Comment Les Pertes Fer Influencent La Sélection D'un Moteur BLDC

Les ingénieurs s'efforcent d'améliorer en permanence les performances, l'efficacité et la compacité des applications critiques dans divers secteurs et sur différents marchés. L'objectif est non seulement de réaliser des percées en matière d'innovation, mais aussi d'être en constante évolution.

C'est d'autant plus vrai dans le monde des moteurs électriques miniatures, qui sont essentiels aux applications qui permettent de sauver et d'améliorer la vie de nombreuses personnes. L'un des aspects indispensables des performances d'un moteur est son rendement, qui est défini comme le rapport entre la puissance mécanique et la puissance électrique :

Le rendement ayant un impact direct sur l'échauffement et la consommation électrique du moteur, il doit être choisi avec le plus grand soin afin d'optimiser l'espace disponible. Nous examinons ici le rendement et les pertes d'un moteur BLDC, ainsi que le rôle clé qu'ils jouent dans le processus de conception et de sélection du moteur.

LES DIFFÉRENTES PERTES DANS UN MOTEUR BLDC

Le but d'un moteur BLDC est de transformer la puissance électrique (U*I) en puissance mécanique (T*ω). Cependant, comme un moteur ne peut jamais être parfait et lors de la conversion électrique en puissance mécanique, trois principaux types de pertes sont créés : les pertes par frottement, les pertes cuivre et les pertes fer.

Puissance électrique – (pertes par frottement + pertes cuivre + pertes fer) = puissance mécanique

Les pertes par frottement. Les pertes par frottement sont générées par les roulements à billes/paliers lisses et dépendent non seulement de l'application (vitesse, charge, accélération) et de l'environnement (température, saleté, etc.), mais aussi des paramètres intrinsèques des roulements, notamment le matériau, l'usure, le lubrifiant et l'étanchéité.

Les pertes cuivre. Les pertes cuivre, également appelées pertes Joules, sont générées par la résistance de la bobine. Le couple est directement proportionnel au courant (T=k*I), donc plus un moteur fournit de couple, plus les pertes cuivre générées sont élevées. Ceci suit la fonction quadratique ci-dessous :

Pertes cuivre = R * I ²

Gardez à l'esprit que la résistance augmente lorsque le moteur chauffe, ce qui réduit le rendement selon l'équation ci-dessous :

R=R0.(1 + γ. ΔTemp)
-R0 : valeur de résistance (Ω) à la température ambiante (indiquée dans la fiche technique)
- γ : facteur de résistance de 0,004/°C pour le cuivre

Les pertes fer. Les pertes fer sont fréquemment mal comprises, mais elles ont un impact considérable sur les performances du moteur. Elles dépendent fortement de la fréquence de variation du flux magnétique dans un matériau, ce qui signifie que plus un moteur tourne vite, plus les pertes sont importantes.

Pour mieux comprendre ce phénomène, on peut réaliser une petite expérience. Un aimant peut être lâché dans un tube légèrement ferromagnétique (cuivre ou aluminium). On peut ainsi observer que la vitesse de chute de l'aimant est beaucoup plus faible que ce qu'on pourrait imaginer. Nous pouvons comparer ces résultats en remplaçant le tube par du plastique ou en remplaçant l'aimant par un morceau de métal de même taille et de même masse.

Pourquoi cela se produit-il ? Selon la loi de Lenz, lorsque l'aimant tombe dans le tube, le changement de champ magnétique induit des courants de Foucault circulant dans une direction opposée au changement qui les produit. C'est ce qui ralentit l'aimant.

Les pertes fer sont générées par deux phénomènes :

Les courants de Foucault

Selon la loi de Faraday, lorsqu'un champ magnétique est appliqué à un conducteur, un courant est généré à travers celui-ci. Et comme le matériau a une résistivité électrique spécifique, il crée des pertes (R*I²).

Pertes par courant de Foucault=R.I²≅ C.B². f².t².V

C est une constante qui dépend de la conception et des matériaux du moteur
B est le champ magnétique dans le matériau (T)
f est la fréquence de l'inversion du champ magnétique par seconde (Hz)
t est l'épaisseur du matériau (m)
V est le volume du conducteur(m³)

La formule précédente nous permet de voir les paramètres qui jouent un rôle important dans la création de ces pertes par courants de Foucault (Figure 3). Comme on peut s'y attendre, la fréquence de l'inversion du champ magnétique a un impact considérable, tout comme la vitesse du moteur ; l'intensité du champ magnétique et même l'épaisseur du matériau jouent également un rôle important.

