CONSIDÉRATIONS THERMIQUES POUR LES MOTEURS CC À BALAIS SANS FER ET LES MOTEURS CC SANS BALAIS

INTRODUCTION ET PRINCIPE

La conversion de l'énergie électrique en puissance mécanique s'accompagne toujours de pertes pendant le processus. Ces pertes de puissance sont principalement transformées en puissance thermique et ont tendance à être d'autant plus importantes que la puissance mécanique est élevée. L'énergie thermique générée à l'intérieur d'un moteur électrique crée une élévation de température qui donne lieu à un transfert de chaleur du plus chaud vers le plus froid (grâce à la conduction et à la convection), et finit par transporter la chaleur vers l'extérieur du moteur.

L'un des plus grands défis pour les fabricants de moteurs électriques est de s'assurer que la température interne instantanée du moteur ne dépasse jamais la température maximale admissible de ses différents composants. En fonction de la conception du moteur et des matériaux utilisés, les phénomènes thermiques régissent les performances du moteur.

Les concepteurs envisagent généralement deux axes d'amélioration pour augmenter les performances d'un moteur sans surchauffer ni endommager ses composants:

Minimiser les pertes: améliorer l'efficacité de la conversion de puissance en générant moins de chaleur pour une puissance mécanique donnée (permettant une puissance mécanique plus élevée pour la même génération de chaleur).

Améliorer la capacité du moteur à évacuer l'énergie thermique générée (dissipation thermique) afin de diminuer l'élévation de température interne, autorisant une plus grande génération d'énergie thermique pour la même élévation de température.

Pour vous aider à comprendre ce phénomène, nous utiliserons une analogie du remplissage d'eau d'une baignoire qui fuit simultanément.

Le débit d'eau sortant du robinet correspond à la génération d'énergie thermique à l'intérieur du moteur. Dès que l'eau s'accumule dans la baignoire, la pression au fond engendre une fuite qui envoie l'eau hors de la baignoire, correspondant à la dissipation thermique. Plus le niveau d'eau est élevé, plus la pression au fond de la baignoire est élevée, et donc plus le débit de fuite d'eau est important.

De même, la dissipation thermique d'un moteur est proportionnelle au delta entre la température intérieure du moteur et la température extérieure (ambiante). Mais de la même façon que le débit d'eau dépend du diamètre du trou de sortie, la dissipation thermique dépend également de la résistance thermique, qui définit la « difficulté » de transporter la chaleur hors du moteur. Plus la résistance thermique est faible, plus la chaleur sera dirigée facilement et rapidement vers l'extérieur du moteur, ce qui signifie une puissance de dissipation plus importante :

Une baignoire a une capacité limitée et débordera si le niveau d'eau dépasse un certain point. De même, les composants d'un moteur ont une capacité thermique donnée et le fait que la température instantanée dépasse un certain niveau peut endommager les composants en quelques secondes. Les performances nominales du moteur doivent correspondre à l'exigence de maintenir sa température dans la plage de température de fonctionnement admissible.

Habituellement, le composant le plus critique est la bobine, car c'est là même que se produit l'échauffement par effet Joule. En cas de température excessive, le revêtement isolant autour du fil de cuivre finirait par fondre, entraînant des dommages permanents au moteur.

FONCTIONNEMENT EN RÉGIME STABILISÉ

Moteur CC à balais

Un moteur CC à balais sans fer est généralement conçu comme une bobine autoportante tournant dans l'entrefer entre un aimant permanent et le tube extérieur, qui font tous deux partie du stator.

La puissance d'échauffement par effet Joule (W) produite dans la bobine en rotation est directement liée à sa résistance électrique R (Ω) et au courant qui la traverse, I (A). Il n'y a pas de pertes de fer, car le rotor est sans fer.

Au fur et à mesure que la température de la bobine augmente, la chaleur sera transférée de la bobine au tube (1), puis du tube à l'environnement ambiant (2), comme le montre la figure 2. Ces deux étapes successives ont des résistances thermiques différentes (Rth1 et Rth2, respectivement), ccar les matériaux individuels ont des conductivités thermiques disparates, et la forme, la masse et la surface de chaque pièce ont également une influence sur la façon dont la chaleur sera transférée.

Une question d'équilibre entre génération et dissipation…

En supposant que le courant électrique I circulant à travers la bobine n'est pas excessif, la température de la bobine augmente et la dissipation thermique augmente également (car proportionnelle à Tbobine - Tamb) jusqu'au point où la dissipation thermique compensera exactement la génération de chaleur. À ce stade, l'énergie thermique contenue dans le moteur est constante dans le temps, ce qui signifie que la température de ses composants ne variera plus.

