Les moteurs à courant continu représentent le premier type de moteur Il s’agit de la version la plus primitive du moteur électrique dans laquelle un couple rotatif est produit en raison de l’écoulement de courant dans le conducteur dans un champ magnétique. Ils sont largement utilisés et leurs coûts ont tendance à être moins élevés que les systèmes à courants alternatifs pour des appareils de faible consommation.
Avec des appareils gourmands en électricité, les frais d'entretien généraux augmentent et devraient être pris en compte. La vitesse des moteurs à courant continu peut être contrôlée en variant la tension d'alimentation.
Ces moteurs sont disponibles dans une large gamme de tensions. Cependant, les tensions les plus utilisées sont 12 et 24 V.
Parmi les avantages de ces moteurs, on peut citer :
• Simple installation.
• Démarrage, marche arrière et accélération rapides et arrêt
• Vitesse variable dans une large gamme
• Couple de démarrage élevé avec courbe couple-vitesse linéaire
Les moteurs à courant continu sont largement utilisés, on les trouve dans les petits appareils et outils tels que des appareils électroportatifs sans fil jusqu'aux palans, ascenseurs et véhicules électriques,…
Les moteurs à courant continu sont généralement divisés en deux types : des moteurs à balais et des moteurs "sans balais».
A-Les moteurs à balais
Les moteurs à balais sont de loin les plus courants. Ils sont faciles à construire et à réparer. Ils représentent le type de moteur le plus classique et sont principalement utilisés pour des applications à budget réduit, dans lesquelles le système de commande est relativement simple, telles que des applications grand public.
Leur inconvénient majeur est qu'ils utilisent des balais en carbone, ou « charbons », pour transférer le courant électrique à la partie tournante, et ces balais s'usent avec l’utilisation et finissent par entraîner le dysfonctionnement du moteur électrique.
• Moteur à aimant permanent (PMDC)
Les moteurs PMDC utilisent des aimants permanents pour développer l'excitation de champ. Les aimants de champ sont montés à l'intérieur du boîtier et les autres pièces restent les mêmes, telles que les balais de charbon, les commutateurs et l'armature. Comme le flux de champ n'est pas modifiable, la vitesse d'un moteur PMDC ne peut être contrôlée qu'en régulant la tension d'induit. Ces moteurs sont utilisés dans plusieurs applications fonctionnant sur batterie, telles que perceuses, mélangeurs, meuleuses, tondeuses, brosses à dents électriques, etc.
• À Excitation shunt
La bobine d'excitation et l'enroulement d'induit sont connectés en parallèle. Dans le dictionnaire électrique, le mot "shunt" signifie connexion parallèle. Ce type de moteur peut fournir un couple plus élevé, sans réduction de vitesse lors d'une augmentation du courant de moteur. Son couple de démarrage est moyen avec une vitesse constante, il est très courant dans la pratique et convient donc aux applications telles que les tours, aspirateurs, convoyeurs et meuleuses.
• À Excitation série
Pour ce type de moteur, la bobine de champ et la bobine d'induit sont connectées dans un circuit en série. Le contrôle de la vitesse est effectué en variant la tension d'alimentation. Cependant, ce type de moteur offre un mauvais contrôle de la vitesse et lorsque le couple augmente, sa vitesse chute. Ces moteurs sont utilisés dans les applications exigeant un couple de démarrage élevé comme les ascenseurs, grues, les palans,…
• À Excitation Compound
Ce type de moteur à courant continu est principalement un module hybride, il combine la structure à excitation série et celle du bobinage "shunt". Ainsi la polarité du bobinage shunt s'ajoute aux champs en série.
Ce type de moteur possède un couple de démarrage élevé et offre une large variation de vitesse. Il est utilisé pour piloter les presses rotatives, scies circulaires, machines de cisaillement, des compresseurs, pompes centrifuges à tête variable, ….
B-Les moteurs sans balais (Brushless ou BLDC)
Un moteur sans balais, ou moteur « brushless » (l'abréviation BLDC), vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun collecteur tournant et donc aucun balai. Ce type de moteur est une machine électrique de la catégorie des machines synchrones .
Le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et pourvu d'origine d'un capteur à effet Hall. Le rôle de l'ensemble capteur-électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage du moteur c'est-à-dire le maintien de l'orthogonalité du flux magnétique rotorique par rapport au flux statorique.
