Optimisation des moteurs BLDC, pour applications nécessitant une grande vitesse

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Il existe une tendance à la hausse dans les demandes de moteur à courant continu sans balais  pour des applications à haute vitesse. Par exemple, les nouvelles technologies de turbine ont modifié la conception des respirateurs modernes qui sont devenus plus petits et plus silencieux. De telles performances requièrent des moteurs qui tournent à une vitesse de 50 à 60 000 tr/min et sont capables de fournir d'importantes accélérations et freinages de façon synchronisée avec le profil respiratoire des patients.

D'autres exemples sont les outils à main chirurgicaux et dentaires Ils doivent être plus robustes et plus petits que jamais. Un moyen d'y arriver est d'utiliser des moteurs sans balais à haute vitesse qui peuvent offrir la puissance et les performances nécessaires, dans un encombrement optimisé.

La puissance mécanique est le produit du couple et de la vitesse. Pour accroître la puissance, nous pouvons soit augmenter le couple, soit la vitesse. De manière générale, pour une technologie donnée, le couple continu fourni est lié à la taille du moteur.  Le couple continu est souvent limité par les aspects thermiques liés à l'application.

Par exemple, à l'arrêt ou à faible vitesse, la seule puissance dissipée par le moteur correspond aux pertes Joule.

Si l'on considère,

T = couple du moteur

RTh1 = Résistance thermique entre la bobine et le tube

RTh2 = Résistance thermique entre le tube et l'air extérieur

K = Constante de couple moteur

R = Résistance de la bobine du moteur

Pj = Puissance dissipée par l'effet Joule

Δ T = Variation maximale de la température de la bobine

ΔT = (RTh1 + RTh2 ). Pj = (RTh1 + RTh2) .R.I² = (RTh1 + RTh2). R. T²/ K²

 

* (RTh1 + RTh2). R/K² représente « Le facteur de mérite » permettant de caractériser le moteur. C'est un critère de choix.

 

Sans tenir compte des contraintes à haute vitesse, un designer de moteur essayera d'optimiser le couple que le moteur peut dissiper pour une puissance donnée. Le facteur de mérite R/K² est un bon facteur de caractérisation d'un moteur. Plus la valeur est petite, plus efficient est le moteur. Un bon moteur doit avoir une faible valeur de résistance et une constante de couple élevé.

Étant donné que la constante de couple dépend du circuit magnétique, l'objectif pendant la conception du moteur est d'avoir le maximum de flux généré par l'aimant traversant le bobinage. Une façon d'augmenter la constante de couple est d'utiliser des aimants plus forts, tels que le NeoFe qui est proche des 50 MGoe à l'heure actuelle.

Afin de réduire les pertes Joule, l'objectif est d'avoir une section de câbles aussi grande que possible et donc la plus petite résistance de cuivre possible. Même avec un facteur R/K² optimisé, le couple maximal est toujours limité, pour une taille de moteur donnée, par sa limite thermique. Par conséquent, l'autre paramètre à utiliser pour augmenter la puissance est l'augmentation de la vitesse.

En théorie, il semble facile d'augmenter la vitesse en augmentant simplement la tension de l'alimentation électrique. (Voir Schéma 1) Cependant, l'augmentation de la vitesse entraînera plus d'échauffement à cause :

• des pertes fer,
• des pertes dues à la friction des paliers,
• des pertes dues aux fluctuations de courant.

Les pertes de fer dues au courant de Foucault sont les pertes dues à la circulation du courant dans les lamelles créées par le flux magnétique. (Voir Schémas 2 et 3)

Si l'on considère,

Φ = flux magnétique
B = Induction dans le fer
Φ = ∫∫ BdS

Une variation du flux générera un courant au sein du matériau magnétique comme un transformateur dans sa bobine secondaire. L'équation pour ce courant I est :

O = RI + (dΦ/dt)

I = courant dans le matériau magnétique

R = résistance du matériau magnétique

Pertes fer dues au courant de Foucault = RI² ≅ χ. B².w²

χ est un paramètre lié à la conception et à l'utilisation du matériel.

