Comment fonctionne un moteur BLDC : une explication détaillée des principes des moteurs à courant continu sans balais

Au cours des deux ou trois dernières décennies, en raison des progrès continus de la technologie électronique et des matériaux à aimants permanents,Moteurs BLDCsont passés de moteurs de niche à des solutions d'alimentation grand public pour diverses industries.Moteurs BLDCont été largement utilisés dans des applications, notamment les appareils électroménagers, les outils électriques, les véhicules électriques et les équipements d'automatisation industrielle en raison de leur rendement élevé, de leur fiabilité élevée et de leur longue durée de vie. Pourtant, les principes de fonctionnement des moteurs BLDC sont encore méconnus de beaucoup de particuliers. Cet article expliquera tout ce que vous devez savoir sur le principe de fonctionnement des moteurs BLDC afin que vous puissiez avoir une vue plus détaillée de cette incroyable innovation de l'ingénierie électrique actuelle.

La structure de base d'un moteur BLDC

Maintenant, avant d'entrer dans le principe de fonctionnement, nous devons nous familiariser avec sa structure de base :

Stator : Fixé à l'intérieur du carter du moteur, il est généralement constitué de tôles d'acier au silicium laminées, et des bobines sont enroulées autour de lui pour créer plusieurs pôles électromagnétiques.

Rotor : Le rotor est généralement monté sur l'arbre et contient des aimants permanents. Les moteurs BLDC peuvent être classés en plusieurs variétés en fonction des différentes configurations des aimants permanents.

Capteurs à effet Hall : Pour déterminer la position du rotor et le retour au système de commande électronique.

Contrôleur : Un système de contrôle électronique qui détermine le timing du courant qui circule dans les enroulements du stator en fonction du retour des capteurs Hall ou d'autres mécanismes de retour.

Il convient de noter que la structure du moteur BLDC extérieur est unique par rapport à la structure du rotor interne. Le rotor est à l’extérieur et le stator est à l’intérieur. Ce type de conception est particulièrement répandu dans les applications qui nécessitent un couple élevé, comme dans l'entraînement des hélices de drones.

Les principes de l'électromagnétisme : le fondement du fonctionnement du moteur BLDC

Deux principes de base de l'électromagnétisme déterminent le fonctionnement d'un moteur BLDC :

Loi d'Ampère : lorsqu'un conducteur porteur de courant est dans un champ magnétique, le conducteur est soumis à une force. Le stator d'un moteur BLDC est constitué d'enroulements en cuivre enroulés et, une fois ces enroulements alimentés, ils créent un champ magnétique qui interagit entre les aimants permanents du rotor pour générer une force qui fournit le mouvement mécanique permettant au rotor de tourner.

Loi de Faraday sur l'induction électromagnétique : une force électromotrice sera induite dans un conducteur lorsqu'il coupe les lignes de champ magnétique ou se trouve dans un champ magnétique changeant. Il est largement utilisé dans le contrôle sans capteur, où la position du rotor est détectée en détectant les forces contre-électromotrices.

Ces principes sont appliqués dans la conception de moteurs industriels sans balais. Ils y parviennent en régulant finement le courant circulant dans les enroulements du stator, garantissant des interactions électromagnétiques favorables avec les aimants permanents du rotor pour atteindre un rendement et une stabilité élevés.

Le processus de commutation d'un moteur BLDC

Le mécanisme de fonctionnement le plus important du moteur BLDC est appelé commutation électronique. C'est le facteur de distinction le plus important et le plus clé entre les moteurs sans balais et les moteurs à balais traditionnels.

Principe de commutation : La commutation est le processus de changement de direction du flux de courant par rapport aux bobines du moteur afin qu'il puisse exister une interaction électromagnétique continue entre le rotor et le stator, ce qui crée un couple continu.

Commutation en six étapes : la méthode de contrôle traditionnelle des moteurs BLDC divise le cycle électrique en six étapes. À chaque étape, deux des enroulements triphasés sont alimentés, tandis qu'une phase est coupée.

Retour du capteur Hall : les capteurs Hall détectent la position des aimants permanents du rotor, afin que le contrôleur puisse déterminer quel enroulement doit être alimenté et la direction du courant.

Contrôle sans capteur : une méthode plus avancée consiste à déterminer la position du rotor en surveillant la force contre-électromotrice dans la phase non alimentée. Aucun capteur à effet Hall n'est nécessaire pour mettre en œuvre cette stratégie complexe, ce qui entraîne une plus grande fiabilité du variateur.

Les gros moteurs BLDC adoptent généralement des stratégies de contrôle plus complexes, telles que l'entraînement à onde sinusoïdale ou le contrôle vectoriel, pour obtenir une sortie de couple plus fluide et un rendement plus élevé.

