Les moteurs sans balais sont une variété de moteurs électriques qui, contrairement aux moteurs à balais ou à charbon conventionnels, l'élimination du charbon dans les moteurs sans balais augmente l'efficacité et la longévité de ces moteurs par rapport aux moteurs à charbon conventionnels.
En raison des nombreux avantages des moteurs sans balais, nos nombreux outils utilisent des moteurs sans balais pour vous accompagner avec leur puissance unique dans toutes les situations.Une durée de vie plus longue, un poids léger et une production moindre de bruit font partie des caractéristiques qui distinguent ces moteurs des moteurs au charbon.
Les moteurs sont des machines de distribution de puissance
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.Les actionneurs et les moteurs font donc partie des dispositifs qui convertissent les signaux électriques en mouvement.Les moteurs échangent de l’énergie électrique en énergie mécanique.
Le type de moteur le plus simple est le moteur à courant continu à balais.Dans ce type de moteur, le courant électrique passe à travers des bobines disposées dans un champ magnétique fixe.Le courant génère des champs magnétiques dans les bobines ;cela provoque la rotation de l'ensemble de bobines, car chaque bobine est poussée loin du pôle similaire et tirée vers le pôle différent du champ fixe.Pour maintenir la rotation, il est nécessaire d'inverser continuellement le courant, de sorte que les polarités des bobines s'inversent continuellement, ce qui amène les bobines à continuer de « poursuivre » les pôles fixes différents.L'alimentation des bobines est fournie par des balais conducteurs fixes qui entrent en contact avec un collecteur rotatif ;c'est la rotation du collecteur qui provoque l'inversion du courant dans les bobines.Le collecteur et les balais sont les composants clés qui distinguent le moteur à courant continu à balais des autres types de moteurs.La figure 1 illustre le principe général du moteur à balais.
Figure 1 : Fonctionnement du moteur à courant continu à balais.
Les balais fixes fournissent de l'énergie électrique au collecteur rotatif.Lorsque le collecteur tourne, il inverse continuellement la direction du courant dans les bobines, inversant les polarités des bobines afin que les bobines maintiennent une rotation vers la droite.Le collecteur tourne car il est fixé au rotor sur lequel les bobines sont montées.
Les moteurs diffèrent selon leur type de puissance (AC ou DC) et leur méthode de génération de rotation (Figure 2).Ci-dessous, nous examinons brièvement les caractéristiques et les utilisations de chaque type.
Différents types de moteurs
Les moteurs CC à balais, dotés d'une conception simple et d'un contrôle facile, sont largement utilisés pour ouvrir et fermer les plateaux de disques.Dans les voitures, ils sont souvent utilisés pour rétracter, étendre et positionner les vitres latérales électriques.Le faible coût de ces moteurs les rend adaptés à de nombreuses utilisations.Un inconvénient, cependant, est que les balais et les collecteurs ont tendance à s'user relativement rapidement en raison de leur contact continu, ce qui nécessite un remplacement fréquent et un entretien périodique.
Un moteur pas à pas est entraîné par des impulsions ;il tourne d'un angle (pas) spécifique à chaque impulsion.La rotation étant contrôlée avec précision par le nombre d’impulsions reçues, ces moteurs sont largement utilisés pour mettre en œuvre des ajustements de position.Ils sont souvent utilisés, par exemple, pour contrôler l'alimentation en papier dans les télécopieurs et les imprimantes, car ces appareils alimentent le papier par étapes fixes, qui sont facilement corrélées au nombre d'impulsions.La pause peut également être facilement contrôlée, car la rotation du moteur s'arrête instantanément lorsque le signal d'impulsion est interrompu.
Avec les moteurs synchrones, la rotation est synchrone avec la fréquence du courant d'alimentation.Ces moteurs sont souvent utilisés pour entraîner les plateaux rotatifs dans les fours à micro-ondes ;des réducteurs dans le bloc moteur peuvent être utilisés pour obtenir les vitesses de rotation appropriées pour chauffer les aliments.Avec les moteurs à induction également, la vitesse de rotation varie avec la fréquence ;mais le mouvement n'est pas synchrone.Dans le passé, ces moteurs étaient souvent utilisés dans les ventilateurs électriques et les machines à laver.
Il existe différents types de moteurs couramment utilisés.Dans cette session, 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.Avec les moteurs à balais, les balais délivrent du courant à travers le collecteur dans les bobines du rotor.Alors, comment un moteur sans balais fait-il passer le courant vers les bobines du rotor ?Ce n'est pas le cas, car les bobines ne sont pas situées sur le rotor.Au lieu de cela, le rotor est un aimant permanent ;les bobines ne tournent pas, mais sont fixées sur le stator.Comme les bobines ne bougent pas, il n’y a pas besoin de balais ni de collecteur.(Voir la figure. 3.)
