Qu'est-ce qu'un moteur sans balais ? Guide complet de la technologie BLDC

Préface

Le débat sur les moteurs électriques a été dominé par les moteurs sans balais ces dernières années. En effet, ils offrent de meilleures performances, une plus grande fiabilité et un meilleur rendement que les moteurs à balais. Les moteurs à courant continu sans balais ou ECM (moteur à commutation électrique) sont des types de moteurs qui fonctionnent avec des courants continus. Ils ont changé l'industrie automobile, l'industrie robotique, l'électronique et les systèmes de refroidissement. Il n'est plus nécessaire d'avoir un balai et un collecteur rotatif pour établir le contact électrique, ce qui permet aux moteurs sans balais de réduire l'usure mécanique et d'augmenter l'efficacité et la durée de vie.

Dans cet article, nous examinerons en détail la définition d'un moteur sans balais, sa structure et son fonctionnement, ainsi que son champ d'application dans diverses industries.

Selon une étude de Grand View Research Markets, en 2020, la valeur du marché mondial des moteurs DC sans balais a atteint 8,7 milliards de dollars, et on s'attend à ce que sa taille augmente à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 7,5% pour la période allant de 2021 à 2028. Cette tendance est attribuée à l'intégration croissante des moteurs électriques dans différents espaces. Une autre raison de cette tendance serait la rotation du rotor, qui permet aux moteurs BLDC d'offrir un meilleur contrôle.

Qu'est-ce qu'un moteur sans balais ?

Un moteur sans balais est un type de moteur qui utilise des bobines électromagnétiques dans le stator et un aimant permanent dans le rotor pour produire une vitesse de rotation et, par conséquent, un mouvement de rotation. Contrairement aux moteurs à balais traditionnels, un moteur sans balais ne contient pas de balais ou de brosses physiques, ni de commutateur. Il utilise plutôt une commutation électronique, mais il est toujours piloté par un contrôleur électronique de vitesse ou ESC.

Les moteurs sans balais offrent plusieurs avantages puisqu'ils sont dépourvus de balais. Il s'agit notamment d'une faible usure, d'une grande efficacité et d'une maintenance réduite. En outre, les moteurs sans balais, grâce à leur système de contrôle avancé, ont tendance à atteindre des vitesses plus élevées et à générer un couple plus important que leurs homologues à balais de même taille.

Pourquoi les moteurs sans balais gagnent-ils en popularité par rapport aux moteurs à balais ?

Les moteurs sans balais ont fait leur apparition dans de nombreuses industries en raison des avantages qu'ils présentent par rapport à d'autres moteurs. Toutefois, cette popularité croissante peut être attribuée à quelques facteurs clés, notamment.

Haute efficacité : Un moteur sans balais est connu pour son efficacité énergétique supérieure, car il n'y a pas de frottement ni de pertes d'énergie mécanique dues aux balais et aux commutateurs, comme c'est le cas pour beaucoup d'autres appareils. Il en résulte une meilleure économie d'énergie et une plus grande durée de vie de la batterie dans les applications portables.

Peu d'entretien : L'absence de balais dans les moteurs sans balais élimine la nécessité d'un entretien régulier, comme l'usure des balais. Par conséquent, les coûts de maintenance sont moins élevés et la fiabilité est plus grande.

Contrôle précis : Les moteurs sans balais fournissent une vitesse de rotation et un couple précis grâce à la commutation électronique et à des algorithmes de contrôle avancés. Ils peuvent donc être utilisés dans des applications qui requièrent une grande exactitude et une grande précision de mouvement, tout en étant souples d'utilisation.

Taille compacte : Les moteurs sans balais ont une densité de puissance supérieure à celle des moteurs à balais, ce qui leur permet d'être plus fins. Ceci est particulièrement avantageux dans les applications où l'espace est limité, comme les drones et les gadgets portables.

