Moteurs avec ou sans balais: fonctionnement, construction et applications

Les moteurs électriques font désormais partie intégrante de nos vies. On les trouve dans toutes sortes d'appareils, des voitures électriques aux drones, en passant par les robots et autres appareils électroniques. En termes généraux, un moteur électrique est un appareil qui convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. Ils sont généralement appelés l'exact opposé des générateurs car ils fonctionnent selon des principes similaires et peuvent théoriquement être convertis en générateurs. Ils sont essentiellement utilisés dans des situations où un mouvement de rotation est nécessaire et ils trouvent des applications dans les appareils (moteurs à vibration), les robots, les équipements médicaux, les jouets et bien plus encore.

Les moteurs électriques peuvent être classés en deux grandes catégories en fonction du type de source d'alimentation utilisé pour eux: les moteurs à courant alternatif et les moteurs à courant continu. Comme leur nom l'indique, les moteurs à courant alternatif sont alimentés de manière générique à l'aide de sources d'alimentation en courant alternatif (monophasées ou triphasées) et sont principalement utilisés dans les applications industrielles et lourdes où un couple important est nécessaire. Les moteurs à courant continu (qui sont notre objectif pour aujourd'hui), en revanche, sont généralement plus petits et sont utilisés dans des applications basées sur des batteries (ou branchées sur des sources CC) où beaucoup moins de travail est requis par rapport aux moteurs à courant alternatif. Ils trouvent des applications dans plusieurs appareils allant des appareils de tous les jours comme les tondeuses à raser aux jouets pour enfants, aux robots et aux drones, entre autres.

L'exigence pour les moteurs à courant continu diffère d'une application à l'autre, car une application peut nécessiter plus de couple et réduire la vitesse, tandis qu'une autre peut nécessiter plus de vitesse et un couple réduit, de sorte que les moteurs à courant continu sont parfois classés par les vendeurs sur cette base. Cependant, les moteurs à courant continu peuvent être classés en trois catégories ou types différents, notamment:

1. Moteur à courant continu brossé
2. Moteurs CC sans balais
3. Moteurs servo.

Pour l'article d'aujourd'hui, nous nous concentrerons sur les moteurs à courant continu sans balais et à balais, car nous examinons la différence entre eux en fonction du principe de fonctionnement, de la construction, des applications, des avantages et des inconvénients. Pour le troisième type, vous pouvez consulter l'article détaillé de Servo Motor.

Principe de fonctionnement et construction

Le fonctionnement de tous les moteurs est généralement basé sur deux principes qui sont ; Loi d'ampères et loi de Faraday. La première loi stipule qu'un conducteur électrique placé dans un champ magnétique subira une force si un courant circulant à travers le conducteur a un composant perpendiculaire à ce champ. Le deuxième principe stipule que si un conducteur est déplacé à travers un champ magnétique, alors toute composante de mouvement perpendiculaire à ce champ générera une différence de potentiel entre les extrémités du conducteur.

Sur la base de ces lois, les moteurs électriques se composent de deux parties principales; Un aimant permanent et un tas de conducteurs enroulés dans une bobine. En appliquant de l'électricité à la bobine, elle devient un aimant et sur la base du fait que les aimants se repoussent à des pôles similaires et attirent à des pôles différents, un mouvement de rotation est obtenu.

Moteur à courant continu brossé

Le moteur à courant continu à balais est connu pour être l'un des moteurs les plus anciens et les plus simples car il met en œuvre les lois décrites ci-dessus de la manière la plus simple. Comme décrit dans l'image ci-dessous, la construction d'un moteur à courant continu à balais comprend un stator fixe constitué d'un aimant permanent et d'une armature mobile (rotor) sur laquelle des composants tels que le commutateur, les balais et la bague fendue sont tous placés autour du moteur. arbre.

