Moteurs CC à balais vs sans balais : différences clés

Qu'est-ce qu'un moteur à courant continu ?

Un moteur à courant continu est une machine électrique qui convertit l'énergie électrique en courant continu en mouvement mécanique. Il existe une grande variété de moteurs pour différentes applications et exigences de puissance, allant de petits dispositifs—de seulement quelques millimètres de diamètre—pour les équipements médicaux, jusqu'aux conceptions sur mesure générant des milliers de chevaux.

Moteurs à balais vs. moteurs sans balais

Les deux types de moteurs à courant continu les plus courants sont connus sous le nom de moteurs à courant continu à balais et de moteurs à courant continu sans balais (BLDC). Bien que la physique sous-jacente soit la même, leur construction, leurs caractéristiques de performance et leurs moyens de contrôle sont très différents.
 
Lequel est le meilleur pour votre application ? Eh bien, comme beaucoup de choses dans la vie, la réponse est « cela dépend ». Il y a des avantages et des inconvénients à un moteur à balais par rapport à un moteur sans balais. Dans cet article, nous examinerons les deux technologies de moteurs à courant continu et éclairerons un peu ce sujet complexe.

Fonctionnement des moteurs à balais

Inventés pour la première fois dans les années 1800, les moteurs à courant continu à balais sont l'un des types de moteurs les plus simples. Ils ont été les premiers types largement utilisés car ils pouvaient être alimentés par les premiers systèmes de distribution d'énergie à courant continu pour l'éclairage.

Comme illustré à la Figure 1, un moteur à courant continu à balais typique se compose d'une armature rotative et d'un stator fixe.
 
L'armature (également appelée rotor) contient un ou plusieurs enroulements de fil isolé enroulés autour d'un noyau en fer doux. Les enroulements forment une ou plusieurs bobines et sont électriquement connectés au collecteur, qui est un cylindre composé de plusieurs segments de contact métallique autour de l'arbre de l'armature. Le stator enveloppe le rotor et contient soit des aimants permanents, soit des électroaimants pour générer un champ magnétique. Les balais sont des contacts électriques, fabriqués en un matériau tendre tel que le carbone, qui sont montés sur ressorts pour faire contact avec les segments du collecteur au fur et à mesure que l'arbre tourne.

Rôle des balais dans les moteurs à courant continu

Lorsqu'une source d'alimentation CC est connectée aux balais, les bobines de l'induit sont alimentées, le transformant en électroaimant et provoquant sa rotation de sorte que ses pôles nord et sud s'alignent respectivement avec les pôles sud et nord du stator. À mesure que le collecteur tourne, le mouvement entraîne l'inversion de la polarité du courant dans la bobine de l'induit et de la direction de son champ magnétique. L'induit tourne vers son nouvel alignement, le courant s'inverse à nouveau, et l'induit continue de tourner.
 
Ce moyen d'inverser le courant s'appelle la commutation mécanique—la rotation mécanique de l'arbre fournit le retour nécessaire pour changer la polarité du courant.
 
En variant l'agencement des enroulements, plusieurs variétés de moteurs à courant continu à balais ont été développées, avec différentes caractéristiques de performance ; il existe cinq types de base. Les quatre premiers types utilisent des bobines à la fois dans le stator et le rotor (induit), utilisant donc exclusivement des électroaimants.

Types de moteurs à courant continu à balais et leurs utilisations

Un moteur à courant continu à balais à excitation shunt a les enroulements du rotor et du stator connectés en parallèle ; il fonctionne à une vitesse constante quel que soit la charge. Cette caractéristique d'autorégulation le rend largement utilisé dans les applications industrielles à vitesse constante.
 
Un moteur à courant continu à balais à excitation série a les deux enroulements en série ; sa vitesse varie avec la charge, augmentant à mesure que la charge diminue, mais il a un couple de démarrage très élevé, il est donc largement utilisé pour des applications de courte durée telles que les démarreurs d'automobiles.
 
Un moteur à courant continu à balais à excitation composée est une combinaison des moteurs à excitation shunt et série, avec des caractéristiques des deux. Les moteurs à excitation composée sont généralement utilisés lorsque des conditions de démarrage sévères sont rencontrées et qu'une vitesse constante est requise.
 
Un moteur à courant continu à balais à excitation indépendante a des alimentations séparées pour le rotor et le stator, permettant à la fois un courant de champ stator élevé et une tension d'induit suffisante pour produire le courant de couple rotor requis. Ce type de moteur est utilisé lorsqu'une capacité de couple élevée à basse vitesse est requise.
 
Un moteur à courant continu à balais à aimant permanent contient des aimants permanents dans le stator, éliminant le besoin d'un courant de champ externe. Cette conception est plus petite, plus légère et plus économe en énergie que les autres types de moteurs à courant continu à balais ; elle est largement utilisée dans les applications de faible puissance jusqu'à environ 2 HP.

Comment contrôler la vitesse des moteurs à courant continu à balais

Avec une commutation effectuée mécaniquement, le contrôle d'un moteur à courant continu à balais est conceptuellement très simple. Un moteur à vitesse fixe n'a besoin que d'une tension continue et d'un interrupteur marche/arrêt ; faire varier la tension change la vitesse sur une large plage.
 
