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Moteurs brushless : La technique
I - Le moteur brushless : Introduction
Le défaut principal des moteurs à courant continu est la présence des balais, qui engendrent des frottements, des parasites, et limitent la durée de vie du moteur par leur usure. Pour éviter tous ces problèmes on utilise des moteurs brushless, ou moteurs sans balais.
Composition du moteur brushless :
Un moteur brushless comporte les mêmes éléments qu’un moteur à courant continu, excepté le collecteur, mais l’emplacement des bobines et des aimants permanents sont inversés. Le rotor est composé d’un ou plusieurs aimants permanents, et le stator de plusieurs bobinages.
Fonctionnement du moteur brushless simple:
Les bobines sont alimentées de façon séquentielle. Cela crée un champ magnétique tournant à la même fréquence que les tensions d’alimentation. L’aimant permanent du rotor cherche à chaque instant à s’orienter dans le sens du champ. Pour que le moteur brushless tourne les tensions d’alimentation doivent être adaptées continuellement pour que le champ reste en avance sur la position du rotor, et ainsi créer un couple moteur. L’animation ci contre montre le fonctionnement :
II - Commande des moteurs brushless
Dans un moteur à courant continu avec balais, l’ensemble collecteur-balais assure mécaniquement la commutation dans l’alimentation des bobines en fonction de l’angle du rotor. Dans un moteur brushless cet élément n’existe plus, il faut donc créer cette commutation électroniquement.
Moteur brushless en régime établi :
Le moteur brushless est un moteur synchrone, c'est-à-dire qu’il tourne à la même vitesse que le système de tensions qui l’alimente. Tant que le couple moteur est supérieur à la charge à entraîner, la rotation du rotor est synchronisée avec le champ magnétique. Si le couple résistant devient supérieur au couple moteur, et que la tension d’alimentation n’est pas ajustée en conséquence, il y a un risque de décrochage, c'est-à-dire que le rotor risque de ne plus suivre le champ magnétique. A partir de ce moment là, le rotor va se mettre à osciller, sans pouvoir se resynchroniser avec le champ magnétique, ce qui peut provoquer sa destruction. Pour éviter cela, le système d’asservissement doit être en mesure de réagir si le couple résistant augmente, et ajuster la tension d’alimentation en conséquence.
Démarrage d’un moteur brushless :
Le même problème se pose pour le démarrage du moteur brushless, car le rotor ne peut pas atteindre instantanément la vitesse de rotation du champ. Le système de contrôle électronique doit donc assurer un démarrage progressif, l’objectif étant toujours de reproduire la fonction du collecteur. La fréquence des tensions d’alimentations sera donc très basse au départ, puis augmentée progressivement en tenant compte de la réaction du moteur.
Principe de commutation des moteurs brushless :
Moteurs brushless à Capteurs à effet hall :
Dans ce type de moteur brushless, des capteurs à effet hall (3 en général) sont utilisés pour connaitre à tout moment la position du rotor, et adapter en conséquence l’alimentation des bobines et le champ magnétique. Le capteur va détecter le passage d’un pôle magnétique, et à partir cette information le circuit de commande électronique assurera la commutation des bobines. L’utilisation de capteurs à effet hall dans les moteurs brushless permet une excellente régulation, cependant l’ajout de ces composants, et le fait qu’il faille les placer très près du rotor entraîne un surcoût et un risque de panne supplémentaire. Cette solution est la plus employée dans les moteurs brushless utilisée en industrie.
Moteurs brushless à régulation basée sur la fcem :
Pour éviter l’utilisation de capteurs à effet hall, certains circuits de commande de moteurs brushless utilisent les bobines non alimentées à un instant donné pour mesurer la force contre électromotrice et en déduire le moment pour déclencher la commutation. Cette solution permet d’éviter l’emploi de capteurs à effet hall, et donc de réduire le prix du moteur brushless. Par contre, au démarrage, la fcem est trop faible pour être utilisable. Il faut donc utiliser un autre mode de commande pour le démarrage des moteurs brushless sans capteurs. Généralement, ils sont démarrés comme des moteurs pas à pas, en commutant les phases à une fréquence croissante prédéfinie, suffisamment lentement pour que le moteur brushless ne décroche pas. Le couple dans cette phase est très mauvais. La mise au point de ce système de commande est très difficile, requiert une puissance de calcul importante et nécessite des solutions de filtrage pour distinguer la fcem des parasites engendrés par le moteur. Cette technique est principalement employée dans les petits moteurs brushless, en particulier en modélisme.