Lorsque l'alimentation est fournie au moteur (via la batterie ou via une source branchée CA à CC), l'électricité circule de la source à l'armature à travers les balais qui sont généralement situés sur les côtés opposés de l'arbre du moteur. Les balais (dont la présence dans la conception est un facteur majeur derrière le nom du moteur), transfèrent le courant électrique à l'armature par contact physique avec le commutateur. Dès que l'armature (la bobine de fil) est sous tension, elle commence à se comporter comme un aimant et à ce moment-là, ses pôles commencent à repousser les pôles de l'aimant permanent qui compose le stator. Lorsque les pôles se repoussent, l'arbre du moteur auquel l'armature est fixée commence à tourner avec une vitesse et un couple qui dépendent de la force du champ magnétique autour de l'armature.

L'intensité du champ magnétique est généralement fonction de la tension appliquée aux balais et de la force de l'aimant permanent utilisé pour le stator.

Moteurs CC sans balais

Même s'ils utilisent le même principe d'électromagnétisme, les moteurs sans balais sont en revanche plus complexes. Ils sont le résultat direct des efforts déployés pour améliorer l'efficacité des moteurs à courant continu à balais et peuvent être simplement décrits comme des moteurs qui n'adoptent pas l'utilisation de balais pour la commutation. Cependant, la nature simpliste de cette description laisse place à des questions sur la façon dont le moteur est alimenté et comment le mouvement est obtenu sans balais que je vais essayer d'expliquer.

Contrairement à la construction des moteurs à balais, dans les moteurs sans balais, les choses sont inversées. L'armature qui, dans le cas du moteur à balais, tourne à l'intérieur du stator, est stationnaire dans les moteurs sans balais et l'aimant permanent, qui dans les moteurs à balais est fixe, sert de rotor dans un moteur sans balais. En termes simples, le stator des moteurs à courant continu sans balais est composé de bobines tandis que son rotor (auquel l'arbre du moteur est fixé) est composé d'un aimant permanent.

Étant donné que le moteur sans balais élimine l'utilisation de balais pour fournir de l'énergie à l'armature, la commutation (commutation) devient plus complexe et est effectuée électroniquement à l'aide d'un ensemble supplémentaire de composants électroniques (comme un amplificateur déclenché par un composant de commutation comme un codeur optique) pour obtenir un mouvement. Les algorithmes de commutation pour les moteurs CC sans balais peuvent être divisés en deux; Commutation basée sur des capteurs et insensée.

Dans la commutation basée sur des capteurs, des capteurs (par exemple un capteur à effet Hall) sont placés le long des pôles du moteur pour fournir une rétroaction au circuit de commande pour l'aider à estimer la position du rotor. Il existe trois algorithmes populaires utilisés pour la commutation basée sur des capteurs;

1. Commutation trapézoïdale
2. Commutation sinusoïdale
3. Contrôle vectoriel (ou orienté champ).

Chacun de ces algorithmes de contrôle a ses avantages et ses inconvénients et les algorithmes peuvent être mis en œuvre de différentes manières en fonction du logiciel et de la conception du matériel électronique pour apporter les modifications nécessaires.

Dans la commutation sans capteur, par contre, au lieu de placer des capteurs dans les moteurs, le circuit de commande est conçu pour mesurer la force contre-électromotrice afin d'estimer la position du rotor.

Cet algorithme fonctionne assez bien et son coût est réduit car le coût des capteurs à effet Hall est éliminé, mais sa mise en œuvre est beaucoup plus complexe par rapport aux algorithmes basés sur des capteurs.

Avantages et inconvénients

Dans les moteurs CC à balais, les balais sont en contact permanent avec le commutateur rotatif. Cela conduit à une quantité considérable de frottement qui est générée et cela conduit à son tour à une perte d'énergie en chaleur et à une usure progressive des brosses. Ainsi, les moteurs CC à balais ont un faible rendement et nécessitent un entretien périodique. Cela crée beaucoup de friction, et la friction équivaut à la chaleur (perte d'énergie) et à l'usure. Brushless DC, d'autre part, sont essentiellement sans friction et ont donc un rendement très élevé, ne nécessitent aucun entretien et durent plus longtemps que les moteurs DC à balais.

