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Technologie Brushless (BDLC)

Notions techniques

Le moteur courant continu et le moteur brushless utilisés comme transformateur d’énergie

Transformateur d’énergie

La puissance électrique (courant/tension) est convertie en puissance mécanique (vitesse/couple) par le moteur électrique. Les pertes liées à cette transformation sont des pertes dues au frottement (mécanique) et à la dissipation de chaleur (pertes effet joule) dans le bobinage. Concernant les moteurs brushless, les pertes effet joule sont confondues avec les pertes de frottement.

 

Constantes électromécaniques du moteur

La conversion de la puissance électrique en puissance mécanique est déterminée par la géométrie des circuits magnétiques et des bobines. Les deux constantes qui caractérisent cette transformation sont les constantes de vitesse (kn) et de couple (kM).

vitesse = kn (constante de vitesse) x Uind (tension induite)

couple = kM (constante de couple) x I (courant)

La courbe de vitesse du moteur courant continu et du brushless

La courbe de vitesse

La courbe de vitesse du moteur montre le comportement mécanique de celui-ci à tension constante :
— alors que le couple augmente, la vitesse diminue de manière linéaire.
— Plus le moteur tourne rapidement, plus le couple fourni diminue.
Cette courbe de vitesse, caractérisée par sa pente, peut être tracée grâce à la valeur de la vitesse à vide (w0) et au couple de démarrage (Cp) ; ces deux valeurs étant proportionnelles à la tension.

La courbe de courant du moteur courant continu et du brushless

La courbe de courant

Plus la quantité de courant dans le moteur est élevée, plus le moteur produit de couples. Les deux valeurs caractéristiques de cette courbe sont le courant à vide (I0) qui correspond au couple de frottement MR interne et le courant de démarrage (Ip).
Le couple de frottement MR interne est généré par les paliers et le système de commutation.

Concernant les moteurs brushless, les pertes fer dans les tôles statoriques dépendent de la vitesse. Elles remplacent les pertes par frottement.

Au démarrage, le moteur développe le couple maximum largement supérieur au couple normal en service permanent.

La courbe de rendement du moteur courant continu et du brushless

La courbe de rendement

La relation entre la puissance mécanique produite et la puissance électrique fournie détermine le rendement. Pour une tension constante, le rendement est proportionnel de façon linéaire à la vitesse. Les pertes liées au frottement dominent lorsque le couple est faible. Le rendement se rapproche alors de la valeur zéro. La tension détermine le rendement maximal qui peut se calculer grâce aux valeurs du courant de démarrage et du courant à vide. En effet, il est placé à environ 1/7ème du couple de démarrage. Pour une valeur de couple, le rendement maximum et la puissance maximale sont différents.

Le point de fonctionnement nominal du moteur courant continu et du brushless

Le point de fonctionnement

C’est le point idéal de fonctionnement du moteur. Il résulte de l’activité à la tension nominale et du courant nominal. A ce point de fonctionnement, l’égalité du couple et du courant donne le couple nominal MN produit. C’est aussi à ce point que la vitesse nominale nN est gagnée en correspondance avec la courbe de vitesse.
La vitesse à vide maximale permet de choisir la tension nominale.

*Le courant nominal provient du courant permanent thermique maximal pouvant être admis par le moteur.

La plage de fonctionnement permanent

La plage de fonctionnement est caractérisée par le couple permanent maximal et la vitesse limite.
Les points placés dans cette zone n’engendrent pas de difficultés thermiques ou d’usure trop forte du système de commutation.

Le fonctionnement intermittent

Le fonctionnement intermittent

Le moteur courant continu ou brushless doit être utilisé de façon permanente avec le courant permanent maximal. Cette condition est liée à des contraintes thermiques.
Il est toutefois possible d’utiliser des courants plus élevés durant quelques instants si la température reste en dessous de la valeur critique. Le bobinage n’est alors pas endommagé.
La durée possible de surcharge peut être calculée de façon précise grâce au courant du moteur et à la température de démarrage du rotor.

Le courant permanent max. et le couple permanent max.

Le courant permanent max. et le couple permanent max.

Lorsque le bobinage est échauffé, une chaleur est produite par la perte par effet Joule. Elle doit pouvoir se disperser et la température du rotor ne doit pas dépasser la température maximale admissible. Est alors défini le courant permanent max. Icont, pour lequel, dans les conditions standards*, on accède à la température maximale du bobinage.

*Conditions standards : température ambiante à 25°C, pas de perte de chaleur au niveau des flasques et mouvement libre de l’air.

Le courant nominal est défini pour correspondre à ce courant permanent maximal acceptable. Il dépend considérablement du bobinage car plus le fil est fin, moins le courant maximum est supporté.
Concernant les moteurs à balais graphite, les pertes dues au frottement croissent proportionnellement à la vitesse. Concernant les moteurs brushless, une chaleur s’ajoute due aux pertes par courants de Foucault ; ceux-ci augmentent avec la vitesse. Inversement, le courant permanent maximal supportable baisse avec la vitesse.
Dans une série de bobinages d’une catégorie de moteur, le couple nominal lié au courant nominal est quasi constant. Il symbolise une taille caractéristique de cette catégorie de moteur.

 

La vitesse maximale du moteur courant continu et du brushless

Le système de commutation influence la vitesse maximale.
Lorsque la vitesse est élevée,
— une usure mécanique est précipitée par la distance parcourue par le collecteur
— l’électroérosion est accentuée par les oscillations des balais et la formation d’étincelles
Le collecteur et les balais éprouvent alors une forte usure.

