Fonctionnement d'un moteur à courant continu à balais

Fonctionnement d'un moteur à courant continu à balais

Fonctionnement d'un moteur à courant continu à balais

PRINCIPES FONDAMENTAUX DU MOTEUR À COURANT CONTINU À BALAIS

La technologie des moteurs à courant continu à balais de Portescap est basée sur l'utilisation d'un rotor sans fer (bobine autoporteuse) et d'un aimant en terres rares ou Alnico, le tout associé à des balais métaux précieux ou des balais charbons. Les caractéristiques particulières de cette technologie permettent de concervoir des entraînements et des asservissements de haute performance : faible frottement, faible tension de démarrage, absence de pertes fer, haut rendement, bonne disspation thermique, relation couple-vitesse linéaire Tous ces avantages simplifient l'utilisation de ces moteurs et la mise en œuvre des boucles d'asservissement Les moteurs à courant continu à balais permettent d'optimiser les applications au mouvement incrémental: la faible inertie du rotor permet des accélérations exceptionnelles. Il en est de même pour les applications fonctionnant sur batterie, pour lesquelles un bon rendement énergétique est primordial. La technologie à rotor sans fer ne génère que très peu de pertes et offre donc un rendement énergétique optimal.

Diagramme du moteur à courant continu

Pourquoi un moteur à courant continu à balais ?

CONCEPTION DU MOTEUR À BALAIS - LES TROIS SOUS-ENSEMBLES PRINCIPAUX

Tous les moteurs à courant continu sont composés de trois sous-ensembles principaux :

  1. le stator,
  2. le couvercle arrière qui intègre les balais
  3. le rotor.

1. Stator

Le stator est composé en son centre d'un aimant permanent à une paire de pôles de forme tubulaire, et d'un tube métallique externe qui permet de fermer le circuit magnétique, dans lequel sont montés les paliers / roulements du moteur. L'aimant est fait de terres rares de haute qualité afin de garantir des performance exceptionnelles, le tout dans un encombrement restreint Le moteur peut être équipé de paliers lisses en bronze fritté ou de roulements à billes en fonction des exigences de votre application

2. Couvercle arrière intégrant les balais

Le couvercle arrière est fabriqué en plastique renforcé. Il existe deux types de balais: les balais charbons et les balais métaux précieux, en forme de peigne multibrins. Le type de balais préconisé dépend des besoins de l'applicaiton. Les balais charbons peuvent être soit en alliage de cuivre et de carbone, soit en alliage d'argent et de carbone. Il sont bien adaptés aux applications nécessitant un couple pic et un couple continu important, comme lors de la succession de démarrages et d'arrêts dynamiques Les balais multibrins garantissent un bon contact et une pression de surface contenue. Un patch de métaux précieux sur la zone de friction permet de limiter les pertes générées par frottement et assure un bon contact électrique. Il en résulte un excellent rendement. Ce type de commutation est approprié pour les applications fonctionnant sur batterie. Notre département R&D peut concevoir des couvercles arrières spécifiques qui limitent le rayonnement électromagnétique, afin de répondre aux exigences EMC de votre application.

3. Rotor

Le rotor est le cœur du moteur à courant continu de Portescap. La bobine est directement et continuellement enroulée sur un support cylindrique qui est par la suite retiré, supprimant les entrefers excessifs et les têtes de bobine inactives qui n'offrent aucune contribution à la création du couple. La bobine est autoporteuse et n'est pas enroulée dans une structure en fer, elle a de ce fait une très faible inertie et aucun couple de détente (pas de position d'équilibre préférentielle du rotor) Contrairement aux autres bobines des moteurs à courant continu à rotor fer (dit conventionnels), elles n'ont pas fer donc elles ne génèrenet pas de pertes fer (hystérésis ou courant de Foucault), et il n'y a pas non plus de phénomène de saturation magnétique du matériau. La caractérisque vitesse-couple du moteur est parfaitement linéaire, la vitesse dépend directement de la tension d'alimentation et du couple de charge. Avec son savoir-faire unique, Portescap a mis au point des bobineuses automatiques capables de s'adapter aux différentes tailles de bobines. Grâce à notre innovation continue, la technologie de nos bobines ne cesse d'évoluer, générant toujours plus de puissance et de performance.