Pour les applications nécessitant un contrôle plus sophistiqué, une topologie de circuit courante telle que le pont en H montré dans la Figure 2, peut être utilisée. En activant simultanément les transistors Q1 et Q4, ou les transistors Q3 et Q2 simultanément, le courant à travers le moteur BDC circule dans un sens ou dans l'autre, permettant un mouvement bidirectionnel.

Pour le contrôle de la vitesse, un signal à modulation de largeur d'impulsion (PWM) est utilisé pour générer une tension moyenne. L'enroulement du moteur agit comme un filtre passe-bas de sorte qu'une forme d'onde PWM à haute fréquence génère un courant stable dans l'enroulement du moteur. Pour une régulation de vitesse plus précise, un capteur de vitesse tel qu'un capteur à effet Hall ou un encodeur optique peut être ajouté pour former un système de contrôle en boucle fermée.

Principes de base du moteur à courant continu avec balais

Les moteurs à balais comparés aux moteurs sans balais sont peu coûteux et fiables et ont un rapport élevé de couple à inertie. Parce qu'ils nécessitent peu ou pas de composants externes, ils conviennent également pour le fonctionnement dans des conditions difficiles.
 
En revanche, les balais s'usent avec le temps et produisent de la poussière ; les moteurs à balais nécessitent un entretien périodique pour le nettoyage ou le remplacement des balais. Parmi les autres inconvénients figurent la mauvaise dissipation de la chaleur en raison des limitations du rotor, la forte inertie du rotor, la vitesse maximale faible et les interférences électromagnétiques (EMI) générées par les arcs des balais.

Comment fonctionnent les moteurs sans balais

Le principe de fonctionnement sous-jacent d'un moteur à courant continu sans balais (BLDC) est le même que celui d'un moteur à courant continu avec balais — contrôle de la commutation à l'aide de la rétroaction de la position de l'arbre interne — mais sa construction est très différente.
 
Contrairement au moteur à courant continu avec balais, l'aimant permanent est monté sur le rotor du BLDC ; le stator est constitué d'acier laminé à encoches et contient les enroulements de la bobine.
 
Les BLDC n'utilisent pas non plus de balais en carbone ni de commutateur mécanique. Le forçage de la rotation du rotor est effectué en alimentant successivement les bobines autour du stator, et la commutation est réalisée via un contrôleur électronique complexe utilisé en conjonction avec un capteur de position du rotor (par exemple, phototransistor-LED, capteurs électromagnétiques ou à effet Hall).
 
La méthode de construction du BLDC lui permet d'avoir moins de résistance interne et une bien meilleure dissipation de la chaleur dans les bobines du stator. Cela se traduit par une meilleure efficacité de fonctionnement, car la chaleur des bobines peut se dissiper plus efficacement via le boîtier du moteur stationnaire beaucoup plus grand.
 
Les enroulements du stator peuvent être disposés soit dans un motif en étoile (ou Y), soit dans un motif en delta. Les laminations en acier peuvent être à encoches ou sans encoches. Un moteur sans encoches a une inductance plus faible, il peut donc fonctionner à des vitesses plus élevées et présente moins de variation à des vitesses plus lentes. Le principal inconvénient d'un stator sans encoches est son coût plus élevé car il nécessite plus d'enroulements pour compenser le plus grand entrefer.
 
Le nombre de pôles dans le rotor peut varier en fonction de l'application. Augmenter le nombre de pôles augmente le couple mais réduit la vitesse maximale. Le matériau utilisé pour construire les aimants permanents a également un effet sur le couple maximal, qui augmente avec la densité de flux.

En savoir plus sur ce qu'est un BLDC et son fonctionnement.

Contrôle de moteur CC sans balais

Étant donné que la commutation doit être effectuée électroniquement,le contrôle BLDC est considérablement plus compliqué que les schémas simples discutés ci-dessus, et les méthodes de contrôle analogique et numérique sont utilisées. Le bloc de contrôle de base est similaire à l'approche du moteur à courant continu à balais, mais le contrôle en boucle fermée est obligatoire.

Il existe trois types principaux d'algorithmes de commande utilisés pour la commande de moteurs BLDC : la commutation trapézoïdale, la commutation sinusoïdale et la commande vectorielle (ou orientée champ). Chaque algorithme de commande peut être mis en œuvre de différentes manières selon le codage logiciel et la conception matérielle, et chacun offre des avantages et des inconvénients distincts.

La commutation trapézoïdale nécessite les circuits de commande et les logiciels les plus simples, ce qui la rend idéale pour les applications bas de gamme. Elle utilise un processus en six étapes avec une rétroaction de position du rotor. La commutation trapézoïdale contrôle efficacement la vitesse et la puissance du moteur, mais souffre de fluctuations de couple lors de la commutation, en particulier à basse vitesse.
 