Régulation de vitesse d’un moteur brushless
Globalement, la vitesse maximale d’un moteur brushless est liée à sa tension d’alimentation, ou du rapport cyclique dans le cas d’une commande en PWM, par un coefficient appelé Kv. La valeur de ce coefficient dépend de la construction du moteur (nombre de bobines, de pôles, d’encoches, type de fil pour les bobines, …). Contrairement à un moteur synchrone triphasé ou on ajuste la fréquence pour obtenir la vitesse souhaitée, ici c’est la vitesse du moteur brushless qui va indiquer au contrôleur à quelle fréquence il doit assurer la commutation.
Normal">Pour réguler la vitesse d’un moteur brushless il faut donc faire varier la tension d’alimentation de chaque bobinage, tout en maintenant une fréquence de commutation adaptée à la fréquence de rotation mesurée du moteur. En pratique, les contrôleurs de moteurs brushless les plus performants peuvent intégrer les deux fonctions : commutation des bobines en fonction des données des capteurs à effet hall, et régulation de la vitesse en PWM sur l’alimentation de chaque bobine.
III - Les différents types de moteurs brushless
Selon les applications, il existe une grande variété de moteurs brushless avec des caractéristiques de couples, vitesses, inertie différentes en fonction de leurs constitutions.
Rotor et stator d'un moteur brushless outrunner Moteurs brushless outrunner :
On appelle « outrunner » les moteurs brushless dont le rotor est autour du stator. Cette configuration est intéressante en termes de couple moteur, car les aimants sont disposés sur un diamètre important, ce qui crée un bras de levier très intéressant. De plus, cette disposition permet de placer facilement plusieurs séries d’aimants (jusqu’à 32 pôles sur certains moteurs brushless outrunners) et de bobines. Les bobines sont toujours câblées par groupes de 3, et les aimants sont soit collés par groupes de 2, soit constitués d’une partie magnétique comprenant plusieurs pôles. Comme pour un moteur pas à pas, les moteurs brushless outrunners comprenant plus de 3 bobines et 2 pôles ne font qu’une fraction de tour lorsque le champ a tourné de 180°. Leur fréquence de rotation est donc plus faible mais le couple très élevé. Ces moteurs brushless outrunners sont souvent utilisés dans des applications qui nécessitent un fort couple, car ils peuvent être reliés à la charge sans nécessiter de dispositif de réduction Leur coefficient Kv est relativement faible par rapport aux autres types de moteurs brushless. Les principales applications des moteurs brushless outrunners sont les suivantes : ventilateurs, moteurs de disques durs, Cd-rom, moteurs de vélos électriques (intégrés dans me moyeu), bateaux ou avions radio commandés…
Moteurs brushless inrunner Moteurs brushless inrunner
Contrairement au type précédent, les moteurs brushless inrunners ont le rotor à l’intérieur du stator. Ils n’ont généralement qu’une seule paire de pôles sur le rotor, et 3 bobines au stator. L’inertie du rotor est beaucoup plus faible que pour un moteur outrunner, et les vitesses atteintes par ce type de moteur sont beaucoup plus élevées (Kv jusqu’à 7700tr/min/V). La gestion électronique de la commutation est par contre plus simple car le rotor tourne à la même fréquence que le champ magnétique. Le couple des moteurs brushless inrunners est plus faible que pour un outrunner car les aimants sont sur un diamètre plus petit à taille de moteur égale. Ce type de moteur brushless est très utilisé dans l’industrie car il se rapproche beaucoup d’un moteur à courant continu à balais et collecteur.
Moteurs brushless disques
Le rotor et le stator peuvent également être constitués de deux disques faces à face, avec les rayons et les bobines répartis selon les rayons de ces deux disques. Ce type de moteur brushless est peu employé car l’action des bobines sur les aimants crée un effort axial important qui nécessite des butées à billes conséquentes, sans offrir de différences notables au niveau des performances par rapport à un moteur brushless outrunner.
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