Les différentes combinaisons de balais/collecteurs sont optimisées, garantissant une vitesse de rotation jusqu'à 12,000 tr/min, une grande fiabilité de fonctionnement, et une durée de vie accrue. La gamme de couple des moteurs à courant continu de Portescap va de 0,6 mNm à 150 mNm en continu et de 2,5 mNm à 600 mNm en fonctionnement intermittent.

Caractéristiques de conception des moteurs à balais Portescap MOTEURS À COURANT CONTINU À ROTOR SANS FER

Le rotor en fer d'un moteur à courant continu conventionnel est composé d'un fil de cuivre enroulé dans les encoches de son noyau en fer. Les caractéristiques de ce type de conception sont:

  • Une inertie importante du fait de la quantité et de la masse du fer, ce qui limite la dynamique des arrêts / démarrages
  • Un couple de détente et des positions d'équilibre préférentielles du rotor, du fait de l'attraction magnétique des pôles métalliques en face de l'aimant permanent du stator.
  • Une très grande valeur d'inductance de la bobine, ce qui génère un étincelage important lors de la commutation La formation de cet arc est responsable d'une part d'un bruit électrique et d'autre part d'une électroérosion importante des balais. C'est pour cette dernière raison que des balais de type carbone sont utilisés dans les moteurs conventionnels.
  • Le rotor sans fer permet une importante accélération

Un moteur à courant continu sans fer autoportant de Portescap a de nombreux avantages par rapport aux moteurs conventionnels :

  • rapport couple/inertie élevé,
  • absence de positions préférentielles du rotor
  • couple très bas et variation de la tension induite avec positions d'armature,
  • pratiquement pas d'hystérésis ni de pertes de courant de Foucault,
  • constante de temps électrique négligeable,
  • peu de risque de démagnétisation, ce qui permet une accélération importante,
  • chute de tension négligeable pour les balais (avec des balais de type multibrin),
  • Amortissement visqueux moindre
  • caractéristiques linéaires.

Le système REE de Portescap a prouvé allonger la durée de vie du moteur jusqu'à 1 000 %.

Les deux principaux contributeurs à la durée de vie du commutateur dans un moteur à courant continu à balais sont l'usure mécanique des balais due aux contacts glissants et l'érosion des électrodes due à l'arc électrique. La meilleure finition de la surface, la précision du commutateur ainsi que les améliorations du matériel, tels que des commutateurs métaux précieux avec des alliages adéquats, ont contribué à réduire l'usure mécanique des balais. Pour réduire efficacement l'électroérosion tout en allongeant la durée de vie du commutateur, Portescap a innové en créant son système REE (électroérosion réduite) de bobines. Ce système REE réduit l'inductivité efficace de la commutation des balais grâce à l'optimisation de l'induction mutuelle des segments de bobine. Afin de comparer et de différencier les avantages d'un système REE, Portescap a réalisé des tests sur des moteurs avec et sans l'optimisation de la bobine REE. L'usure de la surface du commutateur a indiqué des améliorations allant de 100 à 300 %, comme indiqué sur le Schéma 5. Les bobines 4, 5 et 6 sont renforcées REE tandis que les bobines 1, 2 et 3 ne le sont pas.

THÉORIE DES MOTEURS À BALAIS - ROTORS SANS FER

Les propriétés électromagnétiques des moteurs avec des rotors sans fer peuvent être décrites grâce aux équations suivantes :

1. La tension de l'alimentation électrique U0 est égale à la somme de la chute de tension produite par le courant I dans la résistance ohmique RM du bobinage du rotor et la tension Ui induite dans le rotor :
U0 = I x RM + Ui (1)

2. La tension Ui induite dans le rotor est proportionnelle à la vitesse angulaire ω du rotor : Ui = kE x ω (2)

Il est nécessaire de noter que la relation suivante existe entre la vitesse angulaire ω exprimée en radians par seconde et la vitesse de rotation n exprimée en tours par minute : ω = (2π n)/60