Les pertes de fer dues au courant de Foucault dépendront du carré de l'induction dans le fer et du carré de la fréquence.

Pour diminuer les pertes de fer, nous utiliserons des lamelles plus fines avec une plus grande résistance électrique. Plus les lamelles sont fines, plus les boucles de courant seront longues, ce qui augmentera la résistance du circuit.

Pertes fer dues à l'hystérésis :

Le matériau magnétique utilisé pour conduire le champ magnétique présente une hystérésis. L'induction dans ce matériel suit le cycle décrit au Schéma 4.

Courbe d'hystérésis du matériau magnétique souple :

Les pertes dues à l'hystérésis dans le matériau sont de type :

Physt = ∫ HdB

Par conséquent :

Physt = μ.λ.B².w²

µ étant lié à la perméabilité du matériau utilisé, le paramètre λ étant lié au volume et à la coercivité du matériau. Pour les moteurs conçus pour tourner à haute vitesse, nous utiliserons un materiau présentant un petit champ coercitif comme FeNi.

Tel que décrit précédemment, les pertes fer dépendent du carré de l'induction des lamelles de fer et du carré de la fréquence. C'est pourquoi les moteurs qui ont un grand nombre de paires de pôles sont limités en terme de vitesse. Dans de nombreux cas, en fonction de la conception, un moteur avec deux paires de pôles aura plus de pertes de fer qu'un moteur qui a une seule paire de pôles, mais il est probable que ce moteur aura un meilleur R/K².

 

Optimisation d'un moteur à courant continu sans balais pour des applications à haute vitesse

Différents types de moteurs à courant continu sans balais :

En matière de technologie, il existe deux grands types de moteurs à courant continu sans balais, avec ou sans encoches. Cette indication fait référence à la configuration du stator du moteur. (Voir Schémas 5 et 6)

Moteurs à stator avec encoches (Voir Schéma 7)

Les bobines de cuivre sont enroulées dans les encoches. L'induction magnétique dans les tôles est relativement élevée étant donné que l'entrefer entre les tôles (stator) et l'aimant est petit. Par conséquent, nous pouvons utiliser un aimant de petit diamètre. Le volume du cuivre est limité par l'espace de l'encoche et par la difficulté de bobinage dans l'encoche. Disposer de la bobine à l'intérieur des encoches du stator permet de réduire la résistance thermique de l'ensemble bobine/stator.

Sans courant, le rotor dispose de positions magnétiques de préférence face aux tôles, ce qui génère un couple « d'encochage » ou de détente. Une façon de réduire le couple de détente est d'adapter les tôles. La conception du moteur avec encoches le rend très solide, car la bobine est insérée dans les tôles. Il est possible de concevoir des moteurs qui ont un grand rapport longueur/diamètre.

Moteurs sans encoches (Voir Schéma 8)

Dans un moteur sans encoches, la bobine est enroulée via une opération externe indépendante et est de type « autoportante ». Cette bobine s'insère ensuite directement dans l'entrefer pendant l'assemblage du moteur.

Dans cette conception, l'induction magnétique dans la bobine diminue, lorsque l'entrefer augmente. Par conséquent, le diamètre du moteur est généralement optimisé afin d'avoir l'induction magnétique idéale avec le volume de cuivre optimal. L'induction dans un tel moteur est généralement, par conception, beaucoup plus petite que dans un moteur sans balais à encoches. Un aimant plus grand sert généralement à compenser la perte d'induction. Étant donné que l'inertie d'un rotor suit le carré de son diamètre, l'inertie d'un moteur sans encoches est généralement supérieure à celle du moteur avec encoches.

En termes de R/K², un moteur sans encoches a un bon facteur de mérite, car l'induction par rapport au volume de cuivre est optimisée. Sans circulation de courant, le rotor voit un flux magnétique continu. Un moteur sans encoches n'a donc pas de couple d'encochage/de détente. Par conception, les pertes fer à haute vitesse sur des moteurs sans encoches sont grandement réduites.

