Moteurs BLDC
(1)Les moteurs électriques, y compris les moteurs BLDC (en anglais Brushless Direct-Current Motor), de plus en plus populaire, également connu sous le nom de moteurs brushless ou de moteurs synchrones à courant continu (en anglais Direct Current), sont des dispositifs utilisés pour convertir l’énergie électrique en énergie mécanique, le plus souvent sous la forme du mouvement de rotation. Les moteurs BLDC est l’un des nombreux groupes de moteurs électriques qui, grâce à ses avantages incontestables, est de plus en plus utilisé dans beaucoup d’appareils y compris les composants informatiques, tels que les lecteurs optiques et les ventilateurs de refroidissement, des outils électriques manuels, des jouets et des véhicules télécommandés, par exemple des drones, des appareils électroménagers, aux machines et dispositifs de transport et de déplacement, y compris les scooters, les vélos et les voitures électriques.
Construction de moteurs BLDC
Les moteurs Brushless, par rapport aux moteurs à collecteur, ont une construction différente. La plus grande différence entre les deux types de variateurs consiste en l’absence de commutateur commutant les enroulements de rotor successifs dans les moteurs BLDC. Il y a dans ce cas la commutation électronique – un contrôleur spécial adapté pour fonctionner avec les moteurs BLDC gère et commute l’alimentation sur les enroulements successifs du stator de manière à générer un mouvement de rotation régulier du champ électromagnétique, suivi d’un rotor sur lequel sont placés des aimants permanents (souvent sous la forme de puissants aimants en néodyme). La commutation des enroulements successifs se fait au moyen d’éléments semi-conducteurs comme des transistors. Si le vecteur du champ électromagnétique produit par l’enroulement se déplace angulairement par rapport au vecteur du champ magnétique produit par les aimants du rotor, un couple apparaît qui fait bouger le rotor.
Les moteurs triphasés peuvent avoir des enroulements connectés en triangle où la fin de chaque enroulement est connectée au début d’en autre enroulement, et l’alimentation est fournie à chacun des trois points ainsi créés. Les enroulements peuvent également être connectés en étoile où l’une des extrémités des enroulements est connectée en un point central commun et l’alimentation est fournie aux extrémités libres de chacun d’eux. Le système de connexion en triangle permet d’obtenir le couple à basse vitesse réduit, mais a une vitesse maximale plus élevée que la connexion en étoile. En pratique, la connexion en étoile est la plus courante dans le cas des moteurs BLDC, car elle est plus efficace dans les applications typiques.
Les moteurs sans balais sont disponibles en trois variantes, dans lesquelles le rotor est entouré par le stator (en ang. inrunners), le stator est entouré par le rotor (outrunners) ou bien le rotor et le stator sont plats et axiaux (en ang. axial). Dans tous les cas, c’est le rotor à aimant permanent qui se déplace par rapport à la partie fixe avec des enroulements. Généralement, les moteurs BLDC avec le rotor entourant le stator (dits outrunners) ont des valeurs de couple plus élevées à basse vitesse de rotation. Comme le stator est fixe et constitue une partie intégrale du boîtier, le refroidissement peut se faire principalement par conduction, et aucune circulation d’air forcée supplémentaire n’est nécessaire pour refroidir le moteur. La puissance maximale d’un moteur brushless n’est en pratique limitée que par la quantité de chaleur dégagée, dont l’excès peut entraîner la combustion de l’isolant de l’enroulement et sa destruction conséquente.
Commande de moteur sans balais
Très souvent le système de contrôle de moteur BLDC prend la forme de contrôle de rétroaction. Un capteur électronique, le plus souvent sous la forme d’un capteur à effet Hall, vérifie la position angulaire actuelle du rotor, grâce à laquelle le contrôleur reçoit des informations sur la façon de commuter les enroulements successifs pour obtenir la rotation la plus douce et la plus stable de l’arbre. Le réglage par le contrôleur de la phase (en fait la fréquence de commutation des enroulements du stator) et de l’amplitude des impulsions continues permettent de contrôler la vitesse de rotation et le couple qui apparaît sur l’arbre. Il y a également des solutions sans capteurs de position angulaire du rotor. Le signal « Back EMF » (ang. Back Electromotive Force) est alors utilisé qui est généré par des aimants en rotation (champ magnétique) fixés au rotor. La tension induite sur chacune des bobines est comparée à la tension centrale au point de connexion des trois enroulements (dans le cas où ils sont connectés en étoile). Ces signaux sont amplifiés et envoyés au système de détection de position du rotor, et leurs formes d’onde sont décalées les unes par rapport aux autres de 120°. Le problème lors de l’utilisation d’une telle solution réside dans l’instant de démarrage, c’est-à-dire le démarrage du moteur, car ces signaux ne sont pas encore générés et la position du rotor est inconnue.
Il faut savoir que les moteurs BLDC peuvent avoir un nombre de phases différent. Il existe des moteurs BLDC monophasés, biphasés et triphasés. Plus le nombre de phases est élevé, plus la puissance et l’efficacité du moteur sont grandes, ainsi que plus son fonctionnement est silencieux, ce qui est le résultat d’une commutation plus douce des enroulements, ce qui provoque moins de vibrations de la structure.
Avantages des moteurs BLDC
La commutation électronique dans les moteurs BLDC, ce qu’on appelle ECM (Electronicly Commutative Motors) et donc l’absence de collecteur et de balais de charbon glissant dessus, apporte de nombreux avantages. C’est principalement le manque d’étincelles, qui est un problème courant dans les moteurs à collecteur, ils peuvent donc être utilisés dans des zones où il peut y avoir un risque d’incendie ou d’explosion. Il n’y a pas non plus de perte d’énergie car il n’y a pas de frottement entre les balais en carbone et le collecteur, ce qui peut en plus conduire à un mauvais fonctionnement de la microélectronique à proximité en raison du bruit électronique qui en résulte. La durabilité d’un moteur BLDC est déterminée presque uniquement par la durabilité et la fiabilité des roulements utilisés dans sa construction. L’absence de balais et de collecteur signifie également moins de poids des moteurs BLDC, leur rendement plus élevé (par rapport aux moteurs électriques à courant continu traditionnels) et un fonctionnement silencieux. Ils peuvent également atteindre des vitesses de rotation élevées, mais vous pouvez facilement leur définir des limites sur ce paramètre et les contrôler également à des vitesses de rotation faibles.
En choisissant un moteur BLDC, il est nécessaire de faire l’attention à la tension d’alimentation pour laquelle il est conçu. Cela résultera généralement des paramètres de l’alimentation qui sera utilisée avec le contrôleur pour faire fonctionner le moteur donné. Le diamètre de l’arbre et la configuration de la roue peuvent également être pris en compte.
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