Comment Sélectionner Et Adapter Une Bobine en Fonction Du Point De Fonctionnement Du Moteur Requis Et De L'alimentation Électrique

INTRODUCTION

Quelle que soit sa construction, un moteur à courant continu (CC) effectue toujours la même tâche : convertir l'énergie électrique en énergie mécanique. La tension et le courant fournis au moteur sont convertis en couple de sortie et en vitesse de rotation de l'arbre du moteur. Cependant, de nombreuses applications, par exemple les appareils médicaux portables tels que les pompes à perfusion, ne nécessitent pas n'importe quel moteur CC, mais un moteur qui effectue cette tâche avec le meilleur rendement afin de disposer d'une solution durable et fiable. C'est généralement là qu'un moteur CC sans fer entre en jeu.(Figure 1)

Si l'on considère, à titre d'exemple, que le moteur doit fonctionner en continu à environ 7 000 tr/min et à un couple de 4 mNm, il doit fournir une puissance continue de 2,9 W. Un moteur à courant continu sans fer Athlonix™ 16DCT de Portescap avec commutation en métal précieux convient bien à cet exemple, car il prend en charge une puissance continue maximale de 4,2 W (voir figure 2).

Sachant que ce moteur peut fournir la puissance continue nécessaire, il ne reste plus qu'à choisir la bobine. Afin de choisir celle qui convient, il est essentiel de comprendre les deux points suivants :

Le couple maximal continu d'un moteur CC dépend de sa capacité à dissiper la chaleur, et donc principalement de ses dimensions. Changer la bobine d'un moteur CC n'aura pas d'impact sur son couple maximum continu.
Le changement de bobine permet d'adapter le moteur à l'alimentation disponible (tension et courant) pour créer une solution de moteur efficace.

Dans l'article suivant, nous allons d'abord jeter un coup d'oeil aux formules importantes impliquées dans la sélection d'une bobine de moteur CC. Nous examinerons ensuite différents scénarios dans lesquels diverses alimentations sont disponibles, et montrerons leur impact sur le choix de la bobine afin de mieux comprendre les points susmentionnés.

EXAMEN DE LA THÉORIE

Couple
Le couple produit par un moteur à courant continu peut être décrit par la relation suivante : le couple de sortie produit est égal à la constante de couple du moteur multipliée par le courant consommé.

Si nous développons davantage la constante de couple par rapport à sa dépendance de base, nous pouvons représenter la même formule comme suit :

Les paramètres « r », « l » et « B » dépendent du moteur choisi et de ses dimensions. Par conséquent, pour concevoir des bobines différentes pour des constantes de couple différentes, le nombre de tours de bobine « N » varie.

VITESSE

La vitesse de rotation d'un moteur CC peut être décrite par la relation suivante :

Si l'on considère une taille de moteur spécifique (par exemple, un diamètre de 16 mm et une longueur de 25 mm), le facteur de régulation du moteur R/kM2 est constant pour les différentes bobines. En négligeant la friction, la vitesse à vide ω0 du moteur est définie par la tension d'alimentation disponible et la constante de couple de la bobine : (Figure 3)

L'exemple ci-dessus montre clairement pourquoi il est possible de choisir parmi différentes bobines pour un moteur spécifique : toutes les bobines présentées sont capables d'atteindre le même point de fonctionnement, par exemple à 5 500 tr/min et un couple de 5 mNm, mais avec des tensions d'alimentation et des exigences de courant différentes. La bobine est donc choisie pour adapter le moteur à l'alimentation disponible.

RENDEMENT ET PUISSANCE MÉCANIQUE

Le rendement est défini comme la puissance mécanique produite divisée par la puissance électrique absorbée :

Les moteurs à courant continu de Portescap atteignent généralement un rendement de 90 % grâce à leur conception sans fer et à leur circuit magnétique optimisé. Cependant, outre la friction, une partie de l'énergie électrique sera toujours perdue, principalement en raison de la chaleur créée par le courant circulant dans le fil de cuivre de la bobine. Ces pertes de chaleur sont appelées « pertes par effet Joule » et sont proportionnelles à la résistance de la bobine multipliée par le carré du courant. (Figure 4)