Attribut	Moteurs sans balais	Moteurs à balais
Efficacité	Rendement élevé grâce à l'absence de frottement des brosses, ce qui permet une meilleure utilisation de l'énergie.	Rendement plus faible en raison de la perte d'énergie due au frottement des balais et à la commutation.
Maintenance	Peu d'entretien car il n'y a pas de brosses à remplacer.	Entretien plus important en raison de l'usure des brosses et de la nécessité de les remplacer.
Contrôle de la précision	Contrôle précis grâce à la commutation électronique et aux algorithmes de contrôle avancés.	Contrôle moins précis, limité par les balais et le collecteur.
Taille et densité de puissance	La compacité et la densité de puissance élevée permettent d'utiliser des moteurs plus petits et plus puissants.	Généralement plus grands et moins puissants à taille égale en raison de limites mécaniques.
Durabilité	Durée de vie plus longue car l'usure mécanique est fortement réduite.	Durée de vie plus courte en raison de l'usure des balais et des collecteurs.
Bruit et EMI	Faible niveau de bruit et d'interférence électromagnétique, adapté aux applications sensibles.	Bruit plus élevé et risque d'interférence électromagnétique.

Fonctionnement des moteurs sans balais

Les moteurs sans balais fonctionnent selon le principe de l'induction électromagnétique. Le stator d'un moteur sans balais est constitué de plusieurs bobines électromagnétiques, tandis que le rotor est équipé d'aimants permanents. La circulation du courant électrique dans les bobines du stator entraîne la formation d'un champ magnétique qui travaille avec les aimants permanents du rotor, ce qui entraîne la rotation du rotor et convertit l'énergie électrique en énergie mécanique.

Le rôle des aimants et des champs électromagnétiques

Le rotor d'un moteur sans balais possède des aimants permanents. Ces aimants, composés de terres rares telles que le néodyme ou le samarium-cobalt, sont positionnés d'une certaine manière pour former des pôles nord et sud alternés qui jouent un rôle crucial dans la génération du mouvement de rotation.

Les bobines constituent une partie du stator et sont alimentées en courant dans un ordre spécifique de manière à former un champ magnétique rotatif. Ce champ agit sur le rotor, qui comporte des aimants permanents, et produit un couple qui tend à faire tourner le rotor.

En modifiant l'ordre dans lequel le courant est fourni aux bobines du stator, la vitesse et la direction du rotor peuvent être ajustées.

Explication du contrôle électronique de la vitesse (ESC)

Les moteurs sans balais utilisent des variateurs de vitesse électroniques (ESC) pour le processus de commutation. Ces régulateurs sont chargés de convertir les commandes d'entrée fournies par l'utilisateur ou un système de contrôle en une synchronisation correcte des impulsions de courant à envoyer aux bobines du stator.

Un variateur de vitesse électrique (ESC) contrôle le flux de courant par une combinaison de modulation de largeur d'impulsion (PWM) et de contrôle orienté champ (FOC) pour réguler le nombre de tours par minute (RPM) et le couple du moteur. Ce type de dispositif est également basé sur des éléments de rétroaction tels que les capteurs à effet Hall ou la force électromotrice inverse, car le moment de la commutation est ajusté en fonction de la position du rotor. Ce niveau de contrôle du moteur est l'une des principales raisons pour lesquelles les moteurs sans balais sont de plus en plus utilisés dans divers secteurs.

Applications des moteurs sans balais dans diverses industries

Les moteurs sans balais sont utilisés dans différents secteurs en raison de leur efficacité, de leur fiabilité et de leurs performances supérieures. Parmi les principaux secteurs et applications qui ont fait appel aux moteurs sans balais à grande échelle, on peut citer les suivants :

Innovations automobiles avec les moteurs sans balais

Dans le monde de l'automobile, les moteurs sans balais ont trouvé leur place dans de nombreuses applications, notamment la direction assistée électrique, les pompes à carburant et les systèmes de refroidissement du moteur. Ces moteurs sans balais sont capables de fournir une densité de couple élevée, un contrôle précis et une plus grande efficacité énergétique par rapport aux autres systèmes hydrauliques ou mécaniques utilisés dans le passé.

De même, les moteurs sans balais ont joué et jouent un rôle de plus en plus important dans la fabrication des véhicules électriques et hybrides. Leur utilisation ne cesse de croître car les moteurs sans balais sont adaptés aux moteurs de traction, aux systèmes de freinage à récupération et aux systèmes de refroidissement des batteries afin d'améliorer l'efficacité et les performances de ces véhicules.

