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Les performances d’un moteur CC sans balais (BLDC) dépendent de plusieurs facteurs, notamment la topologie globale (rotor interne ou externe), la configuration des bobinages, le nombre de paires de pôles, la configuration des encoches et la composition de l’aimant. La construction du rotor joue un rôle important dans les performances des moteurs BLDC à rotor externe. Ce document présente une étude analytique des caractéristiques de performance du moteur BLDC plat 45ECF de Portescap avec trois rotors différents (fermé, à encoche ouverte et à ventilateur intégré), fonctionnant à différentes vitesses. Cette analyse comprend également les courbes de puissance du moteur 45ECF pour chaque type de rotor.
PRÉSENTATION
L’optimisation des performances grâce à la conception du moteur BLDC a attiré l’attention de divers chercheurs industriels au cours des dernières décennies. Le moteur BLDC est largement utilisé dans des applications médicales, automobiles, aérospatiales et les grandes applications d’automatisation industrielle pour tirer parti de son rendement élevé, de sa densité de puissance, de son rapport couple/taille et de sa facilité de contrôle. Grâce à sa commutation électronique, le moteur BLDC n'a pas besoin de commutation mécanique à balais comme sur les moteurs CC conventionnels, ce qui rend le moteur plus fiable et capable de fonctionner à des vitesses plus élevées. Les trois configurations de base du moteur BLDC à aimant permanent qui prévalent aujourd’hui dans l’industrie sont le rotor interne, le rotor externe et le rotor en disc à magnétisation axiale, chacune comprenant de nombreuses configurations de bobinage et de pôle différentes. Le terme « radial » ou « axial » fait référence au sens dans lequel le champ magnétique est imposé par des aimants permanents. Le moteur est défini comme un moteur à flux radial lorsque le flux est appliqué dans le sens radial, tandis que le moteur à flux axial va dans le sens axial.
MOTEUR À ROTOR EXTERNE
La structure d’un moteur BLDC à aimant permanent à rotor externe est illustrée à la Figure 1. Dans la configuration de rotor externe, le stator et le rotor sont intervertis, le stator ou les bobinages du moteur sont au centre du moteur, tandis que l’ensemble rotor et aimant est placé à l’extérieur. Le stator se compose d’un bobinage multiphasé sur un noyau en tôles de fer empilées, tandis que le rotor se compose d’aimants permanents (segments ou bague moulée) fixés à la surface intérieure d’un composant en forme de coupelle d’acier. La coupelle est fixée à l’arbre principal du moteur et tourne librement sur des roulements. L’excitation séquentielle des bobinages du stator permet d’obtenir un mouvement continu du rotor. Les trois configurations différentes de rotors (fermé, à encoche ouverte et à ventilateur intégré) sont illustrées à la Figure 3.
PERTE DE PUISSANCE DU MOTEUR
Les moteurs dissipent les pertes d’énergie sous forme de chaleur ou de vibrations et de pertes fer dans les armatures métalliques. Bien que toutes ces pertes puissent réduire l’efficacité d’un moteur, des pertes de chaleur excessives peuvent contribuer de manière importante à une défaillance prématurée du moteur. Les pertes fer et l'effet Joule dans les bobinages en cuivre contribuent de manière significative à la chaleur du moteur, tandis que les pertes au niveau des roulements et sous l'effet de la résistance à l'air sont moins importantes. Le taux de dissipation calorifique dépend de la géométrie du moteur, de l’environnement, du matériau et de la vitesse moteur. Les pertes d’énergie déterminent le rendement global et le comportement thermique du moteur. Les principales pertes de performance d’un moteur BLDC à rotor ouvert suivent.
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Les pertes par effet Joule sont des pertes dissipées sous forme de chaleur par la résistance des bobinages en
cuivre du stator et sont souvent le principal contributeur à un échauffement excessif. L’équation utilisée pour
calculer les pertes par effet Joule est la suivante : Pcu=Rp* I2 (Watt)
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• | Les pertes fer sont les pertes générées dans l'armature en fer en raison du flux harmonique ou des champs magnétiques alternatifs et se composent d’hystérésis et de pertes de courant de Foucault. |
• | Les pertes mécaniques se composent des pertes au niveau des roulements et des pertes sous l'effet de la résistance à l'air. Les pertes de friction sont dues à la friction des roulements, tandis que les pertes mécaniques sont dues à la résistance générée par l’air sur le rotor externe. |
MÉTHODOLOGIE
La complexité de l'acquisition précise de la température, associée à la vaste expansion des applications des moteurs BLDC, font que les pertes énergétiques des moteurs BLDC sont l’un des sujets de recherche les plus prisés dans les milieux universitaires et industriels. L’objectif ultime est de comparer les performances thermiques des trois variantes et de trouver l’effet de la géométrie du rotor sur les performances de couple. On part du principe que les pertes Joule dans le stator sont le principal contributeur à la chaleur du moteur. Toutes les autres pertes contribuent à la résistance thermique du moteur, qui est déterminée mathématiquement par la construction du moteur et les variables de vitesse (Résistance thermique équivalente (Rth)eq). Si la vitesse est constante et que la charge augmente, les pertes fer et les pertes mécaniques auront tendance à être constantes. Dans ce cas, les pertes Joule contriburont à l'augementation de la température. Avec une résistance thermique équivalente, le couple maximal peut être calculé à n’importe quelle vitesse sur la base de données empiriques à un point de charge spécifique. Après avoir enregistré la température et la résistance équivalente à différents points de données, un graphique de puissance précis peut être créé (vitesse vs couple).