Avec le moteur à balais, la rotation est obtenue en contrôlant les champs magnétiques générés par les bobines du rotor, tandis que le champ magnétique généré par les aimants fixes reste fixe.Pour modifier la vitesse de rotation, vous modifiez la tension des bobines.Avec un moteur BLDC, c'est l'aimant permanent qui tourne ;la rotation est obtenue en changeant la direction des champs magnétiques générés par les bobines stationnaires environnantes.Pour contrôler la rotation, vous ajustez l’ampleur et la direction du courant dans ces bobines.
Le rotor étant un aimant permanent, il ne nécessite aucun courant, éliminant ainsi le besoin de balais et de collecteur.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 électriques (deux pour chaque bobine) partant de ces bobines.Dans la plupart des mises en œuvre, trois de ces fils seront connectés en interne, les trois fils restants s'étendant depuis le corps du moteur (contrairement aux deux fils s'étendant depuis le moteur à balais décrit précédemment).Le câblage dans le boîtier du moteur BLDC est plus compliqué que la simple connexion des bornes positives et négatives de la cellule de puissance ;nous examinerons de plus près le fonctionnement de ces moteurs lors de la deuxième séance de cette série.Ci-dessous, nous concluons en examinant les avantages des moteurs BLDC.
L’un des gros avantages est l’efficacité, car ces moteurs peuvent contrôler en continu la force de rotation (couple) maximale.En revanche, les moteurs à balais n’atteignent leur couple maximum qu’à certains points de la rotation.Pour qu’un moteur à balais fournisse le même couple qu’un modèle sans balai, il faudrait qu’il utilise des aimants plus gros.C'est pourquoi même les petits moteurs BLDC peuvent fournir une puissance considérable.
Le deuxième grand avantage, lié au premier, est la contrôlabilité.Les moteurs BLDC peuvent être contrôlés, à l'aide de mécanismes de rétroaction, pour fournir avec précision le couple et la vitesse de rotation souhaités.Un contrôle de précision réduit à son tour la consommation d'énergie et la génération de chaleur et, dans les cas où les moteurs sont alimentés par batterie, prolonge la durée de vie de la batterie.
Les moteurs BLDC offrent également une grande durabilité et une faible génération de bruit électrique, grâce à l’absence de balais.Avec les moteurs à balais, les balais et le collecteur s'usent en raison d'un contact en mouvement continu et produisent également des étincelles aux endroits où le contact est établi.Le bruit électrique, en particulier, est le résultat des fortes étincelles qui ont tendance à se produire dans les zones où les balais passent au-dessus des interstices du collecteur.C'est pourquoi les moteurs BLDC sont souvent considérés comme préférables dans les applications où il est important d'éviter le bruit électrique.
Applications idéales pour les moteurs BLDC
Nous avons constaté que les moteurs BLDC offrent un rendement et une contrôlabilité élevés, ainsi qu'une longue durée de vie.Alors à quoi servent-ils ?En raison de leur efficacité et de leur longévité, ils sont largement utilisés dans les appareils fonctionnant en continu.Ils sont utilisés depuis longtemps dans les machines à laver, les climatiseurs et autres appareils électroniques grand public ;et plus récemment, ils font leur apparition dans les ventilateurs, où leur haut rendement a contribué à une réduction significative de la consommation électrique.
Ils sont également utilisés pour entraîner des machines à vide.Dans un cas, une modification du programme de commande a entraîné une augmentation importante de la vitesse de rotation, un exemple de la contrôlabilité exceptionnelle offerte par ces moteurs.
Les moteurs BLDC sont également utilisés pour faire tourner les disques durs, où leur durabilité permet aux disques de fonctionner de manière fiable sur le long terme, tandis que leur efficacité énergétique contribue à la réduction d'énergie dans un domaine où cela devient de plus en plus important.
Vers une utilisation plus large à l’avenir
Nous pouvons nous attendre à voir les moteurs BLDC utilisés dans une gamme plus large d’applications à l’avenir.Par exemple, ils seront probablement largement utilisés pour piloter des robots de service, de petits robots qui fournissent des services dans des domaines autres que l’industrie.On pourrait penser que les moteurs pas à pas seraient plus adaptés à ce type d’application, où des impulsions pourraient être utilisées pour contrôler précisément le positionnement.Mais les moteurs BLDC sont mieux adaptés au contrôle de la force.Et avec un moteur pas à pas, maintenir la position d’une structure telle qu’un bras de robot nécessiterait un courant relativement important et continu.Avec un moteur BLDC, tout ce qui serait nécessaire est un courant proportionnel à la force externe, ce qui permettrait 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 voiturettes de mobilité.En plus de leur meilleure efficacité, les moteurs BLDC peuvent également fournir un contrôle plus précis, ce qui peut prolonger 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 multirotor, où l'attitude du drone est contrôlée en contrôlant avec précision la vitesse de rotation de chaque rotor.
Au cours de cette session, nous avons vu comment les moteurs BLDC offrent une excellente efficacité, contrôlabilité et longévité.Mais un contrôle minutieux et approprié est essentiel pour tirer pleinement parti du potentiel de ces moteurs.Lors de notre prochaine session, nous examinerons le fonctionnement de ces moteurs.
Heure de publication : 21 août 2023