Les moteurs brushless sont très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères et de voitures ainsi que dans l'industrie et en particulier les disques durs et les graveurs de DVD de nos ordinateurs.
Les moteurs pas à pas : exemple de moteur sans balais
Le moteur pas à pas est un type de moteur sans balais, commandé par système informatisé. Il est utilisé principalement dans les systèmes d’automatisation et de précision. Ce type de moteur utilise un type particulier de construction qui permet à un système de contrôle informatisé de faire avancer la rotation du moteur avec des diverses utilisations allant des lecteurs CD, les imprimantes, bras robotisés jusqu'à des applications industrielles compliquées telles que les équipements de placement à grande vitesse.
1- Avantages et inconvénients des moteurs sans balais:
Ce type de moteur électrique élimine tous les inconvénients du moteur à courant continu classique : problèmes de commutation au niveau du collecteur, refroidissement, puissance massique nettement plus grande, géométrie, durée de vie.
À performances égales, son rendement est toujours meilleur, ceci étant dû en partie à l'absence de pertes mécaniques et électriques liées aux balais.
Toujours à performances égales, le moteur sans balais est d'un prix de revient inférieur à celui de la machine à courant continu du fait du remplacement du collecteur et des balais par un capteur électronique d'un coût très réduit.
Le fonctionnement est identique, vu de l'extérieur, à une machine à courant continu : il suffit de faire varier la tension d'alimentation pour faire varier la vitesse de rotation et dans de nombreuses utilisations ceci ne nécessite pas le recours à un variateur électronique de vitesse.
Pour la grande majorité des applications nécessitant une commande et une régulation électronique du couple, de la vitesse et/ou de la position, les avantages du moteur sans balais sont tels qu'il a complètement remplacé la machine à courant continu et, en liaison avec les progrès de l'électronique de puissance , le prix de revient de ces solutions s'en est trouvé réduit dans le même temps que leurs performances ont été notablement améliorées.
Les moteurs sans balais réduisent certains problèmes liés aux moteurs à balais les plus courants (durée de vie limitée pour des applications à usage intensif) et leur conception mécanique est beaucoup plus simple (sans balais). Le contrôleur de moteur utilise des capteurs à effet Hall pour détecter la position des rotors, il peut ainsi commander le moteur de façon précise via le courant dans les bobines du rotor pour réguler la vitesse.
Les avantages de cette technologie sont une longue durée de vie, peu d'entretien et un rendement élevé, tandis que les inconvénients sont des coûts élevés et beaucoup plus d'électronique de commande pour fonctionner.
Ces types de moteurs sont généralement utilisés dans le contrôle de positionnement et de vitesse avec des applications telles que les pompes, compresseurs et ventilateurs, qui nécessitent la fiabilité et la robustesse.
2-Utilisation des moteurs sans balais :
Les moteurs brushless sont largement utilisés dans l'industrie, en particulier dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique, où ils ont fait disparaître les machines à courant continu. On trouve de tels moteurs pour des couples de quelques newtons mètres jusqu'à plusieurs centaines de Nm et des puissances de quelques centaines de watts jusqu'à des centaines de kilowatts.
Ils équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD.
Une forme simplifiée et populaire de ces technologies est utilisée dans les ventilateurs assurant le refroidissement de systèmes électroniques, dont les micro-ordinateurs. Dans ce cas, le stator (bobiné) est à l'intérieur et le rotor (comportant les aimants) à l'extérieur.
Ces moteurs sont utilisés depuis les années 1990 pour les systèmes de ventilation/ climatisation automobiles du fait de leur silence de fonctionnement. Aujourd'hui, on les retrouve dans la plupart des motos, scooters et voitures électriques, des véhicules hybrides, des vélos à assistance électrique, mais aussi dans les roues de certains modèles de trottinettes électriques.
Ils sont aussi très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères (aéromodélisme) ainsi que de petits drones. Ils sont moins bruyants que les moteurs avec balais et leur rapport poids/puissance est très favorable à leur utilisation dans ce domaine. On les retrouve également dans les motorisations d'antennes paraboliques.
C-Avantages et inconvénients des moteurs électriques à courant continu
L'avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse, voire leur raccordement direct à la source d'énergie : batteries d'accumulateur, piles, etc.
Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou « charbons » et le collecteur rotatif. Ainsi que le collecteur lui-même comme indiqué plus haut et la complexité de sa réalisation.
De plus il faut signaler que :
• plus la vitesse de rotation est élevée, plus la pression des balais doit augmenter pour rester en contact avec le collecteur donc plus le frottement est important ;
• aux vitesses élevées les balais doivent donc être remplacés très régulièrement ;
• le collecteur imposant des ruptures de contact provoque des arcs, qui usent rapidement le commutateur et génèrent des parasites dans le circuit d'alimentation, ainsi que par rayonnement électromagnétique.
Un autre problème limite les vitesses d'utilisation élevées de ces moteurs lorsque le rotor est bobiné, c'est le phénomène de « défrettage », la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage).
La température est limitée au niveau du collecteur par l'alliage utilisé pour braser les conducteurs du rotor aux lames du collecteur. Un alliage à base d'argent doit être utilisé lorsque la température de fonctionnement dépasse la température de fusion de l'alliage classique à base d'étain.
Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs « disques » ou les moteurs « cloches », qui néanmoins possèdent toujours des balais.
Les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur sans balais (aussi dénommé moteur brushless, ou improprement « moteur à courant continu sans balais »), qui est une machine synchrone auto-pilotée.
En guise de conclusion :
La classification principale des moteurs à courant continu peut être effectuée par les différentes connexions d'enroulement d'induit et d'enroulement de champ. Autrement dit, la classification de moteurs à courant continu est généralement basée sur la façon dont la bobine de champ et l'armature sont connectées l'une à l'autre.
L’avantage majeur du moteur à courant continu est de pouvoir facilement régler la vitesse de rotation de celui-ci. Tandis que le problème de ces moteurs vient de la liaison entre les balais, ou « charbons » et le collecteur rotatif. Ces inconvénients ont été partiellement résolus par des moteurs disques ou des moteurs cloches qui ne possèdent aucun fer au rotor, mais qui par contre possèdent toujours des balais. Par la suite, les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur brushless, aussi dénommé « moteur à courant continu sans balais », ou moteur sans balais.
Avec des appareils gourmands en électricité, les frais d'entretien généraux augmentent et devraient être pris en compte. La vitesse des moteurs à courant continu peut être contrôlée en variant la tension d'alimentation.
Ces moteurs sont disponibles dans une large gamme de tensions. Cependant, les tensions les plus utilisées sont 12 et 24 V.
Parmi les avantages de ces moteurs, on peut citer :
• Simple installation.
• Démarrage, marche arrière et accélération rapides et arrêt
• Vitesse variable dans une large gamme
• Couple de démarrage élevé avec courbe couple-vitesse linéaire
Les moteurs à courant continu sont largement utilisés, on les trouve dans les petits appareils et outils tels que des appareils électroportatifs sans fil jusqu'aux palans, ascenseurs et véhicules électriques,…
Les moteurs à courant continu sont généralement divisés en deux types : des moteurs à balais et des moteurs "sans balais».
A-Les moteurs à balais
Les moteurs à balais sont de loin les plus courants. Ils sont faciles à construire et à réparer. Ils représentent le type de moteur le plus classique et sont principalement utilisés pour des applications à budget réduit, dans lesquelles le système de commande est relativement simple, telles que des applications grand public.
Leur inconvénient majeur est qu'ils utilisent des balais en carbone, ou « charbons », pour transférer le courant électrique à la partie tournante, et ces balais s'usent avec l’utilisation et finissent par entraîner le dysfonctionnement du moteur électrique.
• Moteur à aimant permanent (PMDC)
Les moteurs PMDC utilisent des aimants permanents pour développer l'excitation de champ. Les aimants de champ sont montés à l'intérieur du boîtier et les autres pièces restent les mêmes, telles que les balais de charbon, les commutateurs et l'armature. Comme le flux de champ n'est pas modifiable, la vitesse d'un moteur PMDC ne peut être contrôlée qu'en régulant la tension d'induit. Ces moteurs sont utilisés dans plusieurs applications fonctionnant sur batterie, telles que perceuses, mélangeurs, meuleuses, tondeuses, brosses à dents électriques, etc.