Pour obtenir un rendement élevé, l'objectif doit donc être de créer la puissance mécanique maximale avec les pertes par effet Joule les plus faibles possibles. Ceci est obtenu en utilisant le moteur à une vitesse élevée et un faible couple, comme on peut le voir sur le graphique ci-dessous. (Figure 5)

Même si la puissance mécanique d'un moteur CC est maximale lorsqu'il est utilisé à la moitié de son couple de décrochage, son rendement est beaucoup plus élevé à un couple plus faible en raison du courant moteur plus faible, et donc des pertes par effet Joule plus faibles. Pour utiliser le moteur à la vitesse la plus élevée possible et donc le meilleur rendement, la bobine du moteur est sélectionnée en conséquence.

CHOISIR LA BONNE BOBINE, SUR LA BASE DES ARTICLES DISPONIBLES EN CATALOGUE

Lors de l'identification de la bonne solution de moteur, la personnalisation de la bobine n'est pas toujours une option. Le développement d'une nouvelle bobine nécessite un investissement en temps et en argent de la part du client et du fabricant de moteurs. Par conséquent, cette première section se concentrera sur le choix de la bonne bobine à partir de celles disponibles en catalogue uniquement.

Scénario 1 – Alimentation à source de tension

Prenons le même exemple que dans l'introduction mais en considérant bien l'alimentation disponible :

Point de fonctionnement : fonctionnement continu autour de 7 000 tr/min avec un couple de 4 mNm, soit 2,9 W
Moteur choisi : Portescap 16DCT Athlonix™ CC sans fer, puissance de sortie continue maximale = 4,2 W
Alimentation disponible : source de tension avec tension fixe de 10,8 V

La bobine 213E et la bobine 211E semblent être un choix raisonnable, car elles ont été conçues pour fonctionner à environ 8 000 tr/min à 9 V et 12 V respectivement. La vitesse et le courant du moteur au point de fonctionnement avec une tension d'alimentation de 10,8 V peuvent être calculés en utilisant la formule présentée dans l'introduction et les paramètres de la bobine disponibles dans la fiche technique : (Figure 6).

Il devient évident que seule la bobine 213E peut atteindre une vitesse supérieure à 7 000 tr/min avec la tension d'alimentation et le couple de charge disponibles. Avec une source de tension, il n'y a qu'une seule correspondance la plus proche pour sélectionner une bobine du catalogue. Pour optimiser le moteur en choisissant la meilleure bobine possible, une source de courant est nécessaire.

Scénario 2 – Alimentation à source de courant

Dans ce deuxième scénario, une source de courant est disponible au lieu d'une source de tension pour atteindre le même point de fonctionnement :

Point de fonctionnement : fonctionnement continu supérieur à 7 000 tr/min avec un couple de 4 mNm, soit 2,9 W
Moteur approprié : Portescap 16DCT Athlonix™ cc sans fer, puissance de sortie continue maximale = 4,2 W
Alimentation disponible : source de courant, courant continu max. disponible = 1 A, 1-15 V

La source de courant disponible peut fournir un courant continu de 1 A maximum, dans une plage de tension de 1 à 15 V. La tension d'alimentation étant flexible, une gamme beaucoup plus large de bobines de catalogue disponibles peut être envisagée pour atteindre le point de fonctionnement. La tension requise pour atteindre le point de fonctionnement à 7 000 tr/min et 4 mNm peut être calculée à l'aide de la formule présentée dans la section « Examen de la théorie » de ce livre blanc. Comme dans le premier scénario, le courant nécessaire pour atteindre le point de fonctionnement est calculé dans la deuxième étape.

Les bobines 219P et 207P ne sont pas une option car elles nécessitent respectivement une tension et un courant en dehors de la plage disponible. La bobine 219E est la plus efficace de ces trois bobines si le rendement total est le critère. Toutefois, dans la plupart des cas, la bobine qui consomme le moins de courant constitue le meilleur choix. Une consommation de courant plus faible se traduira par une durée de vie plus longue du système de commutation et augmentera le nombre de cycles avec une seule charge de batterie pour les applications alimentées par batterie.