Cependant, les moteurs CC à balais sont très bon marché par rapport à leurs homologues sans balais en raison de la nature simple de leur conception. Les moteurs CC sans balais, quant à eux, sont assez chers en raison de leur conception complexe et du coût supplémentaire des composants électroniques supplémentaires (contrôleurs) nécessaires pour les entraîner.

Applications

Alors que les moteurs CC sans balais sont plus populaires de nos jours, les moteurs CC à balais sont toujours utilisés dans les appareils ménagers quotidiens, les jouets pour enfants et les applications industrielles en raison de la facilité avec laquelle leur rapport vitesse / couple peut être modifié. En raison de leur faible coût, ils sont utilisés dans des applications où le périphérique hôte pourrait tomber en panne avant les moteurs.

Les moteurs CC sans balais, quant à eux, ont trouvé des applications dans toutes sortes d'appareils, des équipements médicaux, des robots et des drones aux voitures électriques, aux outils électriques, etc.

Facteurs à prendre en compte lors du choix entre les moteurs CC sans balais et à balais

Outre la vitesse, le couple, la puissance nominale et d'autres exigences de base pour votre application, voici trois facteurs qui, selon moi, pourraient également être utiles lors de la prise de décision sur le type de moteur à déployer pour votre application.

1. Cycle de service / durée de vie
2. Efficacité
3. Contrôle / Commande
4. Coût

Cycle de service / durée de vie

La durée de vie décrit combien de temps le moteur doit fonctionner avant de tomber en panne et à quel cycle de service. Ceci est important car le moteur à courant continu à balais comme mentionné précédemment est susceptible de s'user en raison du frottement entre les balais et le commutateur. Ainsi, il est important de s'assurer que l'application est une application dans laquelle le moteur sera fonctionnel pendant toute la durée de vie ou une application dans laquelle l'entretien du moteur sera considéré comme normal et peu coûteux si des moteurs à courant continu à balais doivent être utilisés. Un bon exemple de ceci est dans les jouets pour enfants, où les jouets sont généralement jetés ou endommagés avant que le moteur ne s'use. Dans les applications avec une longue durée de vie et l'entretien du moteur n'est pas une option viable, les moteurs CC sans balais sont généralement la meilleure option.

Efficacité

En règle générale, les moteurs à courant continu sans balais ont un rendement global plus élevé que les moteurs à courant continu à balais, mais il y a eu des cas de moteurs à balais à noyau sans fer avec une efficacité supérieure par rapport aux moteurs sans balais équivalents. Cependant, il est important d'évaluer le rendement global requis et de le comparer à celui de chaque moteur avant de prendre une décision. Dans la plupart des cas où l'efficacité est le facteur décisif, les moteurs CC sans balais gagnent généralement.

Contrôle / Commande

C'est généralement l'un des principaux inconvénients de l'utilisation de moteurs à courant continu sans balais. Les exigences supplémentaires telles que les contrôleurs, etc., rendent l'actionnement plus complexe par rapport à celui des moteurs à courant continu à balais qui pourraient être des méthodes alimentées / actionnées aussi triviales que la connexion d'une batterie à ses bornes. Vous devez vous assurer que la complexité de l'utilisation d'un moteur à courant continu sans balais pour le projet est justifiée et que l'électronique de soutien, comme les contrôleurs, est facilement disponible. Indépendamment de la simplicité des moteurs CC à balais, ils ne sont parfois pas adaptés aux applications de haute précision. Bien que le moteur CC à balais puisse être facilement connecté au contrôleur comme Arduino, il est beaucoup plus complexe de connecter un BLDC avec Arduino Uno, mais l'ESC (contrôleur de vitesse électronique) facilite l'interface d'un BLDC avec un microcontrôleur.

Coût

La complexité de la conception des moteurs CC sans balais les rend très coûteux par rapport aux moteurs CC à balais. Assurez-vous que les coûts supplémentaires sont dans des limites abordables pour le projet avant d'opter pour des moteurs CC sans balais. Tenez également compte du coût des autres accessoires requis pour l'utilisation des BLDC avant de prendre une décision.