La vitesse diminue la durée de vie des paliers car il n’y a pas d’équilibrage du rotor. C’est pourquoi il faut également la limiter. Une vitesse supérieure à la vitesse limite nmax est possible cependant elle réduit par conséquent la durée de vie.

La durée de vie des roulements à billes, le manque d’équilibrage et la charge max supportée sont les caractéristiques qui permettent de calculer la vitesse maximale limite d’un moteur brushless.

 

La température maximale du rotor

La résistance du courant du moteur provoque un échauffement du bobinage.
La chaleur produite doit être dispersée par le stator pour éviter la surchauffe du moteur.
L’élément thermique décisif est la bobine auto-portante.
La température maximale du rotor ne doit jamais être franchie.
Elle peut aller jusqu’à 125°C voire 155°C pour les moteurs à balais graphite
En revanche, pour les moteurs à commutation en métaux précieux qui supportent des courants plus faibles, cette température du rotor ne peut pas dépasser 85°C.

Un mouvement juste de l’air ou l’usage de tôles de refroidissement donnent la possibilité de réduire finement les températures.

 

Le comportement thermique du moteur courant continu et du brushless

Constante de temps thermique

La chaleur dans le bobinage du moteur est provoquée par les pertes par effet Joule.
Elle doit être dispersée par la surface du bobinage et ensuite la surface du moteur.
L’augmentation de la température du bobinage (TW) par rapport à la température ambiante (TU) est symbolisée par les pertes effet Joule (PJ) et les résistances thermiques Rth1 et Rth2.

Le transfert de chaleur entre le bobinage et le stator est exposé avec la résistance thermique Rth1. Rth2, elle, exprime le transfert de chaleur entre le boitier et l’environnement.
Le fait de monter le moteur sur un châssis permet de réduire considérablement la résistance thermique Rth2 car il absorbe la chaleur.

Des séries d’essai en laboratoire ont permis d’obtenir les valeurs caractéristiques du moteur comme celles des résistances thermiques et du courant permanent max. Durant ces tests, le moteur était assemblé sur une plaque plastique verticale.
Pour une application précise, la résistance Rth2 doit être définie dans des conditions réelles.

Influence de la température

La résistance du bobinage et les caractéristiques magnétiques du moteur évoluent avec l’augmentation de la température. En effet, la résistance du bobinage croit de façon linéaire avec le coefficient de résistance thermique du cuivre selon la loi :
Rq = (1+ k . (q- qo)) . Rqo avec k = 0.00392 K-1

La principale conséquence de cette croissance de température du moteur est que la raideur de la pente de la courbe de vitesse devient plus importante et que la valeur du couple de démarrage réduit.

La répartition de la chaleur s’effectue différemment entre le bobinage et le stator. En effet, leurs masses sont inégales.
C’est le bobinage qui s’échauffe d’abord dès que le courant est enclenché avec une constante de temps allant de quelques secondes à une demi-minute.

Echauffement moteur

Le stator, lui, réagit de manière plus lente avec une constante de temps de 1 à 30 minutes en fonction de la taille du moteur.
L’équilibre thermique s’installe enfin et l’écart de température entre le bobinage et la température ambiante est en service permanent en fonction du courant I.
Il est possible que le fonctionnement du moteur soit cyclique en fonction de la valeur effective du courant IRMS.

 

Les caractéristiques dynamiques du moteur courant continu et du brushless

Deux procédures de démarrage existent :
— Le démarrage à courant constant où le courant est limité
— Le démarrage à tension constante qui n’a pas de limitation de courant
Le choix de procédure de démarrage dépend des conditions électriques : alimentation électrique, asservissement, batterie.

 

Le démarrage à courant constant

Le démarrage à courant constant

Le démarrage à courant constant signifie que le courant est limité. Par conséquent, le moteur ne peut fournir qu’un couple limité lui aussi.
Dans la mesure où le couple reste constant, la vitesse croit régulièrement (cf. diagramme vitesse/couple). L’accélération est donc constante.
Cette configuration est généralement rencontrée dans les applications avec servo-amplificateur, car le courant de point de l’amplificateur limite le couple d’accélération.

 

Le démarrage à tension constante

Le démarrage à tension constante

Le démarrage à tension constante signifie que le courant n’est pas limité. La vitesse augmente à partir du couple de démarrage et suit la courbe caractéristique du moteur.
Au démarrage, l’accélération est la plus forte et le couple le plus élevé. Cette accélération réduit de manière exponentielle lorsque le moteur prend de la vitesse (constante de temps mécanique tm) Après ce temps tm, 63% de la vitesse à vide du rotor sont atteints ; les 100% étant atteints après presque 3 fois la constante de temps mécanique.

 

La constante de temps électrique

La constante de temps électrique

Lors d’un changement de tension brutal (de 0 à U par exemple), le courant ne s’installe pas immédiatement à la valeur U/R. En effet, le self des bobinages freinent l’installation du courant. Le temps nécessaire à l’installation des 63% de la valeur finale du courant est appelé constante de temps Électrique te.

te = L / R
L self propre du moteur en H
R résistance propre du moteur en W

 

La constante de temps mécanique

La constante de temps mécanique

Lors d’un changement brutal (de 0 à u par exemple), la vitesse n’atteint pas tout de suite sa valeur nominale. En effet, l’accélération est freinée par l’inertie du moteur et sa charge engendrant un délai avant d’atteindre un régime d’équilibre. Le temps nécessaire pour atteindre les 63% de la vitesse finale est appelée constante de Temps mécanique tm.

tm = J / km2
J inertie moteur exprimée en Kg.m2
km constante moteur
tm exprimée en s