Comme la baignoire qui perd exactement autant d'eau par seconde que le robinet en ajoute dans le même temps, la bobine se stabilisera à une certaine température de la même façon que le niveau d'eau se stabilise à une hauteur donnée dans la baignoire. Si la température de la bobine est légèrement supérieure à cette valeur stabilisée, la puissance de dissipation légèrement augmentée permettra à la température de redescendre à la valeur stabilisée. Le régime stabilisé est alors atteint.

Il est possible de calculer la température stabilisée de la bobine en fonction du courant électrique I (A), de la résistance électrique R (Ω), des résistances thermiques Rth1 et Rth2 (K/W) (additionnées, car consécutives) et de la température ambiante Tamb (K), car la dissipation thermique est équilibrée avec la création de chaleur en régime stabilisé:

La résistance électrique augmente à mesure que la température augmente…

Considérant que la résistance électrique (R) de la bobine dépend en réalité de sa température instantanée, et que la température de la bobine est maintenant beaucoup plus élevée que la température ambiante, il est important de considérer la résistance électrique réelle de la bobine à une température donnée.

À titre d'exemple, en considérant une élévation de température de bobine de 100 °C (Tbobine - Tamb), la formule ci-dessus montre que la résistance de la bobine est 39 % plus élevée à 122 °C par rapport à sa résistance à 22 °C (R22), ce qui est une augmentation drastique qui ne peut être négligée dans les calculs thermiques.

Du fait de ce phénomène, la puissance d'échauffement par effet Joule R*I2 iest donc plus importante à haute température (en supposant que le courant soit toujours le même), et conduira la bobine à atteindre son régime stabilisé final à une température qui peut être calculée comme suit :

Le tableau 1 montre qu'après un certain temps (en fonction de la constante de temps thermique), la température de la bobine augmente de plus en plus lentement jusqu'à ce qu'elle atteigne sa température de régime stabilisé.

Supposons que le courant électrique I est maintenant plus élevé (en raison d'un couple de charge plus important, par exemple), la bobine se stabilise alors à une température plus élevée qu'auparavant. La température de bobine stabilisée acceptable la plus élevée ne doit pas dépasser la température maximale admissible de la bobine, spécifiée par le fabricant du fil de cuivre (par exemple, 125 °C). Par conséquent, cela définit une valeur de courant électrique maximum qui peut être calculée avec la formule précédente, et qui est généralement appelée « courant nominal » ou « courant continu maximum » dans les spécifications du moteur. Le couple et le courant étant proportionnels (s'il n'y a pas de saturation), cela définit également le « couple nominal » ou le « couple continu maximal »

MOTEUR CC SANS BALAIS

Les moteurs sans balais utilisent le même principe de fonctionnement que les moteurs à balais (force de Laplace appliquée à un électron se déplaçant dans un champ magnétique) sauf que la bobine est fixée dans le stator et que l'aimant permanent tourne avec l'arbre. La commutation de phase est réalisée électroniquement.

Une source de chaleur supplémentaire à l'intérieur du moteur…

Le fait d'avoir un champ magnétique mobile vis-à-vis du stator qui contient des tôles de fer (pour enfermer le champ magnétique à l'intérieur du moteur) entraîne un phénomène appelé « pertes fer » qui décrit un courant électrique induit dans le paquet de tôles du stator. Ce courant provoque un échauffement généré à l'intérieur du stator, qui s'ajoute à l'échauffement par effet Joule déjà généré dans la bobine (comme dans les moteurs à balais). Les pertes fer étant proportionnelles à la vitesse du moteur, elles peuvent être négligées à basse vitesse mais ont tendance à devenir supérieures aux pertes par effet Joule à haute vitesse. Pour cette raison, le couple doit être maintenu plus bas à haute vitesse. Pour revenir à l'analogie avec l'eau, la baignoire serait alimentée par deux sources d'eau, l'une étant les pertes par effet Joule et l'autre les pertes fer.

Pour revenir à l'analogie avec l'eau, la baignoire serait alimentée par deux sources d'eau, l'une étant les pertes par effet Joule et l'autre les pertes de fer.

De par leur conception mécanique, les moteurs sans balais peuvent atteindre des vitesses beaucoup plus élevées que les moteurs à balais, car leur vitesse n'est pas limitée par le système de commutation mécanique balais/collecteur.

La répartition entre les deux sources d'échauffement peut être vue comme un compromis entre les pertes par effet Joule à couple élevé (faible vitesse) et les pertes fer à haute vitesse (couple faible), mais le défi thermique reste le même : maintenir la température de la bobine en dessous de sa température maximale admissible.