Impact sur l'électronique grand public et la robotique

L'industrie de l'électronique grand public a grandement bénéficié des moteurs sans balais, car ils ont permis d'obtenir des gadgets performants de plus petite taille, tels que les drones, les smartphones et les wearables, entre autres. L'utilisation de moteurs sans balais dans ces machines est avantageuse en raison de la densité de puissance élevée et du contrôle précis qu'ils offrent. Ces qualités les rendent bien adaptés aux applications où la machine doit fonctionner en douceur avec une longue durée de vie de la batterie.

La robotique est un domaine qui implique, parmi une variété de mécanismes, l'incorporation de servomoteurs dans des moteurs spécialisés. Il s'agit de moteurs sans balais qui trouvent des applications dans les robots industriels, les robots collaboratifs (cobots) et les robots de service. Ils fournissent la précision, le couple et la vitesse nécessaires pour les tâches de prise et de dépose, le soudage et même la manipulation de matériaux.

Moteurs sans balais dans les véhicules électriques

L'émergence des moteurs sans balais dans les véhicules électriques a transformé l'espace automobile. Cette force motrice est principalement assurée par les moteurs sans balais, en particulier les moteurs BLDC. En tant que tels, ils présentent des avantages significatifs pour de telles applications.

Tout d'abord, le moteur BLDC possède une densité de puissance élevée qui lui permet de fournir plus de puissance par volume que les moteurs à balais, ce qui permet de concevoir des moteurs compacts et légers, de minimiser la masse globale du véhicule et donc d'améliorer l'efficacité énergétique du véhicule dans son ensemble.

En outre, les moteurs BLDC possèdent un rendement élevé de l'ordre de 85% à 95%. Cet aspect est crucial, en particulier pour les véhicules électriques, car un rendement élevé se traduit par une augmentation de l'autonomie et une réduction de la consommation d'énergie.

Enfin, la commande des moteurs BLDC permet un contrôle exceptionnel des caractéristiques de vitesse et de couple, ce qui rend l'accélération, le freinage par récupération et la gestion efficace de l'énergie dans les VE fluides et réactifs. Cela permet également d'améliorer la maniabilité et la stabilité du véhicule.

Moteurs sans balais pour ventilateurs de refroidissement

Dans les systèmes de refroidissement, la chaleur est évitée dans les appareils et les systèmes au moyen de ventilateurs de refroidissement tout en maintenant le fonctionnement efficace des appareils. L'utilisation de moteurs sans balais, et en particulier de moteurs de ventilateurs BLDC, est de plus en plus répandue dans les applications de refroidissement en raison de leur efficacité par rapport aux ventilateurs plus conventionnels.

Rôle des roulements dans le système de refroidissement

Ventilateurs de refroidissement BLDC et traditionnels

Les moteurs à courant continu brossés ou les moteurs à induction à courant alternatif sont utilisés comme moteurs de ventilateurs de refroidissement dans presque tous les modèles. Ces moteurs étaient autrefois couramment utilisés en raison de leur fiabilité, mais ils présentent aujourd'hui quelques inconvénients par rapport aux moteurs de ventilateurs BLDC.

Les ventilateurs à courant continu traditionnels qui utilisent des moteurs à courant continu à balais sont associés à des défaillances précoces car ces moteurs comportent des balais et des collecteurs qui induisent une usure mécanique. Ces moteurs ont donc une durée de vie relativement courte et sont plus sujets à la maintenance et aux pannes.

En outre, les moteurs à balais introduisent du bruit électrique et des interférences électromagnétiques dans le fonctionnement des circuits électroniques et des composants entraînés, ce qui peut entraver le fonctionnement de systèmes délicats.

En revanche, les moteurs de ventilateurs BLDC présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux ventilateurs conventionnels :

Amélioration des performances : Comme il n'y a pas de pertes au niveau des balais et du collecteur, le rendement des moteurs de ventilateurs BLDC est plus élevé. Cela permet de consommer moins d'énergie et d'améliorer l'efficacité du refroidissement.

Durée de vie prolongée : L'absence de composants à balais dans les moteurs de ventilateurs BLDC élimine l'usure mécanique de leurs homologues à balais. Il en résulte une durée de vie plus longue et moins d'entretien.