Indicateurs de performances	Conception de moteur avec encoches	Conception de moteur sans encoches
R/K2		Nouveaux aimants et nouvelle technologie de bobinage
RTh1	Meilleure dissipation thermique : bobine-tube
RTh2	Idem	Idem
Inertie	Entrefer plus faible permettant un diamètre d'aimant inférieur
Pertes de fer		Induction moindre dans les tôles
Résistance aux chocs mécaniques et thermiques	La bobine est insérée dans les tôles
Impact des nouveaux aimants sur la conception		Des aimants plus puissants permettent d'avoir un entrefer plus important

En fonction des exigences de l'application, Portescap a l'avantage de pouvoir recommander des moteurs avec ou sans encoches pour des performances optimales : Couple maximal, échauffement réduit, meilleur rendement, moins de vibrations, entre autres choses.

Optimisation du moteur pour une application à haute vitesse :

Nous avons précédemment étudié les différents types de technologies de moteur, mais toutes répondent aux mêmes équations physiques.

En fait, pour obtenir le couple, nous devons considérer un moteur qui a un bon R/K². Comme nous le savons, ce chiffre augmentera si nous augmentons l'induction générée par l'aimant. Malgré cela, nous avons également vu que les pertes fer dépendent du carré de l'induction ainsi que du carré de la vitesse du rotor. Le Schéma 9 présente une illustration de deux moteurs :

A. Un moteur qui a un bon R/K² présente peu de pertes à basse vitesse (principalement des pertes Joule), mais des pertes élevées à haute vitesse (pertes Joule + pertes fer).

B. Un moteur qui a un R/K² plus faible.

Durant la phase d'optimisation, nos ingénieurs optimiseront les pertes en fonction du point de fonctionnement d'une application donnée. Le point de fonctionnement est défini par le couple et la vitesse.

 

Exemples d'applications

• Moteurs à haute vitesse pour respirateurs. (Voir Schéma 10) Le moteur dans une telle application doit être capable de passer de quelques milliers de tours par minute à 50 000 tr/min en quelques millisecondes de façon synchronisée avec le schéma respiratoire du patient. Le couple nécessaire pour faire tourner la turbine est dans la gamme de quelques kg cm. La majeure partie du couple sert à accélérer et à freiner la turbine. Le contrôle de la température du moteur est essentiel à l'environnement (l'air inhalé par le patient), mais également à la durée de vie de ses roulements à billes. Portescap, pionnier des moteurs pour appareils de ventilation, a récemment mis au point une nouvelle famille de produits pour cette application précise, où les pertes Joules par rapport aux pertes de fer ont été optimisées, afin de répondre à des besoins toujours plus pointus.
• Moteurs pour instruments chirurgicaux manuels. (Voir Schéma 11) Les moteurs pour instruments chirurgicaux manuels doivent tourner à haute vitesse pour fournir de la puissance dans un ensemble léger, fonctionner à basse température pour le confort du chirurgien et être capables de survivre au processus de stérilisation par autoclavage. L'optimisation du circuit magnétique a permis à Portescap de concevoir un moteur de 16 mm de diamètre capable de fournir un couple de quelques kg cm à une vitesse maximale de 80 000 tr/min sans dépasser 43°C . Portescap a plus de 20 ans d'expérience dans la réalisation de moteurs autoclavables, ce qui lui a permis de concevoir un design dont ses clients affirment qu'il permet de conserver toutes les fonctionnalités des instruments chirurgicaux manuels - et ceci pendant plus de 1000 cycles d'autoclavage.

 

Conclusion

Les moteurs électriques évoluent continuellement grâce à la mise sur le marché constante de nouveaux matériaux. Aujourd'hui, les moteurs électriques peuvent atteindre une très haute vitesse, grâce aux aimants NeoFe atteignant 50 MGoe et de nouveaux matériaux de tôles limitant les pertes. Il est essentiel de comprendre en détail les caractéristiques de chaque application afin de proposer un design optimal. Portescap a donc mis au point des technologies de moteur, afin d'offrir une solution optimale pour chaque application.