• À Excitation shunt
La bobine d'excitation et l'enroulement d'induit sont connectés en parallèle. Dans le dictionnaire électrique, le mot "shunt" signifie connexion parallèle. Ce type de moteur peut fournir un couple plus élevé, sans réduction de vitesse lors d'une augmentation du courant de moteur. Son couple de démarrage est moyen avec une vitesse constante, il est très courant dans la pratique et convient donc aux applications telles que les tours, aspirateurs, convoyeurs et meuleuses.
• À Excitation série
Pour ce type de moteur, la bobine de champ et la bobine d'induit sont connectées dans un circuit en série. Le contrôle de la vitesse est effectué en variant la tension d'alimentation. Cependant, ce type de moteur offre un mauvais contrôle de la vitesse et lorsque le couple augmente, sa vitesse chute. Ces moteurs sont utilisés dans les applications exigeant un couple de démarrage élevé comme les ascenseurs, grues, les palans,…
• À Excitation Compound
Ce type de moteur à courant continu est principalement un module hybride, il combine la structure à excitation série et celle du bobinage "shunt". Ainsi la polarité du bobinage shunt s'ajoute aux champs en série.
Ce type de moteur possède un couple de démarrage élevé et offre une large variation de vitesse. Il est utilisé pour piloter les presses rotatives, scies circulaires, machines de cisaillement, des compresseurs, pompes centrifuges à tête variable, ….
B-Les moteurs sans balais (Brushless ou BLDC)
Un moteur sans balais, ou moteur « brushless » (l'abréviation BLDC), vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun collecteur tournant et donc aucun balai. Ce type de moteur est une machine électrique de la catégorie des machines synchrones .
Le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et pourvu d'origine d'un capteur à effet Hall. Le rôle de l'ensemble capteur-électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage du moteur c'est-à-dire le maintien de l'orthogonalité du flux magnétique rotorique par rapport au flux statorique.
Les moteurs brushless sont très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères et de voitures ainsi que dans l'industrie et en particulier les disques durs et les graveurs de DVD de nos ordinateurs.
Les moteurs pas à pas : exemple de moteur sans balais
Le moteur pas à pas est un type de moteur sans balais, commandé par système informatisé. Il est utilisé principalement dans les systèmes d’automatisation et de précision. Ce type de moteur utilise un type particulier de construction qui permet à un système de contrôle informatisé de faire avancer la rotation du moteur avec des diverses utilisations allant des lecteurs CD, les imprimantes, bras robotisés jusqu'à des applications industrielles compliquées telles que les équipements de placement à grande vitesse.
1- Avantages et inconvénients des moteurs sans balais:
Ce type de moteur électrique élimine tous les inconvénients du moteur à courant continu classique : problèmes de commutation au niveau du collecteur, refroidissement, puissance massique nettement plus grande, géométrie, durée de vie.
À performances égales, son rendement est toujours meilleur, ceci étant dû en partie à l'absence de pertes mécaniques et électriques liées aux balais.
Toujours à performances égales, le moteur sans balais est d'un prix de revient inférieur à celui de la machine à courant continu du fait du remplacement du collecteur et des balais par un capteur électronique d'un coût très réduit.
Le fonctionnement est identique, vu de l'extérieur, à une machine à courant continu : il suffit de faire varier la tension d'alimentation pour faire varier la vitesse de rotation et dans de nombreuses utilisations ceci ne nécessite pas le recours à un variateur électronique de vitesse.
Pour la grande majorité des applications nécessitant une commande et une régulation électronique du couple, de la vitesse et/ou de la position, les avantages du moteur sans balais sont tels qu'il a complètement remplacé la machine à courant continu et, en liaison avec les progrès de l'électronique de puissance , le prix de revient de ces solutions s'en est trouvé réduit dans le même temps que leurs performances ont été notablement améliorées.
Les moteurs sans balais réduisent certains problèmes liés aux moteurs à balais les plus courants (durée de vie limitée pour des applications à usage intensif) et leur conception mécanique est beaucoup plus simple (sans balais). Le contrôleur de moteur utilise des capteurs à effet Hall pour détecter la position des rotors, il peut ainsi commander le moteur de façon précise via le courant dans les bobines du rotor pour réguler la vitesse.
Les avantages de cette technologie sont une longue durée de vie, peu d'entretien et un rendement élevé, tandis que les inconvénients sont des coûts élevés et beaucoup plus d'électronique de commande pour fonctionner.