Faible bruit et EMI : l'émission de bruit électrique et d'EMI par les moteurs de ventilateurs BLDC est minime, ce qui permet de les utiliser dans des applications électroniques sensibles.

Contrôle précis de la vitesse : L'utilisation d'un signal PWM pour contrôler un moteur de ventilateur BLDC est assez simple et permet de régler précisément la vitesse pour répondre aux besoins d'une tâche de refroidissement particulière.

Applications des ventilateurs de refroidissement BLDC

Les ventilateurs de refroidissement BLDC sont largement utilisés dans une variété d'industries et de produits tels que :

Électronique grand public : Les ventilateurs de refroidissement BLDC trouvent des applications dans les ordinateurs portables, les ordinateurs de bureau et les consoles de jeu ou tout autre appareil électronique qui pourrait nécessiter une gestion thermique poussée afin de fonctionner correctement.

Automobile : Les systèmes de refroidissement des batteries, les systèmes de climatisation des véhicules ainsi que le refroidissement de l'électronique de puissance sont quelques-unes des applications des ventilateurs de refroidissement BLDC dans l'automobile.

Équipement industriel : Ces ventilateurs sont également utilisés pour les machines à commande numérique, les panneaux de contrôle industriels, les blocs d'alimentation et d'autres équipements industriels afin de dissiper la chaleur et d'empêcher la destruction des équipements.

Dispositifs médicaux : Les outils médicaux tels que les ventilateurs, les moniteurs de patients et les systèmes d'imagerie utilisent également des ventilateurs de refroidissement BLDC pour assurer un fonctionnement fiable et la sécurité des patients.

Sélection des normes pour les ventilateurs de refroidissement BLDC

Il existe de nombreuses normes et spécifications à prendre en compte lors de la sélection d'un ventilateur d'application tel qu'un ventilateur de refroidissement BLDC, afin de permettre la compatibilité des composants et d'améliorer les performances et la fiabilité du système. Voici quelques-unes des principales normes et spécifications à prendre en compte :

Taille et configuration : Les tailles et les variétés disponibles dans la construction de ces ventilateurs de refroidissement BLDC comprennent des soufflantes, des ventilateurs centrifuges et des ventilateurs axiaux. En fonction des besoins en chaleur et de l'espace disponible, les dimensions et le type de montage doivent être adaptés.

Puissance nominale : Différents ventilateurs sont disponibles avec différentes puissances. Par exemple, un ventilateur de refroidissement BLDC peut être disponible en 12V, 24V ou même 48V. Ces ventilateurs doivent être choisis en fonction des spécifications de l'alimentation électrique nécessaire au système.

Efficacité : les performances de refroidissement de ce ventilateur dépendent largement de la vitesse et du débit d'air qu'il possède. Il faut donc choisir un ventilateur dont la vitesse de rotation, mesurée en tr/min, et le débit d'air, mesuré en CFM ou en m³/h, sont adaptés à la capacité de dissipation thermique du système.

Le son : Pour faciliter les références et les spécifications, les performances d'un ventilateur de refroidissement BLDC peuvent être quantifiées en fonction du nombre de décibels (dB) de bruit qu'il génère. L'indice de bruit du ventilateur doit être pris en compte, en particulier dans les cas où un faible niveau de bruit doit être maintenu, par exemple dans les applications médicales ou les bureaux.

Aspects environnementaux : un ventilateur de refroidissement BLDC peut être affecté par différentes caractéristiques environnementales telles que la température, l'humidité, la poussière et les vibrations. Il vaut la peine de choisir un ventilateur conçu pour résister aux conditions environnementales particulières d'une application.

En tenant compte de ces normes et spécifications, les ingénieurs et les concepteurs sont en mesure de choisir le meilleur type de ventilateur de refroidissement BLDC pour leur application particulière et d'obtenir ainsi de bonnes performances, une bonne fiabilité et une bonne compatibilité avec l'ensemble du système.

Conclusion

Le moteur sans balais, également appelé moteur à courant continu sans balais (BLDC) ou moteur à commutation électronique, est devenu utile dans diverses industries car il est plus avancé, plus efficace et plus fiable que les moteurs à balais. L'absence de balais et l'utilisation de la commutation électronique dans les moteurs sans balais offrent plusieurs avantages, notamment une usure mécanique moindre, une plus grande efficacité, un contrôle de précision et un volume réduit. Cela signifie qu'il n'y a pratiquement pas de contact avec l'alimentation des moteurs BLDC et que l'entretien est donc très minime.