3. Le couple du rotor M est proportionnel au courant du rotor I :
M = kT x I (3)

Il peut être mentionné ici que le couple de rotor M est égal à la somme du couple de charge ML fourni par le moteur et le couple de friction Mf du moteur :
M = ML + Mf

En remplaçant les équations de base (2) et (3) dans (1), nous obtenons les caractéristiques de couple/vitesse angulaire pour le moteur à courant continu avec un rotor sans fer:
U0 = M x RM + kE x ω (4)

En calculant la constante kE et kT à partir des dimensions du moteur, le nombre de tours par bobinage, le nombre de bobinages, le diamètre du rotor et le champ magnétique dans l'entrefer, nous obtenons le micromoteur à courant direct avec un rotor sans fer :
M/I = Ui /ω = k (5)

Ce qui signifie que k = kE = kT

L'identité kE = kT est également apparente dans les considérations énergétiques suivantes :

La puissance électrique Pe = U0 x I qui est fournie au moteur doit être égale à la somme de la puissance mécanique Pm = M x ω produite par le rotor et de la puissance dissipée (conformément à l'effet Joule) Pv = I2 x RM :
Pe = U0 x I = M x ω + I2 x RM = Pm + Pv

En outre, en multipliant l'équation (1) par I, nous obtenons également une formule pour la puissance électrique Pe :

Pe = U0 x I = I2 x RM + Ui x I
L'équivalence des deux équations donne M x ω = Ui x I ou Ui /ω = M/I et kE = kT = k

CQFD. À l'aide des relations ci-dessus, nous pouvons rédiger les équations de base (1) et (2) comme suit :
U0 = I x RM + k x ω (6)
et
U0 = M x RM/ + k x ω (7)

Caractéristiques « vitesse-couple » exprimées par graphique :

Pour dépasser le couple de friction Mf dû à la friction des balais et des roulements, le moteur consomme un courant sans charge I0. Cela donne
Mf = k x I0
et
U0 = I0 x RM + k x ω0 où
ω0 = 2π/60 x n0 donc
k = U0 - I0 /ω0 x RM (8)

Il est donc tout à fait possible de calculer la constante du moteur k avec la vitesse à vide n0, le courant à vide I0 et la résistance du rotor RM.

Le courant de démarrage Id est calculé de la façon suivante :
Id = U0/RM

Il est donc nécessaire de rappeler que la RM dépend de la température. En d'autres termes, la résistance du rotor augmente avec l'échauffement créé par la puissance dissipée (effet Joule) :
RM = RM0 (1 + γ x ∆T)

Où y est le coefficient de température du cuivre (y = 0,004/°C).
La masse de cuivre des bobines est relativement faible, elle chauffe donc très rapidement à cause du courant dans le rotor, en particulier en cas de démarrage lent ou répétitif. Le couple Md généré par le courant de démarrage Id est obtenu de la manière suivante : Md = Id x k - Mf = (Id - I0 )k (9)

En appliquant l'équation (1), nous pouvons calculer la vitesse angulaire ω produite à une tension U0 avec un couple de charge Mi. Nous calculons d'abord le courant requis pour obtenir le couple M = ML + Mf :
I = (ML + Mf)/k étant donné que Mf/k = I0. Nous pouvons également écrire
I = (ML/k)+ I0 (10)

Pour la vitesse angulaire ω, nous obtenons la relation

ω = (U0 − I x RM)/k (11)
= U0/k − RM/k2 (ML + Mf)

où la valeur de la résistance RM dépend de la température du rotor. En d'autres termes, la valeur de RM doit être calculée à la température de fonctionnement du rotor. D'autre part, avec l'équation (6), nous pouvons calculer le courant I et le couple de charge ML pour une vitesse angulaire donnée ω et une tension donnée U0 :
I = (U0 − k x ω)RM = Id − k/RM ω (12)

Et avec l'équation (10)
ML = (I - I0)k
Nous obtenons la valeur de ML :
ML = (I − I0 )k − k2/RM ω

Un problème courant est le calcul de la tension d'alimentation U0 nécessaire pour obtenir une vitesse de rotation n pour un couple de charge donné ML (vitesse angulaire ω = n x 2π/60). En introduisant l'équation (10) dans la (6), nous obtenons :
U0 = (ML + I0)/k RM + k x ω (13)

Exemples pratiques de calculs
Veuillez remarquer que le système international d'unité (SI) est utilisé.

