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Moteurs CC sans balais: faible inertie, réponse rapide
Aug 23, 2017

Les avantages les plus souvent cités des moteurs CC sans balais (BLDC) sont une fiabilité élevée et une maintenance réduite - résultat du remplacement des balais / du commutateur mécanique par un contrôleur de commutation électronique et un dispositif de retour du rotor. En effet, «l'avantage sans balai» peut prolonger la durée de vie d'un moteur BLDC à environ 15 000 heures, ce qui, en retour, procure les avantages supplémentaires de moins de remplacements de moteurs et moins de temps d'immobilisation. Mais l'avantage du brushless ne s'arrête pas là. Dans le monde de la haute précision, des machines automatisées, les moteurs BLDC ne sont pas simplement un avantage, mais une exigence. Exemple: les machines de haute précision nécessitent non seulement une grande fiabilité, mais aussi de hautes performances: accélération et décélération rapides des changements de fonctionnement, réversibilité facile, vitesses de fonctionnement très élevées et caractéristiques de couple-vitesse stables. C'est là que les avantages des moteurs BLDC vont au-delà de la fiabilité, de la maintenance et de la performance. Pour un moteur BLDC, sa caractéristique de haute performance est principalement le résultat de sa conception de rotor.

Conception de rotor

La caractéristique clé du moteur BLDC, à savoir sa faible inertie et sa réponse rapide, réside dans la conception du rotor et le type d'aimants permanents utilisés. La conception de rotor la plus commune d'un moteur BLDC est la fixation d'aimants permanents "de champ" axialement à l'arbre de rotor dans une configuration de pôle cylindrique ou saillant. Les bobines d'induit du moteur sont montées sur le noyau du boîtier du stator. C'est le contraire des rotors de moteurs à courant continu brossés, qui utilisent de lourdes bobines de transport de courant pour former le champ magnétique du moteur. Combiné avec un collecteur mécanique et un noyau de fer, un rotor DC brossé a une masse totale importante, ce qui lui confère une inertie élevée, ce qui est une caractéristique indésirable pour des opérations de positionnement précises, en particulier pour de faibles charges d'inertie. Par conséquent, la conception à l'envers d'un rotor BLDC se traduit par un design plus léger, plus petit, plus compact, à faible inertie. De plus, puisque les aimants permanents sont utilisés pour le champ du moteur BLDC au lieu des enroulements électromagnétiques, ils ont un refroidissement thermique amélioré. Avec les conducteurs de transport de courant montés sur le boîtier du moteur, au lieu de l'intérieur du moteur sur le rotor, la dissipation de la chaleur est plus facile et plus rapide à l'environnement externe. Ainsi, un moteur BLDC peut produire plus de puissance que les moteurs CC brossés par rapport à sa taille et ses pertes d'énergie sont pratiquement éliminées, ce qui est un avantage pour l'efficacité du moteur.

Aimants permanents

La caractéristique de réponse rapide des moteurs BLDC dépend non seulement de la conception du rotor, mais aussi du choix des aimants permanents utilisés pour le champ magnétique du moteur. En général, il existe trois principaux types d'aimants permanents utilisés dans les moteurs BLDC: Alnico, ferrites et alliages de terres rares.

Les aimants Alnico sont utilisés dans des applications où la stabilité magnétique est essentielle. Ils présentent une rémanence et une énergie élevées, une coercivité modérément élevée, une stabilité vibratoire et une large gamme de températures de fonctionnement (plus de 500oC). Cependant, ils sont mécaniquement durs, ce qui les rend difficiles à forger et à usiner. Les aimants en ferrite (également appelés aimants en céramique) sont «fabriqués à partir d'oxydes mixtes d'oxyde de fer avec un oxyde métallique divalent de baryum ou de strontium». Ils peuvent être produits en grandes quantités et dans différentes tailles. Ce sont des aimants à faible coût par rapport à leur production d'énergie; de plus, ils présentent une forte coercitivité, une haute résistivité et une faible densité. Jusqu'à récemment, ils étaient le type d'aimant moteur le plus populaire. Mais le développement récent en haute fréquence, les aimants de terres rares a grandement amélioré les performances du moteur BLDC. Comparés aux aimants en ferrite, les aimants de terres rares ont une inertie et un couple de torsion / couple plus faibles, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications de haute performance.

La première génération d'aimants permanents à base de terre rare, à base de samarium cobalt, est devenue disponible dans les années 1970. Leurs avantages comprennent une densité de flux rémanente élevée, une force coercitive élevée, une énergie élevée, une courbe de démagnétisation linéaire et un coefficient de température faible. Ils étaient généralement utilisés dans les moteurs à faible volume ainsi que dans les moteurs fonctionnant à des températures plus élevées (p. Ex. Générateurs sans balais pour microturbines). Cependant, ils étaient assez coûteux en raison des limites d'approvisionnement. Au début des années 1980, la deuxième génération d'aimants de terres rares, à base de néodyme (Nd), est apparue, moins chère puisque Nd est plus abondante que le samarium. Les aimants de terres rares de deuxième génération ne sont pas seulement produits en grandes quantités, ils possèdent de meilleures propriétés magnétiques. Le principal avantage de ces aimants à terres rares est qu'ils améliorent le rapport performance / coût pour les moteurs ainsi que pour d'autres applications.

Haute performance

Les applications haute performance ou de positionnement de précision nécessitent un entraînement moteur pour répondre rapidement à une inertie de charge totale variable (moteur + inertie réfléchie) et dans les conditions de fonctionnement demandées par l'application. Les entraînements d'avance de machine sont un bon exemple d'application à haute performance où les servomoteurs BLDC sont couramment utilisés. Dans cette application, de nombreux petits changements dans l'accélération pour les charges de masse faible se produisent. Pour répondre à ces conditions de fonctionnement, un moteur doit être à la fois rapide et stable. Pour déterminer la caractéristique de réponse d'un moteur, les rapports de couple-inertie (T / J) sont utilisés pour juger les mérites d'accélération des servomoteurs. Plus le rapport T / J est grand, plus l'accélération du moteur et plus la réponse du système est rapide. Etant donné que le rapport T / J est proportionnel à 1 / Diamètre2, les moteurs de plus petit diamètre ont des rapports T / J plus élevés. "Les moteurs BLDC avec des aimants à terres rares ont des diamètres plus petits qu'avec les aimants en céramique. , des applications hautes performances car leurs ratios T / J sont élevés. Mais faible inertie, les moteurs BLDC sont sensibles à la charge; lorsque l'inertie de la charge augmente, le rapport T / J diminue, ce qui entraîne une réponse plus lente et moins stable. Pour les applications à grande inertie de charge, les moteurs céramiques constituent un meilleur choix pour l'application car leurs rapports T / J voient moins de chute dynamique.