Dans ce scénario avec une alimentation par source de courant, la bobine 211E consomme presque la moitié du courant par rapport à la bobine 219E et constitue donc le meilleur choix parmi les bobines du catalogue. Par rapport à la bobine 213E sélectionnée dans le scénario 1 avec une alimentation par source de tension, cela permet de diminuer la consommation de courant du moteur de presque 25 % tout en obtenant le même point de fonctionnement.

ADAPTER UNE BOBINE À L'ALIMENTATION ÉLECTRIQUE DISPONIBLE SI ELLE N'EST PAS DISPONIBLE DANS LE CATALOGUE (Figure 7)

Dans le second scénario, il est possible d'atteindre le point de fonctionnement souhaité en utilisant une bobine du catalogue, grâce à la disponibilité d'une alimentation à source de courant. Cependant, le fait de considérer uniquement des bobines disponibles en catalogue ne permet pas toujours d'atteindre le point de fonctionnement souhaité. Dans ce cas, il est préférable d'envisager une bobine conçue sur mesure et adaptée à l'alimentation électrique, comme le montre l'exemple ci-dessous.

Point de fonctionnement : fonctionnement continu supérieur à 6 000 tr/min avec un couple de 4 mNm, soit 2,5 W
Moteur approprié : Portescap 16DCT Athlonix™ cc sans fer, puissance de sortie continue maximale = 4,2 W
Alimentation disponible : 7 V, limitation de courant = max. 0,5 A

Le catalogue propose deux bobines qui sont conçues pour environ 8 000 tr/min à vide et respectivement 6 V et 9 V, mais les deux bobines sont soit trop lentes, soit trop rapides, à 7 V. De plus, la consommation de courant de la bobine 219E est un problème :

Pour atteindre le point de fonctionnement souhaité, une bobine en dehors de la gamme disponible dans le catalogue est nécessaire. Ceci sera réalisé en concevant une bobine spéciale, qui aura un nombre de tours compris entre celui des bobines 219E et 213E. Un fabricant de moteurs spécialisé est en mesure de concevoir et de proposer une nouvelle bobine comme décrit ci-dessus, en fonction de la taille du projet. (Figure 8).

POINTS CLÉS À RETENIR

Les points suivants sont essentiels à prendre en compte lors de la sélection d'un moteur CC pour une application nécessitant un rendement élevé :

La taille du moteur est choisie en fonction de la puissance mécanique requise. Seul un moteur de taille suffisamment importante est capable de développer le couple nécessaire et de dissiper la chaleur générée par les pertes dans le moteur.
Lors du choix de la bobine du moteur, il faut tenir compte de l'alimentation électrique disponible. Un fournisseur de moteurs propose généralement un ensemble de bobines permettant d'atteindre le même point de fonctionnement avec des exigences différentes en matière de tension et de courant.
Pour une solution de moteur à haute efficacité, la puissance mécanique requise doit être créée avec une vitesse élevée et un couple faible. On peut y parvenir en choisissant une bobine qui tire le meilleur parti de l'alimentation électrique disponible.

Un fournisseur de solutions de mouvement dédié peut aider les clients à identifier la bonne solution de mouvement pour une application, en tenant compte des considérations ci-dessus.

POUR CONTACTER UN INGÉNIEUR

Figure 1 - Conception d'un moteur CC sans fer Portescap
Figure 2 - Extrait de la fiche technique d'un moteur Portescap 16DCT (les bobines au-dessus de 15 V ne sont pas représentées)
Figure 3 - Vitesse et courant du moteur en fonction du couple pour un moteur 16DCT avec trois bobines différentes
Figure 4 - Lors de la conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique avec un moteur à courant continu, la friction et la chaleur entraînent des pertes.
Figure 5 - Rendement et puissance mécanique d'un moteur 16DCT 26P1 219P 0,1 à 3 V
Figure 6 - Comparaison de la vitesse et du courant entre les bobines 213E et 211E à 10,8 V
Figure 7 - Comparaison de la vitesse et du courant entre les bobines 219E, 213E et 211E en utilisant une source de courant
Figure 8 - Comparaison de la vitesse et du courant entre les bobines 219E et 213E à 7 V