1. Pour un moteur Portescap® 23D21-216E, nous souhaitions calculer sa constante de couple k , son courant de démarrage Id et son couple de démarrage Md pour une température de rotor de 40 °C. Avec une tension d'alimentation de 12 V, la vitesse à vide n0 est de 4 900 tr/min (ω0 = 513 rad/s), le courant à vide I0 = 12 mA et la résistance RM0 = 9,5 Ω à 22 °C.

En introduisant les valeurs ω0, I0, RM0 et U0 dans l'équation (8), nous obtenons la constante k du moteur 23D21-21E6 : k = 0,012 x 9,5 = 0,0232 Vs 15

Avant de calculer le courant de démarrage, nous devons calculer la résistance du rotor à 40 °C. Avec ∆T = 18 °C et RM0 = 9,5 Ω, nous obtenons RM = (1 + 0,004 x 18) = 9,5 x 1,07 = 10,2 Ω

Le courant de démarrage Id pour une température de rotor de 40 °C devient
Id = (U0/RM) = (12/10,2) = 1,18 A

et le couple de démarrage Md, selon l'équation (9), est Md = k(Id − I0) = 0,0232 (1,18 − 0,012) = 0,027 Nm

2. Posons-nous la question suivante : quelle est la vitesse de rotation n atteinte par le moteur avec un couple de charge de 0,008 Nm et une tension d'alimentation de 9 V et pour une température de rotor de 40°C ?

Grâce à l'équation (10), nous calculons d'abord le courant qui est fourni au moteur dans ces conditions :

I = (ML/k)+ I0 = (0,008/0,0232) + 0,012 = 0,357 A

L'équation (11) donne la vitesse angulaire ω :
ω (U0 − I x RM)/k = (9 − 0,357 x 10,2)/0,0232 = 231 rad/s
et la vitesse de rotation n : n = 60/2π ω = 2 200 tr/min

Par conséquent, le moteur atteint une vitesse de 2 200 tr/min et consomme un courant de 357 mA.

3. Calculons maintenant le couple M pour une vitesse de rotation n de 3 000 tr/min (ω = 314 rad/s) et une tension d'alimentation U0 de 15 V. L'équation (12) donne la valeur du courant :
I = (U0 − k x ω)/RM = Id − k/RM x ω
= 1,18 − (0,0232/10,2) x 314 = 0,466 A
et le couple de charge ML :
ML = k(I − I0)
= 0,0232 (0,466 − 0,012)
= 0,0105 Nm
(ML = 10,5 mNm)

4. Enfin, calculons la tension d'alimentation U0 requise pour obtenir une vitesse de rotation n de 4 000 tr/min (ω = 419 rad/s) avec un couple de charge ML de 0,008 Nm. La température du rotor étant à nouveau de 40 °C (RM = 10,2 Ω).
Comme nous l'avons déjà calculé, le courant I nécessaire pour un couple de 0,008 Nm est 0,357 A
U0 = I x RM + k x ω
= 0,357 x 10,2 + 0,0232 x 419
= 13,4 volt

APPLICATIONS DE MOTEURS À BALAIS

MÉDICAL

  • Instruments chirurgicaux électriques
  • Instruments dentaires à main
  • Pompes à perfusion, volumétriques et à insuline
  • Equipement de diagnostic et de numérisation

Avantages : Analyseurs de faibles dimensions avec une haute efficacité et précision de positionnement d'échantillons

S´ÉCURITÉ ET ACCÈS

  • Caméras de sécurité
  • Verrous
  • Lecteurs de codes-barres
  • Systèmes de radiomessagerie