Le rôle du contrôleur dans un système de moteur BLDC

Le moteur BLDC ne peut pas fonctionner seul et doit être combiné avec un contrôleur électronique spécialisé :

Le pilote de moteur : généralement un onduleur en pont triphasé basé sur un MOSFET de puissance ou un IGBT qui commute le chemin du courant en fonction du signal de commande.

Microcontrôleur : reçoit les signaux du capteur de position, exécute des algorithmes de contrôle et génère des signaux PWM pour piloter les dispositifs d'alimentation.

Contrôle en boucle fermée : fournit un contrôle précis de la vitesse ou un contrôle de position en fonction des besoins de l'application.

Fonction de protection sûre : protection contre les surintensités, protection contre les surchauffes, protection contre les sous-tensions, etc.

Les applications des systèmes de moteur BLDC 48 V sont répandues dans les vélos électriques, les petits véhicules électriques et certaines autres applications industrielles. Son contrôleur et ses circuits de manipulation doivent gérer des tensions et des courants plus élevés et disposent généralement d'un ensemble plus complexe de fonctions de performance et de protection.

Les caractéristiques de performance et les scénarios d'application des moteurs BLDC

Jetons maintenant un coup d'œil à leurs avantages en termes de performances après avoir appris les principes de fonctionnement du moteur BLDC :

Haute efficacité : En raison de l'absence de pertes par friction des balais et des collecteurs, leur efficacité est généralement supérieure à 85 %, voire supérieure à 95 % dans certains cas.

Bonnes caractéristiques vitesse-couple : offre une large plage de couple de sortie.

Durée de vie plus longue : sans éléments d'usure mécaniques, la durée de vie n'est limitée qu'en fin de compte par les roulements.

Efficacité de dissipation thermique améliorée : contact direct entre les enroulements du stator et le boîtier du moteur pour une dissipation thermique plus efficace.

Faible bruit et interférences électromagnétiques : il n'y a pas d'étincelles ni de bruit générés par la commutation des balais.

En raison de sa structure spéciale, le moteur BLDC Outrunner est plus capable de fournir un couple plus élevé à basse vitesse, ce qui le rend particulièrement adapté aux systèmes à entraînement direct, comme les hélices et les ventilateurs de drones, etc. Avec les avantages de stabilité et de durabilité, le moteur sans balais en fait le choix d'alimentation dans les équipements d'automatisation et les instruments de précision.

Les algorithmes de contrôle des moteurs BLDC

La technologie de contrôle BLDC moderne, plus développée, a surpassé cette méthode de commutation simple en six étapes :

Contrôle d'onde trapézoïdale : La méthode de contrôle la plus élémentaire est une forme d'onde de courant trapézoïdale. C'est simple à mettre en pratique mais produit des ondulations de couple d'une amplitude considérable.

Contrôle sinusoïdal : entraîner le moteur par un courant sinusoïdal, ce qui peut réduire l'ondulation du couple du moteur et rendre le fonctionnement plus fluide.

Contrôle orienté champ (FOC) : en appliquant une transformation mathématique, le courant triphasé est traduit dans le système de coordonnées rotatif pour le contrôle, conduisant à un contrôle de couple et à une efficacité énergétique optimaux.

Technologie de fusion de capteurs : intègre plusieurs signaux de rétroaction (par exemple, capteurs à effet Hall, encodeurs et échantillonnage de courant) pour une meilleure précision et robustesse du contrôle.

En raison des défis posés par les applications à haute puissance, telles que la gestion thermique, l'optimisation du rendement et la réponse dynamique, des algorithmes de contrôle plus sophistiqués sont généralement utilisés pour les moteurs Big BLDC.

Conclusion : les principes de fonctionnement et les avantages des moteurs BLDC

Moteurs BLDCcontrôlez avec précision le courant dans les enroulements du stator grâce à un système de contrôle électronique et interagissez avec les aimants permanents du rotor pour obtenir une conversion efficace de l'énergie électrique en énergie mécanique. Des petits appareils électroniques grand public aux grands équipements industriels, des applications basse tension aux systèmes de moteurs BLDC 48 V, les moteurs CC sans balais, avec leur rendement élevé, leur haute fiabilité et leurs excellentes performances de contrôle, sont à l'origine du progrès technologique et de l'amélioration de l'efficacité énergétique dans diverses industries. Avec le développement continu de la technologie de contrôle électronique et des matériaux à aimants permanents, nous pouvons prévoir que les moteurs BLDC auront des perspectives d'application plus larges et des performances plus exceptionnelles.

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