La commutation sans capteur - estimant la position du rotor en mesurant la force contre-électromotrice (EMF) du moteur - offre des performances similaires à la méthode à effet Hall au prix d'une complexité accrue de l'algorithme. En éliminant les capteurs à effet Hall et leur circuit d'interface, la commutation sans capteur réduit les coûts des composants et de l'installation et simplifie la conception du système.
 
La commutation sinusoïdale utilise la modulation de la fréquence porteuse pour entraîner le moteur, contrôlant simultanément les trois courants d'enroulement, de sorte qu'ils varient de manière fluide et sinusoïdale au fur et à mesure que le moteur tourne. Cette technique permet un contrôle moteur fluide et précis en éliminant les ondulations de couple et les pics de commutation associés à la méthode trapézoïdale. Elle peut être exploitée en système à boucle ouverte ou en système à boucle fermée avec un capteur de vitesse supplémentaire et est généralement utilisée dans des applications de performance moyenne nécessitant à la fois un contrôle de la vitesse et du couple. Le schéma de commutation sinusoïdal compliqué nécessite cependant une puissance de traitement supplémentaire et de l'électronique de commande pour être mis en œuvre.
 
Le contrôle vectoriel est réservé aux applications haut de gamme en raison de sa conception complexe et des exigences élevées qu'il impose au microcontrôleur. L'algorithme utilise la rétroaction du courant de phase pour calculer les vecteurs de tension et de fréquence et commuter le moteur. Le contrôle vectoriel offre un contrôle dynamique précis de la vitesse et du couple et est efficace sur une large gamme de fonctionnement.
 
Une technique sans capteur peut également être utilisée ; une dérivation surveille le courant du moteur, et l'algorithme compare les résultats à un modèle mathématique stocké des paramètres de fonctionnement du moteur. Cette méthode réduit le coût des dispositifs de rétroaction, mais augmente considérablement les exigences de traitement du MCU.

Comparaison des stratégies de contrôle BLDC

Comment les différentes stratégies de contrôle se comparent-elles ? Comme on pourrait s'y attendre, l'approche trapézoïdale simple a le pire contrôle du couple, mais ne demande pas trop au microcontrôleur ou à l'appareil de contrôle. À l'autre extrémité du spectre, la méthode de contrôle vectoriel (également appelée contrôle orienté champ, ou FOC) offre un excellent contrôle à la fois de la vitesse et du couple, mais les exigences pour le microcontrôleur sont exigeantes.

Différence entre les moteurs à balais et sans balais

Sans collecteur mécanique ni balais qui s'usent, les moteurs à courant continu sans balais nécessitent peu d'entretien et ne provoquent pas d'étincelles. De plus, ils ont moins de friction d'arbre et d'inertie, moins de bruit audible et de bien meilleurs rapports couple/poids (densité de puissance), ce qui les rend beaucoup plus petits qu'un moteur à courant continu à balais comparable.
 
Comparés aux moteurs à courant continu à balais, les moteurs BLDC ont plusieurs avantages de performance. Ils ont un couple de démarrage élevé, et le couple est constant jusqu'à la vitesse nominale. Grâce au contrôle électronique en temps réel, leur régulation de vitesse est précise et insensible aux variations de charge. Étant donné que la chaleur est générée dans le stator externe et non dans le rotor interne, ils sont plus faciles à refroidir. Et l'absence de balais signifie qu'ils produisent moins de bruit électrique et peuvent fonctionner à des vitesses plus élevées—jusqu'à 100 000 tr/min dans certains cas.

Solutions de contrôle pour moteurs DC à balais et sans balais disponibles

Comme nous l'avons vu, bien que le contrôle simple des moteurs à courant continu à balais soit facile à réaliser, le contrôle plus précis des BDC et des BLDC est loin d'être simple.
 
La bonne nouvelle est que de nombreuses solutions disponibles sont prêtes à l'emploi et permettent d'associer les moteurs à des contrôleurs appropriés. Au niveau des dispositifs, Arrow Electronics propose de nombreux contrôleurs de moteur de fournisseurs de premier plan, traitant à la fois des moteurs à balais et sans balais. De plus, étant donné que le contrôle des moteurs est un marché important, de nombreux fournisseurs proposent des kits de développement, des conceptions de référence et des bibliothèques logicielles ciblées sur le contrôle des moteurs à courant continu.

Moteurs à balais vs. moteurs sans balais : lequel est le mieux pour vous ?

Vous avez de nombreux choix disponibles pour choisir la bonne technologie de moteur à courant continu en fonction de votre application.
 
Que diriez-vous d'un dispositif médical à espace restreint où la maintenance n'est pas une option ? Commencez par examiner une solution sans balais. Votre principale préoccupation est-elle le coût bas ? Peut-être qu'un moteur à courant continu à aimant permanent est fait pour vous.
 
Avez-vous besoin d'un contrôle très précis ? Envisagez un moteur BLDC, peut-être avec une stratégie de contrôle numérique. Schéma de contrôle simple ? Consultez une option à balais DC.
 
Dans tous les cas, maintenant que vous comprenez les avantages relatifs de la technologie de moteur sans balais par rapport à celle avec balais, vous devriez être en meilleure position pour faire le meilleur choix.