Un moyen efficace de réduire l'impact de l'épaisseur du matériau consiste à stratifier le matériau. Cela réduit le chemin que le courant doit parcourir, ce qui signifie qu'il se divisera en plusieurs petits courants au lieu d'un seul grand courant. Comme les pertes sont créées avec la valeur au carré du courant, cette méthode est particulièrement efficace (t/2 => i/2 => courants de Foucault/4). Il faut garder à l'esprit que pour éviter que le courant ne circule entre deux couches, chaque couche doit être isolée des autres par un revêtement.

Hystérésis

Lorsque le flux magnétique est inversé dans un matériau ferromagnétique, ce dernier se magnétise et se démagnétise, ce qui crée une perte d'énergie. Pour supprimer la densité de flux, nous devons passer le point du champ coercitif en fournissant un flux magnétique opposé (Figure 4).

Ces pertes dépendent principalement de l'induction magnétique dans le circuit, mais aussi des propriétés du matériau (telles que la perméabilité et le volume) et de la fréquence de variation du flux. C'est pourquoi il est essentiel de choisir le bon matériau pour la bonne vitesse.

L'équation de Steinmetz nous aide à calculer ces pertes par hystérésis et à mieux comprendre l'influence de chaque paramètre :

Pertes par hystérésis = k * V * f * Bⁿ

k est une constante qui dépend du matériau
V est le volume du circuit magnétique (m³)
f est la fréquence du champ magnétique (Hz)
B est l'induction maximale dans le circuit magnétique (T)
n est un coefficient qui dépend du matériau (compris entre 1,6 et 2)

DIFFÉRENTES CONCEPTIONS DE MOTEURS ÉLECTRIQUES POUR ATTEINDRE DES PERFORMANCES ÉLEVÉES

Les différentes pertes générées par un moteur électrique limitent sa puissance maximale, car il brûlerait au-delà d'une température spécifique en fonction de la conception du moteur. Cela signifie qu'il est crucial de choisir le bon moteur en fonction du point de fonctionnement spécifique (couple et vitesse).

Les pertes Joules sont principalement générées lors de la création de couple, tandis que les pertes fer sont généralement générées à grande vitesse. C'est pourquoi, pour un moteur donné, le couple continu maximal possible diminue lorsque la vitesse augmente (Figure 5).

Impact du nombre de pôles

Modifier le nombre de pôles d'un aimant peut avoir un impact important sur les performances du moteur. En général, les moteurs longs ont deux pôles et peuvent fonctionner à des vitesses élevées. Cependant, si l'augmentation du nombre de pôles permet d'accroître le couple maximal d'un moteur, elle augmente également les pertes fer et réduit donc la vitesse maximale continue.

Comme les pertes fer dépendent fortement de la fréquence de variation du flux magnétique pour une vitesse similaire, l'augmentation du nombre de pôles augmente le nombre de variations à chaque rotation du moteur. Pour les pertes par courants de Foucault, cela se produit avec le carré de l'augmentation de la fréquence, ce qui peut rapidement réduire l'efficacité d'un moteur.

Les courbes de puissance des moteurs illustrent les limites du fonctionnement continu d'un moteur dans l'air à 25 °C, pertes comprises. La Figure 6 compare deux moteurs Portescap ayant le même encombrement, mais avec un moteur à 2 pôles et un autre à 4 pôles.

Nous pouvons clairement voir que le moteur à 4 pôles (22ECT60 – couple optimisé) perd rapidement ses capacités de couple lorsque sa vitesse augmente par rapport au moteur à 2 pôles (22ECS60 – vitesse optimisée).

CONCLUSION

Lors du choix d'un moteur électrique, il est essentiel de prendre en compte les différentes pertes, car les limites du moteur sont thermiques. Les pertes fer jouent un rôle clé dans le rendement du moteur, notamment à haute vitesse ou pour les conceptions multipolaires à couple élevé. L'optimisation du rapport entre les pertes Joule et les pertes de fer permettra d'économiser l'énergie et de développer de meilleures appareils électriques motorisés.

Portescap comprend très bien ces caractéristiques et accorde énormément de soin à la conception de moteurs à hautes performances et à faibles pertes. Une seule conception ne peut pas convenir à toutes les applications, c'est pourquoi l'équipe de Portescap s'attache à développer un portefeuille diversifié de technologies de moteurs qui répondent aux besoins des dispositifs et des applications présentant des points de fonctionnement exigeants.

CONTACTER UN INGÉNIEUR

Figure 1 - Pertes dans un moteur BLDC Portescap
Figure 2 - Expérience de la chute d'un aimant dans un tube en cuivre
Figure 3 - Courants de Foucault dans un conducteur stratifié ou non
Figure 4 - Pertes par hystérésis
Figure 5 - Effet des pertes fer sur la courbe de puissance d'un moteur 16ECS36 de Portescap
Figure 6 - Comparaison des moteurs sans fentes Portescap à 2 pôles et 4 pôles