Impact de la résistance thermique sur les performances

Comme mentionné précédemment, nous considérons deux résistances thermiques différentes pour le transfert de la chaleur de la bobine vers l'environnement extérieur. Rth1 (bobine vers tube) est intrinsèque à la conception du moteur. Cependant, Rth2 (tube vers environnement extérieur) dépend à la fois de la conception du moteur et de l'environnement du moteur. En effet, créer un contact entre le moteur et un autre corps ayant une bonne conductivité thermique aidera le moteur à dissiper sa chaleur et à fonctionner à une température plus basse. Différents éléments peuvent influencer la résistance thermique Rth2 comme par exemple :

  • Enveloppe autour du moteur (tube/manchon supplémentaire…)
  • Ajout d'un flux d'air autour du corps du moteur pour favoriser la convection
  • Montage de la face avant du moteur sur un support métallique

En fonction de la configuration et surtout de la conductivité thermique du matériau, ces éléments environnants peuvent soit favoriser, soit défavoriser la dissipation de chaleur.

Dans la plupart des cas, un moteur est installé sur des pièces métalliques qui se retrouvent en contact avec le face avant du moteur sa face avant sur un support ou un cadre en métal. La conductivité thermique favorable du métal aide alors à évacuer la chaleur du moteur (comme indiqué sur la figure 5), ce qui fournira un meilleur refroidissement que si le moteur n'était entouré que d'air

Par conséquent, il convient de modifier la valeur de la résistance thermique Rth2 ppour refléter cette meilleure capacité de refroidissement, en fonction de la configuration de montage du moteur dans l'application (matériau, taille, surface, capacité thermique de l'élément externe ont tous un impact sur la Rth2 réelle à prendre en considération).

L'équivalent de l'analogie avec la baignoire serait d'avoir un diamètre de sortie plus grand, pour drainer l'eau plus rapidement sans avoir besoin d'une pression plus élevée au fond de la baignoire.

Cela dépend théoriquement de chaque application, mais une estimation moyenne consiste à considérer la moitié de la valeur de Rth2 dans le calcul thermique (plus la valeur est basse, meilleur est le refroidissement), ce qui autorise par là-même un couple nominal plus élevé (couple continu maximal) pour la même température maximale de bobine Tbobine(le couple étant proportionnel au courant électrique I).

Les concepteurs de moteurs et les fabricants comme Portescap s'engagent avec les clients au début de leur processus de développement pour évaluer la capacité de dissipation d'un moteur ou d'un ensemble moteur/réducteur une fois installé dans une application donnée afin d'évaluer au mieux les conditions de travail et d'exploiter tout le potentiel du système de motorisation.

FONCTIONNEMENT EN RÉGIME TRANSITOIRE

Couple de crête

Certaines applications nécessitent un couple élevé pendant une courte durée uniquement. Par exemple, les tournevis industriels nécessitent de la vitesse pendant la phase de vissage, puis un couple maximal pendant la phase de serrage qui dure environ une seconde ou moins.

Il est acceptable d'alimenter un moteur avec un courant électrique supérieur au courant continu maximal du moteur, tant que la température de la bobine ne dépasse pas sa température maximale admissible, ce qui signifie que la durée de cette opération doit être limitée.

En partant d'une baignoire vide, cela reviendrait à ouvrir soudainement le robinet avec un débit d'eau très fort. Puisque nous considérons généralement un couple de crête pendant une courte durée (quelques secondes), nous pouvons généralement négliger la dissipation thermique (qui a une constante de temps plus longue) et considérer le système comme adiabatique.

Le niveau d'eau augmenterait rapidement et la baignoire se remplirait en quelques secondes. De même, la température de la bobine atteindrait sa température maximale admissible en quelques secondes. La formule suivante donne la température de la bobine au fil du temps lorsque la dissipation thermique est négligée (courte durée) :

Cela montre que la capacité thermique de la bobine est également importante. Une capacité thermique plus élevée permettra de résister plus longtemps à un courant de crête (ou à un courant de crête plus élevé pendant la même durée). En effet, plus une baignoire est grande, plus le remplissage est long.

Les moteurs sans balais sans fentes sont des moteurs particulièrement adaptés aux couples de crête de courte durée :

  • La conception du stator sans fentes permet d'atteindre un couple élevé avec un courant élevé, de l'ordre de 10 fois le couple continu maximal du moteur avec un courant 10 fois plus élevé (des conceptions différentes (avec fentes) ont un couple limité à un maximum en raison de la saturation magnétique, ce qui rend un tel courant élevé inutile en termes de couple).
  • Les modèles de bobines sans fentes peuvent accumuler une grande quantité d'énergie thermique grâce à leur capacité thermique plus élevée
  • Il est utile d'avoir une équipe d'ingénierie qui s'engage avec les clients intéressés par les couples de crête pour définir la meilleure solution, compte tenu des défis spécifiques de chaque application.