Avantages : Faibles bruits et vibrations, haute puissance et efficacité élevées

AÉRONAUTIQUE ET DÉFENSE

  • Jauges de cockpit
  • Indicateurs
  • Satellites
  • Lecteurs optiques

Avantages : Faible inertie, compacité et poids, haute efficacité

ROBOTIQUES ET AUTOMATISATION INDUSTRIELLE

  • Convoyeurs
  • Véhicules contrôlés à distance
  • Robots industriels

Avantages : Puissance élevée et faible poids

OUTILS ÉLECTRIQUES MANUELS

Sécateurs, cloueurs

Avantages : Haute efficacité, compacité et poids, faible niveau de bruit

AUTRES

Matériel de bureau, semi-conducteurs, trains miniatures, manipulation de documents, outils optiques, transport automobile, audio et vidéo

Avantages : Faible bruit, puissance élevée, meilleur régulation du moteur

Présentation des applications

ANALYSEURS MÉDICAUX Avec à ses moteurs à courant continu à balais sans fer, Portescap offre des solutions pour les multiples besoins des analyseurs médicaux, que ce soit pour le prélèvement d'échantillons ou pour l'analyse des structures moléculaires dans les liquides ou les gaz. Grâce à leur grande efficacité et leur haute vitesse, les moteurs à courant continu avec balais sans fer sont un choix idéal pour des applications à haut débit, comme par exemple les analyseurs, traitant jusqu'à plus de 1 000 échantillons par heure,  Leur rotor de faible inertie et leur courte constante de temps mécanique font de ces moteurs la solution parfaitement adaptée à de telles applications. Par exemple, un moteur à courant continu à balais sans fer de 22 mm a une vitesse à vide de 8 000 tr/min et une constante de temps mécanique de 6,8 millisecondes. Une autre fonction critique des analyseurs est le prélèvement d'échantillons à partir de tubes à essais. Ces échantillons sont transférés à des systèmes de mesure basés sur la photométrie, la chromatographie ou d'autres techniques. Ici encore, un moteur à courant continu à balais sans fer est recommandé grâce à sa densité de puissance et son petit encombrement. Vous pouvez maximiser la productivité de votre application avec un moteur puissant de 16 ou de 22 mm de Portescap.

Présentation des applications

POMPES À PERFUSION Les moteurs à courant continu à balais sans fer présentent des avantages non négligeables comparés à ceux avec fer, en particulier pour des applications de pompes médicales nécessitant une excellente efficacité, et une forte puissance dans un plus petit format. Un des facteurs qui diminue les performances du moteur à long terme est l'échauffement du moteur associé à l'effet de Joule. Au niveau du moteur, cela est dû à son facteur de régulation. Ce dernier est défini par la résistance de la bobine, R et la constante de couple, k. Plus le facteur de régulation du moteur (R/k²) est faible, meilleures sont les performances et l'efficacité durant toute la durée de vie. La dernière innovation de Portescap sur les moteurs Athlonix offre une solution avec un facteur de régulation très faible. Des applications telles que les pompes à perfusion ont déjà opté pour cette technologie permettant d'obtenir des plus hautes performances, une efficacité supérieure, des pertes de chaleur réduites, pour un très faible encombrement.

Présentation des applications

ÉQUIPEMENT DE MONTAGE POUR L'ASSEMBLAGE ÉLECTRONIQUE Les moteurs Portescap sans fer avec une commutation en carbone, et tout particulièrement ceux de taille 35 mm, sont un excellent choix pour les outils de robotique, d'assemblage électronique ou les équipements de machines automatisées . Portescap s'investit énormément dans les machines de placement et de manutention (pick and place). Nos moteurs de 35 mm à faible inertie sont capables d'accélérer très rapidement tout en générant peu d'interférences électromagnétiques. De plus, ils peuvent fonctionner sur des applications nécessitant des arrêts et des démarrages fréquents. Ceci en fait une solution intéressante pour des machines ayant besoin de petites solutions motorisées. 

INFORMATIONS COMPLÉMENTAIRES

Ensemble de rotor

Vue en coupe du moteur à courant continu à balais