La résistance thermique d’un matériau est la réciproque de la conductance thermique et est décrite comme la différence de température requise dans un matériau pour transférer 1 watt de puissance. L’expression de la résistance thermique à l’équilibre est :
Le couple maximal des moteurs de chaque type à différentes vitesses est calculé à l’aide de la résistance thermique équivalente (Rtheq). La formule du couple maximal est la suivante :
ESSAIS THERMIQUES
Pour comparer les caractéristiques de performance des moteurs par type de construction, les moteurs BLDC à rotor fermé, à encoche ouverte et à ventilateur intégré sont testés à différents points de couple et de vitesse avec les instruments suivants :
1. | Moteur plat à encoches 45ECF de Portescap avec capteurs thermiques |
2. | Alimentation électrique |
3. | Electronique de commande pour BLDC |
4. | Dynamomètre avec système de feedback en boucle fermée |
5. | Multimètre RMS |
Le couple est appliqué au moteur avec un dynamomètre. L’augmentation de la température de la bobine est surveillée et enregistrée à l’aide d’un capteur thermique monté sur la bobine du moteur et des données du multimètre RMS. La tendance de l’augmentation de la température au fil du temps est enregistrée jusqu’à ce que le moteur atteigne sa température stabilisée (thermiquement stable). Les moteurs sont testés à des vitesses comprises entre 0 et 8 000 TR/MIN par incréments de 2 000 TR/MIN. La résistance est mesurée lorsque la température de la bobine atteint un état stable. La perte de puissance et la résistance thermique du moteur à chaque vitesse sont calculées sur la base de la résistance mesurée, du courant et de la température stable de la bobine.
La résistance thermique du moteur à rotor à encoche ouverte et du moteur à rotor à ventilateur intégré diminue rapidement avec l’augmentation de la vitesse comme indiqué ci-dessus, tandis que la résistance thermique du rotor fermé diminue légèrement (jusqu’à 3 000 tr/min), puis augmente considérablement (5 000 tr/min et plus).
Le remplacement du rotor fermé par le rotor à encoche ouverte augmente le couple maximal de 54 mNm à 80,5 mNm à 8 000 tr/min, soit une augmentation d’environ 47 % de la capacité de couple. Le rotor à encoche ouverte avec ventilateur intégré a amélioré davantage la capacité de couple maximale, qui atteint 113 mNm, soit 40 % de plus que le rotor ouvert.
Le couple maximal par rapport à la vitesse est tracé pour les moteurs avec un rotor fermé, un rotor à encoche ouverte et un rotor à ventilateur intégré. Le moteur doté d’un rotor à ventilateur intégré a permis d’obtenir la puissance nominale la plus élevée.
RÉSUMÉ DES ESSAIS THERMIQUESY
En raison du flux d'air du ventilateur, le moteur à rotor intégré présentait la meilleure dissipation calorifique. Avec une augmentation de la vitesse, la dissipation calorifique de ce moteur s’améliorera. Le moteur équipé d’un rotor à ventilateur intégré peut absorber plus de courant d’entrée et fournir un couple plus élevé. Le moteur avec le rotor à encoche ouverte avait une puissance nominale moyenne avec une dissipation calorifique modérée. Le moteur à rotor fermé présentait la moins bonne dissipation calorifique. Avec l’augmentation de la vitesse, les pertes fer du rotor fermé ont également augmenté et, au-delà de 5 000 TR/MIN, ont rapidement augmenté avec une diminution significative de la capacité de puissance du moteur.
CONCLUSION
Choisir la configuration appropriée pour un moteur CC sans balais plat à rotor externe représente un défi notable, car cela nécessite une compréhension approfondie des caractéristiques de performance particulières que l’application requiert. Les entreprises spécialisées dans la technologie de micromouvement, comme Portescap, sont en mesure de guider les ingénieurs de conception tout au long du processus de sélection pour identifier le moteur le mieux adapté à l’obtention du résultat souhaité.