Moteur Sans Balais : Tout Ce Qu’on Doit En Savoir

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Moteur Sans Balais

Les moteurs à courant continu sans balais sont couramment utilisés dans les applications industrielles du monde entier. Au niveau le plus élémentaire, on distingue les moteurs à balais et les moteurs sans balais, ainsi que les moteurs à courant continu et les moteurs à courant alternatif. Les moteurs CC sans balais (Brushless DC motors en Anglais), comme vous pouvez l’imaginer, ne contiennent pas de balais et utilisent un courant continu. Ces moteurs offrent de nombreux avantages spécifiques par rapport aux autres types de moteurs électriques, mais, au-delà des notions de base, qu’est-ce qu’un moteur sans balais exactement ? Comment fonctionne un moteur sans balais et à quoi sert-il ?


Les moteurs sont des machines à fournir de l’énergie !

Lorsque les ingénieurs sont confrontés au défi de concevoir des équipements électriques pour effectuer des tâches mécaniques, ils peuvent penser à la façon 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 l’énergie électrique en énergie mécanique.

Le moteur sans balais
L’image de moteur sans balais

Le type de moteur le plus simple est le moteur à courant continu à balais, simplement nommé moteur à balais. Dans ce type de moteur, le courant électrique passe par des bobines disposées dans un champ magnétique fixe. Le courant génère des champs magnétiques dans les bobines, ce qui entraîne la rotation de l’ensemble des bobines, chaque bobine étant éloignée du pôle similaire et rapprochée du 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 fait que les bobines continuent à « chasser » les pôles fixes différents. L’alimentation des bobines est assurée 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.

Fonctionnement du moteur à balais
Fonctionnement du moteur à courant continu à balais

Des balais fixes fournissent de l’énergie électrique au collecteur rotatif. Lorsque le collecteur tourne, il inverse continuellement le sens du courant dans les bobines, en inversant les polarités des bobines, de sorte que ces dernières continuent à tourner vers la droite. Le collecteur tourne car il est fixé au rotor sur lequel sont montées les bobines.

Types de moteurs courants

Les moteurs diffèrent en fonction de leur type d’alimentation (CA ou CC) et de leur méthode de génération de la rotation (figure 2). Nous examinons brièvement ci-dessous les caractéristiques et les utilisations de chaque type.

Les moteurs à courant continu à balais, de conception simple et faciles à contrôler, sont largement utilisés pour ouvrir et fermer les plateaux à disques. Dans les voitures, ils sont souvent utilisés pour rétracter, étendre et positionner les vitres latérales à commande électrique.

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 permanent, ce qui nécessite un remplacement fréquent et un entretien périodique.

Différents types de moteurs
Différents types de moteurs

Un moteur pas à pas est commandé par des impulsions ; il tourne d’un angle spécifique (pas) à chaque impulsion. Comme la rotation est contrôlée avec précision par le nombre d’impulsions reçues, ces moteurs sont largement utilisés pour réaliser des ajustements de position.

Ils sont souvent utilisés, par exemple, pour contrôler l’alimentation en papier des télécopieurs et des imprimantes, car ces appareils alimentent le papier par étapes fixes, qui sont facilement corrélées au nombre d’impulsions. Les pauses peuvent également être facilement contrôlées, 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 des fours à micro-ondes ; des réducteurs dans l’unité moteur peuvent être utilisés pour obtenir les vitesses de rotation appropriées pour chauffer les aliments.

Avec les moteurs à induction aussi, 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 examinons les avantages et les applications des moteurs à courant continu sans balais, aussi appelés les moteurs sans balais.

Quelle est la différence entre un moteur sans balais et à balais ?

Un moteur convertit l’énergie électrique fournie en énergie mécanique. Différents types de moteurs sont couramment utilisés. Parmi ceux-ci, les moteurs à courant continu sans balais se caractérisent par un rendement élevé et une excellente contrôlabilité, et sont largement utilisés dans de nombreuses applications. Le moteur sans balais présente des avantages en termes d’économie d’énergie par rapport aux autres types de moteurs.

Un moteur CC à balais, ou un moteur à balais, possède des aimants permanents à l’intérieur de son corps extérieur et un induit rotatif à l’intérieur. Les aimants permanents sont stationnaires et sont appelés le « stator ». L’armature rotative contient un électro-aimant et est appelée le « rotor ».

Dans un moteur à balais, le rotor tourne de 180 degrés lorsqu’un courant électrique est appliqué à l’armature. Pour aller au-delà des 180 degrés initiaux, les pôles de l’électroaimant doivent s’inverser. Les balais de carbone entrent en contact avec le stator lorsque le rotor tourne, inversant le champ magnétique et permettant au rotor de tourner sur 360 degrés.