Ces types de moteurs sont généralement utilisés dans le contrôle de positionnement et de vitesse avec des applications telles que les pompes, compresseurs et ventilateurs, qui nécessitent la fiabilité et la robustesse.
2-Utilisation des moteurs sans balais :
Les moteurs brushless sont largement utilisés dans l'industrie, en particulier dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique, où ils ont fait disparaître les machines à courant continu. On trouve de tels moteurs pour des couples de quelques newtons mètres jusqu'à plusieurs centaines de Nm et des puissances de quelques centaines de watts jusqu'à des centaines de kilowatts.
Ils équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD.
Une forme simplifiée et populaire de ces technologies est utilisée dans les ventilateurs assurant le refroidissement de systèmes électroniques, dont les micro-ordinateurs. Dans ce cas, le stator (bobiné) est à l'intérieur et le rotor (comportant les aimants) à l'extérieur.
Ces moteurs sont utilisés depuis les années 1990 pour les systèmes de ventilation/ climatisation automobiles du fait de leur silence de fonctionnement. Aujourd'hui, on les retrouve dans la plupart des motos, scooters et voitures électriques, des véhicules hybrides, des vélos à assistance électrique, mais aussi dans les roues de certains modèles de trottinettes électriques.
Ils sont aussi très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères (aéromodélisme) ainsi que de petits drones. Ils sont moins bruyants que les moteurs avec balais et leur rapport poids/puissance est très favorable à leur utilisation dans ce domaine. On les retrouve également dans les motorisations d'antennes paraboliques.
C-Avantages et inconvénients des moteurs électriques à courant continu
L'avantage principal des machines à courant continu réside dans leur adaptation simple aux moyens permettant de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation : les variateurs de vitesse, voire leur raccordement direct à la source d'énergie : batteries d'accumulateur, piles, etc.
Le principal problème de ces machines vient de la liaison entre les balais, ou « charbons » et le collecteur rotatif. Ainsi que le collecteur lui-même comme indiqué plus haut et la complexité de sa réalisation.
De plus il faut signaler que :
• plus la vitesse de rotation est élevée, plus la pression des balais doit augmenter pour rester en contact avec le collecteur donc plus le frottement est important ;
• aux vitesses élevées les balais doivent donc être remplacés très régulièrement ;
• le collecteur imposant des ruptures de contact provoque des arcs, qui usent rapidement le commutateur et génèrent des parasites dans le circuit d'alimentation, ainsi que par rayonnement électromagnétique.
Un autre problème limite les vitesses d'utilisation élevées de ces moteurs lorsque le rotor est bobiné, c'est le phénomène de « défrettage », la force centrifuge finissant par casser les liens assurant la tenue des ensembles de spires (le frettage).
La température est limitée au niveau du collecteur par l'alliage utilisé pour braser les conducteurs du rotor aux lames du collecteur. Un alliage à base d'argent doit être utilisé lorsque la température de fonctionnement dépasse la température de fusion de l'alliage classique à base d'étain.
Un certain nombre de ces inconvénients ont partiellement été résolus par des réalisations de moteurs sans fer au rotor, comme les moteurs « disques » ou les moteurs « cloches », qui néanmoins possèdent toujours des balais.
Les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur sans balais (aussi dénommé moteur brushless, ou improprement « moteur à courant continu sans balais »), qui est une machine synchrone auto-pilotée.
En guise de conclusion :
La classification principale des moteurs à courant continu peut être effectuée par les différentes connexions d'enroulement d'induit et d'enroulement de champ. Autrement dit, la classification de moteurs à courant continu est généralement basée sur la façon dont la bobine de champ et l'armature sont connectées l'une à l'autre.
L’avantage majeur du moteur à courant continu est de pouvoir facilement régler la vitesse de rotation de celui-ci. Tandis que le problème de ces moteurs vient de la liaison entre les balais, ou « charbons » et le collecteur rotatif. Ces inconvénients ont été partiellement résolus par des moteurs disques ou des moteurs cloches qui ne possèdent aucun fer au rotor, mais qui par contre possèdent toujours des balais. Par la suite, les inconvénients ci-dessus ont été radicalement éliminés grâce à la technologie du moteur brushless, aussi dénommé « moteur à courant continu sans balais », ou moteur sans balais.
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