des aimants plus gros. C'est pourquoi même les petits moteurs BLDC peuvent fournir une puissance considérable.
Le deuxième avantage majeur lié au premier est la contrôlabilité. Les moteurs BLDC peuvent être contrôlés via des mécanismes de rétroaction, fournissant avec précision le couple et la vitesse requis. Un contrôle précis réduit à son tour la consommation d’énergie et la génération de chaleur et, dans les cas où le moteur est alimenté par batterie, prolonge la durée de vie de la batterie.
Puisqu’il n’y a pas de balais, les moteurs BLDC offrent également une grande durabilité et une faible génération de bruit électrique. Avec les moteurs à balais, les balais et le collecteur s'usent en raison du contact en mouvement continu, générant des étincelles aux points de contact. Le bruit électrique, en particulier, résulte des fortes étincelles facilement générées lorsque les balais traversent l'espace du collecteur. C'est pourquoi les moteurs BLDC sont généralement considérés comme un meilleur choix dans les applications où le bruit électrique doit être évité.
Applications idéales des moteurs BLDC
Nous avons vu que les moteurs BLDC offrent un rendement et une contrôlabilité élevés, et qu'ils ont une longue durée de vie. Alors quelles sont leurs utilisations ? En raison de leur efficacité et de leur durée de vie, ils sont largement utilisés dans les équipements fonctionnant en continu. Ils sont utilisés depuis longtemps dans les machines à laver, les climatiseurs et autres appareils électroniques grand public ; plus récemment, ils sont également apparus dans les ventilateurs, où leur rendement élevé réduit considérablement la consommation électrique.
Ils sont également utilisés pour entraîner des machines à vide. Dans un cas, un changement dans le programme de commande a entraîné une augmentation spectaculaire de la vitesse, un exemple du haut niveau de contrôlabilité qu'offrent ces moteurs.
Les moteurs BLDC sont également utilisés pour piloter des disques durs ; leur durabilité permet aux variateurs de fonctionner de manière fiable pendant de longues périodes, tandis que leur efficacité énergétique contribue à réduire la consommation d'énergie dans un secteur de plus en plus important.
Vers des applications futures plus larges
Nous pouvons nous attendre à ce qu’à l’avenir, les moteurs BLDC soient largement utilisés dans une gamme d’applications plus large. Par exemple, ils peuvent être largement utilisés pour piloter des robots de service, de petits robots qui fournissent des services dans des secteurs autres que le secteur manufacturier. On pourrait penser que les moteurs pas à pas sont mieux adaptés à ce type d’application, car les impulsions peuvent être utilisées pour un contrôle de positionnement précis. Cependant, les moteurs BLDC sont mieux adaptés au contrôle de la force. À l’aide de moteurs pas à pas, le maintien de la position de structures telles que les bras de robots nécessite un courant relativement important et continu. Avec les moteurs BLDC, le courant requis est proportionnel à la force externe, ce qui permet un contrôle plus économe en énergie. Les moteurs BLDC peuvent également remplacer les simples moteurs à courant continu à balais dans les voiturettes de golf et les véhicules mobiles. En plus d'un rendement plus élevé, les moteurs BLDC offrent un contrôle plus précis, ce qui peut prolonger encore davantage la durée de vie de la batterie.
Les moteurs BLDC sont également idéaux pour les drones. Leur capacité à fournir un contrôle précis les rend particulièrement adaptés aux drones multi-rotors, permettant un contrôle précis de l'attitude du drone en contrôlant la vitesse de rotation de chaque rotor.