Le moteur à balais
L’image de moteur à balais

Les moteurs à courant continu sans balais répondent à cette exigence. Le rotor d’un moteur CC sans balais est un rotor à aimant permanent et le stator est une bobine.

La différence avec le moteur à courant continu (où la bobine tourne) est la partie qui tourne. Le principe de rotation, les caractéristiques de sortie et les autres caractéristiques de base sont pratiquement les mêmes entre eux.

Comme la bobine ne tourne pas, les balais et les collecteurs ne sont pas nécessaires. Cependant, il est nécessaire de concevoir un moyen de détecter la position de rotation du rotor pour commuter le courant vers la bobine.

Pour créer un moteur sans balais, il est nécessaire de commuter le courant en utilisant une méthode différente de celle utilisée pour les contacts mécaniques. Par conséquent, pour piloter un moteur à courant continu sans balais, nous commutons le courant de la bobine en utilisant un circuit de commande configuré avec un dispositif semi-conducteur au lieu d’utiliser des contacts mécaniques.

Le moteur à courant continu sans balais a été développé en même temps que le dispositif à semi-conducteurs, et il ne peut pas tourner sans son circuit de commande dédié.

Un moteur à courant continu sans balais est parfois appelé moteur sans balais (« DC » est omis).

Le moteur sans balais
L’image de moteur sans balais

Pourquoi un moteur sans balais tourne-t-il ?

Comme leur nom l’indique, les moteurs sans balais n’utilisent pas de balais. Dans le cas des moteurs à balais, les balais font passer le courant par le collecteur dans les bobines du rotor.

Alors comment un moteur sans balais fait-il passer le courant aux bobines du rotor ? Il ne le fait pas, car les bobines ne sont pas situées sur le rotor. Au contraire, le rotor est un aimant permanent ; les bobines ne tournent pas, mais sont fixées en place sur le stator. Comme les bobines ne bougent pas, il n’y a pas besoin de balais ni de collecteur.

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 stationnaires reste fixe. Pour modifier la vitesse de rotation, il faut changer la tension des bobines.

Avec un moteur sans balais, 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, il faut régler l’intensité et la direction du courant dans ces bobines.

Le fonctionnement de moteur sans balais
L’image de fonctionment de moteur sans balais

Comme le rotor est un aimant permanent, il n’a pas besoin de courant, ce qui élimine le besoin de balais et de collecteur. Le courant vers les bobines fixes est contrôlé de l’extérieur.

Avantages du moteur sans balais

Un moteur sans balais avec trois bobines sur le stator aura six fils électriques (deux pour chaque bobine) partant de ces bobines. Dans la plupart des cas, trois de ces fils seront connectés en interne, les trois autres sortant du corps du moteur (contrairement aux deux fils sortant du moteur à balais décrit précédemment).

Le câblage dans le cas d’un moteur sans balais est plus compliqué que la simple connexion des bornes positives et négatives de la cellule d’alimentation. Nous conclurons en examinant les avantages des moteurs sans balais.

One big advantage is efficiency, as these motors can control continuously at maximum rotational force (torque). Brushed motors, in contrast, reach maximum torque at only certain points in the rotation. For a brushed motor to deliver the same torque as a brushless model, it would need to use larger magnets. This is why even small BLDC motors can deliver considerable power.

🟡 L’un des grands avantages est le rendement, car ces moteurs peuvent contrôler en permanence la force de rotation (couple) maximale.

🟡 Les moteurs à balais, en revanche, n’atteignent le couple maximal qu’à certains moments de la rotation. Pour qu’un moteur à balais puisse fournir le même couple qu’un modèle sans balais, il faudrait utiliser des aimants plus grands. C’est pourquoi même les petits moteurs sans balais peuvent fournir une puissance considérable.

🟡 Le deuxième grand avantage, lié au premier, est la contrôlabilité. Les moteurs sans balais peuvent être contrôlés, à l’aide de mécanismes de rétroaction, pour fournir précisément le couple et la vitesse de rotation souhaités.

🟡 La précision du contrôle permet de réduire la consommation d’énergie et la production de chaleur et, lorsque les moteurs sont alimentés par des batteries, de prolonger la durée de vie de ces dernières.

🟡 Les moteurs sans balais offrent également une grande durabilité et un faible niveau de bruit électrique, grâce à l’absence de balais. Avec les moteurs à balais, les balais et le collecteur s’usent en raison du contact mobile 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 aux endroits où les balais passent sur les interstices du collecteur. C’est pourquoi les moteurs sans balais sont souvent considérés comme préférables dans les applications où il est important d’éviter le bruit électrique.

Applications idéales pour un moteur sans balais

Nous avons vu que les moteurs BLDC offrent un rendement et une contrôlabilité élevés, et qu’ils ont 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 qui fonctionnent en continu.