Les moteurs sans balais sont utilisés dans plusieurs secteurs, notamment l'industrie automobile, la robotique, les appareils électroniques et les systèmes de refroidissement. Ils sont essentiels dans la conception des véhicules électriques modernes qui nécessitent des moteurs de traction compacts et efficaces et des systèmes de refroidissement de la batterie. Dans les nouveaux ventilateurs de refroidissement, les moteurs BLDC sont plus efficaces que les ventilateurs de refroidissement traditionnels et sont donc plus faciles à intégrer dans divers appareils et systèmes électroniques.

Avec l'évolution technologique continue à venir, on s'attend à ce qu'encore plus d'applications soient développées pour les compresseurs, les moteurs BLDC et les ventilateurs sans balais à courant continu, et qu'elles soient à l'origine de nouvelles innovations dans différents domaines. L'utilisation de la technologie des moteurs sans balais conduira à la création de systèmes hautement fiables, efficaces et performants, tout en favorisant les progrès dans les domaines de la mobilité électrique, de l'automatisation et des solutions de refroidissement.

FAQs :

Comment choisir la bonne taille de moteur sans balais pour mon projet ?

L'évaluation de plusieurs critères est nécessaire pour sélectionner un moteur sans balais ayant les bonnes limites physiques pour le projet :

Exigences en matière de couple : Identifiez le couple qui sera nécessaire pour faire fonctionner votre application. En fonction des exigences en matière de charge, d'accélération et de vitesse, déterminez le couple nécessaire pour un tel système.

Plage de vitesse : Évaluez la plage de vitesse dans laquelle le moteur doit fonctionner. Les moteurs sans balais permettent des vitesses élevées, mais la conception du moteur et les exigences d'une application particulière dicteront la plage spécifique.

Puissance requise : Utilisez la vitesse et le couple requis dans le calcul de la puissance de sortie pour votre application. Procurez-vous un moteur sans balais d'une puissance au moins égale à celle calculée précédemment.

Tension et intensité nominales : Utilisez un moteur sans balais dont la tension et l'intensité nominales sont compatibles avec l'alimentation électrique utilisée. Tenez compte de la tension et de l'intensité maximales du moteur sous charge.

Considérations relatives à l'espace et au poids : Identifiez l'espace disponible et le poids maximum qui peut être toléré dans votre application. Sélectionnez un moteur sans balais dont la taille et le poids s'inscrivent confortablement dans les limites imposées par votre conception.

Conditions environnementales : Évaluez les conditions de travail de votre moteur, notamment la température, l'humidité et les vibrations. Utilisez un moteur sans balais présentant des caractéristiques environnementales et des dispositifs de protection appropriés.

Quels sont les avantages de l'utilisation d'un moteur sans balais par rapport aux moteurs traditionnels ?

Par rapport aux moteurs à balais traditionnels, les moteurs sans balais présentent les avantages suivants :

Les pertes peuvent être minimisées : Un moteur sans balais ne subit aucune perte au niveau des balais et du collecteur, ce qui lui confère un rendement plus élevé. Des niveaux de rendement allant jusqu'à 95% peuvent être atteints, ce qui rend le moteur sans balais économe en énergie et les applications portables nécessitent moins d'utilisation de la batterie.

La durée de vie est allongée : Un moteur sans balais est sans balais, ce qui signifie que ses moteurs ne reposent pas sur leurs muscles, augmentent la durée de vie des moteurs et réduisent l'entretien global.

Haute précision : Les moteurs sans balais ont un rendement inertiel élevé et une grande précision de couple grâce à l'intégration de diverses techniques de contrôle avancées telles que la modulation de largeur d'impulsion ou le contrôle orienté vers le champ. Cela permet un fonctionnement en douceur, un positionnement précis et des niveaux de performance élevés dans toute une série d'applications.

Vitesse et couple élevés : Les moteurs sans balais génèrent plus de couple et permettent une plus grande vitesse qu'un moteur à balais de même taille, car on considère que les moteurs à balais sont mécaniquement limités dans ce qu'ils peuvent faire. Mais avec les moteurs sans balais qui dépassent leurs limites grâce à leurs conceptions en diamant, le balayage n'est plus un problème.

