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Technologie Brushless (BDLC)

Constitution du moteur brushless

 

  1. 1 Flasque
  2. 2 Carcasse
  3. 3 Tôles statoriques
  4. 4 Bobinage
  5. 5 Aimant Permanent (rotor)
  6. 6 Arbre
  7. 7 Disques d’équilibrage
  8. 8 Capteur à effet hall
  9. 9 Aimants de commande
  10. 10 Roulements préchargés
  11. 11 Précontrainte

Le moteur brushless est composé

- D’un stator :
C’est un empilement de tôles statoriques qui évitent l’établissement d’un courant de Foucault dans le corps du moteur. Elles sont associées au bobinage du moteur triphasé connecté en étoile ou en triangle.

- D'un rotor :
Le rotor est constitué de l’axe moteur, de l’aimant à 1 ou plusieurs paires de pôles et de disques d’équilibrages.
Les aimants du rotor du moteur à commutation électronique EC sont en ferrite, en samarium cobalt (SmCo5, Sm2Co17) et Néodyme ferbore NdFeB.
Le rotor peut être soit à aimants déposés, soit à concentration de flux ; cette seconde conception étant réalisée avec un volume d’aimants plus faible.

- Les paliers :
Ils sont le seul lien mécanique entre le stator et le rotor. La durée de vie de l’ensemble en dépend. Ces roulements à billes pré chargées permettent d’obtenir une longue durée de vie. Cette durée de vie est également proportionnelle à la vitesse maximale, au déséquilibre résiduel et à la charge appliquée aux paliers créés pour fonctionner des dizaines de milliers d’heures..

Les moteurs brushless sont des moteurs courant continu de haute qualité.
Le rotor est fixe et l’aimant permanent tourne dans le champ généré par le bobinage triphasé.

- Les capteurs à effet hall :
Ils permettent à l’électronique d’assurer la commutation des phases du moteur. Le recopiage de la position du rotor peut se faire soit par l’intermédiaire de 3 capteurs magnétiques placés dans le moteur, soit grâce à un résolveur embarqué sur le moteur.

La 1ère solution est une solution économique et convenable pour une régulation simple. La seconde permet de parvenir à une régulation exacte, particulièrement pour le positionnement.

- Une carte électronique :
Elle est utilisée pour piloter le moteur brushless. C’est elle qui définit la direction et la force du champ en fonction de l’information donnée par le capteur effet hall.

Configuration du bobinage

Le bobinage du moteur brushless
  Le bobinage du moteur brushless

Le moteur est constitué de 3 bobines, déphasées de 120°, couplées en étoile ou en triangle. Les couplages permettent de privilégier soit la vitesse soit le couple avec un facteur √3.

Les constantes de vitesse et de couple doivent correspondre aux résultats attendus :
Pour une impédance forte, le couplage en étoile avec les bobines en série est recommandé.
Pour une impédance faible, le couplage en triangle avec les bobines en parallèle est préférable.

On obtient la même puissance avec :
Pour couplage étoile : plus de tension pour moins de courant.
Pour couplage triangle : moins de tension pour plus de courant.

Les familles de Brushless

Les moteurs Brushless à rotor interne avec encoches (slots)

Le rotor interne est un aimant permanent en forme de cylindre. Bien que traditionnellement avec 2 pôles, il existe également avec davantage de pôles (multipolaires). Il existe en effet des moteurs brushless à rotor interne multi-pôles ayant plusieurs aimants fixés en périphérie de cylindre.

Le stator externe est composé de 3 bobines déphasées de 120° en forme d’étoile ou de triangle. Il est alimenté par impulsions électriques avec une commutation par circuit électronique.

La qualité des paliers ou des roulements à billes peut jouer dans la robustesse, la fiabilité et la vitesse (jusqu’à 30 000 rpm) de ce type de moteurs.

La commutation des impulsions administrées à chaque phase est assurée par un variateur de vitesse triphasé ; Le « timing » de ces impulsions devant être finement défini.

Au départ, la position du rotor ne correspond pas au synchronisme. Une fois lancé, le moteur brushless à rotor interne avec encoches se comporte comme un moteur pas à pas.

 

Les moteurs Brushless à rotor interne sans encoches (slots)

Ils se rapprochent des moteurs brushless à rotor interne avec encoches mais avec un bobinage en forme de cloche collé à l’intérieur du rotor.

 

Les moteurs Brushless à rotor externe

Le rotor des moteurs bldc à rotor externe a la forme d’une cloche. Contenant des aimants, il tourne autour du stator.

Le rotor externe est un aimant permanent en forme d’anneau. Il est multipolaire.

Le stator interne est composé de bobines triphasées en forme d’étoile ou de triangle avec en général 3 connexions.

Quelques moteurs brushless à rotor externe existent avec des capteurs à effet hall intégrés.

Ce type de moteur doit être monté à l’abri mécanique d’un fuselage. En revanche, cette « cloche » peut être considérée comme « arbre de sortie » si elle est étroite.

Ces moteurs sont souvent plats c’est-à-dire courts et de fort diamètre. Ils sont recherchés pour leur faible encombrement et pour leur fort couple plus que pour des vitesses élevées.

La commutation électrique

Les 3 phases offrent 6 options dans la distribution du courant

Les 3 phases offrent 6 options dans la distribution du courant

 

La commutation en bloc avec capteurs effet hall

Commutation en bloc
  Commutation en bloc

3 capteurs à effet hall fixés au rotor montrent la position de l’aimant par rapport au bobinage. Ils donnent 6 options de coupure différentes par séquence de commutation. Les 3 phases sont traversées par le courant durant 6 phases distinctes en fonction des informations fournies par les capteurs.

La commutation par bloc présente de nombreux avantages comme un démarrage maitrisé avec un fort couple, une électronique simple et peu coûteuse ainsi qu’un fort couple d’accélération.

 

La commutation sans capteur

Commutation sans capteur
  Commutation sans capteur

Le moteur démarre avec une séquence de commutation prédéfinie selon une rampe d’accélération. Ensuite, la tension induite définit la position du rotor. Son passage à 0 est reconnu par l’électronique qui commute le courant du moteur.
L’amplitude de cette tension est fonction de la vitesse.

Cette valeur est trop faible pour le passage à 0 ne peut être reconnu pour des vitesses faibles ou l’arrêt.

Ce point de passage à 0 est comparé avec le neutre. Pour que le moteur brushless en « triangle » puisse être commuté sans capteurs, un point neutre virtuel est créé par l’électronique dans un schéma en étoile.

La commutation sans capteurs est adaptée pour les applications d’entrainement continu.

Commutation sinusoïdale
  Commutation sinusoïdale

 

La commutation sinusoïdale ou vectorielle de flux

La commutation sinusoïdale est permise avec un codeur à résolution suffisante : 500 pts/tour/paire de pôles. Elle augmente la constante couple et entraine ainsi des mouvements de régulation plus doux.