Ils sont utilisés depuis longtemps dans les machines à laver, les climatiseurs et d’autres appareils électroniques grand public. Plus récemment, ils ont fait leur apparition dans les ventilateurs, où leur rendement élevé a contribué à une réduction significative de la consommation d’énergie.

Ils sont également utilisés pour entraîner des machines à vide. Dans un cas, une modification du programme de commande a entraîné une forte augmentation de la vitesse de rotation, ce qui illustre bien l’excellente contrôlabilité de ces moteurs.

Les moteurs sans balais sont également utilisés pour faire tourner des disques durs, où leur durabilité leur permet de fonctionner de manière fiable à long terme, tandis que leur efficacité énergétique contribue à la réduction de la consommation d’énergie dans un domaine où celle-ci devient de plus en plus importante.

Le moteur brushless
L’image de fonctionment de moteur sans balais

À quoi servent les moteurs CC sans balais ?

Les moteurs CC sans balais ont généralement un rendement de 85 à 90 %, alors que les moteurs à balais n’ont généralement qu’un rendement de 75 à 80 %. Les balais finissent par s’user, provoquant parfois des étincelles dangereuses, ce qui limite la durée de vie d’un moteur à balais.

Les moteurs CC sans balais sont silencieux, plus légers et ont une durée de vie beaucoup plus longue. Étant donné que les ordinateurs contrôlent le courant électrique, les moteurs CC sans balais peuvent obtenir un contrôle du mouvement beaucoup plus précis.

En raison de tous ces avantages, les moteurs CC sans balais sont souvent utilisés dans les appareils modernes où un faible niveau de bruit et de chaleur est requis, en particulier dans les appareils qui fonctionnent en continu. Il peut s’agir de machines à laver, de climatiseurs et d’autres appareils électroniques grand public.

Ils peuvent même être la principale source d’énergie des robots de service, qui nécessitent un contrôle très précis de la force pour des raisons de sécurité.

Les moteurs à courant continu sans balais offrent plusieurs avantages distincts par rapport aux autres types de moteurs électriques, ce qui explique pourquoi ils ont fait leur chemin dans tant d’articles ménagers et pourraient être un facteur majeur dans la croissance des robots de service à l’intérieur et à l’extérieur du secteur industriel.

Moteur sans balais : vers une utilisation plus large à l’avenir

Nous pouvons nous attendre à voir les moteurs sans balais utilisés dans un plus grand nombre 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 la fabrication.

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 sans balais sont mieux adaptés au contrôle de la force. Et avec un moteur pas à pas, le maintien de la position d’une structure telle qu’un bras de robot nécessiterait un courant relativement important et continu.

Avec un moteur sans balais, il suffit d’un courant proportionnel à la force externe, ce qui permet un contrôle plus efficace. Les moteurs sans balais peuvent également remplacer les simples moteurs à courant continu à balais dans les voiturettes de golf et les chariots de mobilité. En plus de leur meilleure efficacité, les moteurs sans balais peuvent également fournir un contrôle plus précis, ce qui permet de prolonger la durée de vie des batteries.

Les moteurs sans balais sont également idéaux pour les drones. Leur capacité à fournir un contrôle de précision les rend particulièrement adaptés aux drones multirotors, où l’attitude du drone est contrôlée en contrôlant précisément la vitesse de rotation de chaque rotor.


FAQ

Que signifie moteur sans balais ?
Un moteur sans balais est un moteur qui fonctionne sans les balais mécaniques et le collecteur d’un moteur à balais traditionnel. Il présente des avantages distincts par rapport à un moteur à balais et est plus économique à long terme, bien que les coûts initiaux soient plus élevés.

Quelle est la différence entre un moteur sans balais et un moteur à balais ?
Un moteur CC à balais utilise une configuration de bobines de fil enroulé, l’armature, agissant comme un électroaimant bipolaire. Un moteur sans balais, en revanche, utilise un aimant permanent comme rotor externe. En outre, il utilise trois phases de bobines d’entraînement et un capteur spécialisé qui suit la position du rotor.

Les perceuses sans balais valent-elles le supplément d’argent ?
Si vous réalisez des projets importants nécessitant une perceuse, l’utilisation d’une perceuse sans balais peut s’avérer très utile. Elle vous permettra d’atteindre des vitesses et une puissance plus élevées et nécessitera moins d’entretien. Mais si vous êtes un bricoleur qui s’attaque à des projets plus légers, vous ne remarquerez peut-être pas une grande différence.

Conclusion

Au cours de cette session, nous avons vu comment les moteurs sans balais offrent une excellente efficacité, contrôlabilité et longévité. Mais un contrôle attentif et approprié est essentiel pour tirer pleinement parti du potentiel de ces moteurs. Dans les prochaines sessions, nous examinerons le fonctionnement et les autres détails de ces moteurs.

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Ronix

12 décembre 2021

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