Réduction du bruit et des interférences électromagnétiques : Les moteurs sans balais fonctionnent avec un bruit électrique et des interférences électromagnétiques (EMI) presque aussi silencieux que les moteurs à balais. Ils conviennent donc aux environnements électroniques délicats et aux applications nécessitant un faible niveau de bruit.

Taille compacte et densité de puissance élevée : Les moteurs sans balais peuvent facilement atteindre une densité de puissance élevée, ce qui permet des conceptions compactes et légères. Cette caractéristique est très utile dans les applications où l'espace est limité, comme les drones, la robotique et les appareils portables.

Entretien réduit : L'utilisation de moteurs sans balais supprime les obligations de maintenance régulière liées à l'usure des balais. Les coûts de maintenance deviennent donc moins élevés et la fiabilité s'améliore.

Large gamme de vitesses : Les moteurs sans balais sont capables de fonctionner sur une vaste plage de vitesses, des plus basses aux plus élevées, tout en maintenant un couple constant. Cette caractéristique les rend idéaux pour diverses applications avec des exigences de vitesse variées.

Bien que le coût initial des moteurs sans balais soit plus élevé que celui des moteurs à balais, les économies à long terme ainsi que les performances et la durabilité accrues compensent largement cette dépense. Les avantages réels de l'utilisation d'un moteur sans balais dépendent des exigences qualitatives et quantitatives de la tâche à accomplir et des caractéristiques structurelles du moteur.

Quels sont les problèmes courants de maintenance et de dépannage des moteurs sans balais ?

Bien que les moteurs sans balais nécessitent moins d'entretien, certains efforts de maintenance et certains problèmes de dépannage peuvent encore être rencontrés avec les moteurs sans balais :

Usure des roulements : Il ne fait aucun doute que les moteurs sans balais sont équipés de roulements qui s'usent avec le temps. Cela entraîne des niveaux de bruit et de vibration supplémentaires, qui s'ajoutent aux niveaux de bruit déjà présents dans le moteur. L'ensemble de ces facteurs permet de décider s'il est nécessaire d'effectuer des réparations ou si le remplacement des roulements est une meilleure option.

Les systèmes d'isolation peuvent également être endommagés, en particulier dans le cas des enroulements de stator qui se trouvent dans de nombreuses conditions de forte humidité ou de forte chaleur. Ce problème peut être encore aggravé par des ruptures d'isolation, car des courts-circuits peuvent en résulter. Ce problème peut être évité en contrôlant régulièrement la résistance des enroulements et en changeant les motoréducteurs si nécessaire.

Tous les types de moteurs, et les moteurs sans balais ne font pas exception, fonctionnent selon des paramètres prédéfinis et cela dépend normalement de l'utilisation de capteurs à effet Hall ou d'encodeurs pour fournir un retour d'information approprié sur le positionnement. Ces capteurs sont essentiels au bon fonctionnement du moteur et s'ils venaient à tomber en panne, l'ensemble du moteur pourrait fonctionner de manière incorrecte ou ne pas fonctionner du tout. Le plus souvent, pour résoudre les problèmes liés aux capteurs, il faut procéder en plusieurs étapes, notamment vérifier le câblage, les connexions des capteurs et, dans de rares cas, remplacer les capteurs eux-mêmes.

Surchauffe : Un moteur sans balais peut surchauffer lorsqu'il est utilisé au-delà de ses spécifications nominales ou en cas de manque de refroidissement. Le bobinage, les aimants ou d'autres dispositifs peuvent être endommagés par la surchauffe. Pour éviter la surchauffe, il est conseillé d'assurer une ventilation suffisante, d'utiliser des techniques de refroidissement appropriées et de limiter le fonctionnement du moteur à ses paramètres nominaux.

Des pratiques d'utilisation appropriées des moteurs sans balais ainsi que des inspections et des réparations opportunes permettent d'éviter et de reconnaître tout problème potentiel susceptible de provoquer la mort du moteur. Si les procédures de dépannage ne permettent pas de résoudre le problème, l'étape suivante consiste à contacter le fabricant ou des techniciens de maintenance qualifiés.