Cycle de fonctionnement périodique

Dans certains cas, le couple requis par l'application est un profil de couple donné qui se répète dans le temps. Dans certains cas, le couple requis par l'application est un profil de couple donné qui se répète dans le temps. Dans une certaine mesure, le couple le plus élevé pendant le cycle peut dépasser le couple maximal continu du moteur, en fonction du profil de couple et de la durée de chaque étape du cycle.

Si la durée d'un cycle (période de répétition) est significativement plus courte que la constante de temps thermique, on considère généralement une valeur de couple continue équivalente (ou valeur de courant) qui peut être calculée comme une moyenne quadratique (RMS, « root mean square »), l'échauffement par effet Joule étant proportionnel à I2.

Une fois le courant RMS défini, on peut considérer ce courant comme une valeur continue dans le temps, et s'assurer simplement qu'il n'est pas supérieur au couple continu maximum du moteur.

Pour rappel, l'impact de la résistance thermique évoqué précédemment (en fonction de l'environnement du moteur dans l'application) joue également ici son rôle, puisque nous assimilons ce cas à un fonctionnement en régime stabilisé (en supposant toujours que la période du cycle de fonctionnement est plus courte que la constante de temps thermique).

MOTEUR CC SANS BALAIS AVEC REFROIDISSEMENT ACTIF PAR FLUX D'AIR

La gestion de la chaleur ayant un rôle clé pour les performances d'un moteur, les ingénieurs ont trouvé des moyens alternatifs pour améliorer encore la manière dont les moteurs gèrent la chaleur. L'un d'eux est de concevoir des stators avec un chemin d'air intégré de sorte que le flux d'air puisse contribuer à l'évacuation de la chaleur du moteur. Il s'agit de se concentrer sur la convection de chaleur massive à l'intérieur du moteur, plutôt que sur les modèles qui reposent principalement sur la conduction thermique. Ce dissipateur thermique supplémentaire peut être considéré comme une résistance thermique réduite, car il aide à évacuer la chaleur du moteur.

Dans certains cas, le flux d'air peut être entraîné par une source externe telle qu'un système d'air comprimé. Mais lorsque le moteur est intégré dans un appareil portable ou dans tout environnement sans air comprimé disponible, il est possible d'intégrer un ventilateur sur l'arbre du moteur, qui entraînera le flux d'air à travers le corps du moteur pendant son fonctionnement. Dans ce cas, plus la vitesse du moteur (et donc la vitesse du ventilateur) est élevée, plus le débit d'air est fort et plus la résistance thermique est faible. En d'autres termes, la capacité de couple de ces moteurs peut être étonnamment plus élevée à haute vitesse qu'à basse vitesse, car la dissipation thermique est considérablement améliorée lorsque le ventilateur tourne plus vite. Cela est vrai dans une certaine mesure, car le ventilateur qui entraîne l'air applique un couple de charge au moteur, ce qui crée finalement une génération de chaleur supplémentaire lorsque la vitesse est très élevée.

CONCLUSION

Les performances des moteurs électriques dépendent de nombreux aspects, l'un d'entre eux étant la gestion de la chaleur. Les moteurs peuvent être améliorés pour relever de nombreux défis, en fonction du cycle de service, de l'environnement et des facteurs de succès critiques de chaque application (qu'il s'agisse de fournir le couple le plus élevé, la vitesse la plus élevée, la meilleure efficacité énergétique pour prolonger la durée de vie de la batterie ou de fonctionner à la température la plus basse possible…). Il est préférable de rechercher un partenaire offrant une assistance professionnelle pour comprendre les défis des clients et s'orienter vers la solution la mieux adaptée à chaque application.

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Figure 1 : Analogie entre l'eau et le transfert de chaleur dans un moteur
Figure 2 : Dissipation thermique dans un moteur CC à balais sans noyau
Tableau 1 : La température de la bobine se stabilise à une température donnée lorsque le courant est constant dans le temps.
Figure 3 : Exemple de construction d'un moteur CC sans balais
Figure 4 : Analogie entre le débit d'eau et le transfert de chaleur dans un moteur CC sans balais avec double source de chaleur
Figure 5 : Dissipation thermique par des éléments externes en contact avec le corps du moteur
Figure 6 : Analogie entre le débit d'eau et une dissipation thermique accrue due à une résistance thermique inférieure. Comme le niveau d'eau est plus bas ici, nous pouvons nous permettre d'utiliser plus de couple (plus de génération de chaleur) avant que le niveau n'atteigne sa température maximale admissible.
Figure 7 : Un courant très élevé est considéré pendant une période si courte que l'on néglige la dissipation.