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Moteur PMDC

Moteurs DC

Moteurs DC Moteurs DC

Principes de base

Configuration de base

Les moteurs DC à balais et à aimant permanent (moteurs PMDC) se composent d'aimants permanents situés dans le stator et de bobines dans le rotor.

Les extrémités des bobinages sont connectées aux segments du collecteur qui sont en contact glissant avec les balais stationnaires. Les balais sont connectés à une alimentation en continu par les connecteurs du moteur.

On peut inverser le sens de rotation en inversant la polarité de la tension.

Le courant qui passe dans les bobines crée des pôles magnétiques dans le rotor, qui interagissent avec les pôles à aimants permanents. Afin que le couple généré tourne toujours dans le même sens, le flux de courant doit être inversé lorsque le pôle Nord du rotor passe le pôle Sud du stator.

C’est pour cela que les contacts par glissement sont segmentés. Cette bague collectrice segmentée est appelée un collecteur L’illustration de gauche montre la position angulaire juste avant la commutation du courant au bobinage du rotor, sur l'illustration de droite qui suit.

* *

Les vrais moteurs DC possèdent plus de deux bobines et segments de collecteur, afin de générer un couple plus constant.

La figure 5 ci-dessous montre une configuration à 5 segments (HC685LG).

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Permanet magnets are fixed by a spring (NF213G) Les aimants permanents sont fixés
par un ressort (NF213G)

Voici une vue éclatée du moteur PMDC de JE taille n°200 :

Vue éclatée du moteur PMDC de JE taille n°200

Les segments du collecteur sont en cuivre. Le moteur ci-dessus possède 3 segments.

Les balais sont fabriqués dans un métal précieux (feuilletage en métal) ou en carbone (balais en graphite)

Les balais en métal précieux ont les caractéristiques suivantes :

  • Utilisation pour un fonctionnement continu en basse tension
  • Moins grande resistance au contact et par consequent tensions plus basses qu'avec balais en graphite
  • Moins de bruit électromagnétiques que les balais en graphite.
  • Appelés aussi « balais à feuilletage » – le balai est composé de plusieurs brins fins, offrant un meilleur contact avec les segments du collecteur.

Les balais en graphite ont les caractéristiques suivantes :

  • Utilisés pour les applications de forte puissance, vitesse, démarrages fréquents, longue durée de vie et tension élevée.
  • Appelés balais carbone ou balais à cage (pour très longue durée de vie).
Balais carbone et balais à feuilletage de métalBalais carbone et balais à feuilletage de métal (à droite)
 Balais à cage Balais à cage:

Décalage des balais / Sens de la rotation

Les balais peuvent être décalés d’un petit angle à cause de l'aimant permanent (décalage balais). Cela peut favoriser un sens de rotation, l'autre sens provoquant plus d'arcs et un rendement moins élevé.

Le couple de blocage pour le sens de rotation choisi sera inférieur, mais le point de rendement maximal sera plus élevé.

JE possède les deux options, permettant ou non le décalage (orientation zéro) en fonction de l’application du client. Les codes des moteurs JE sont paramétrés pour le choix ou non d’un décalage, et doivent être vérifiés pour toute nouvelle utilisation.


Aimants permanents

JE propose 3 versions d'aimants de base:

  • Moteur code P : Aimant en pastique (caoutchouc), collé au socle.
  • Moteur code H : Aimant pressage sec ou humide, segments retenus par des ressorts ou collés. Plus fort que P.
  • Moteur code Q: Aimant de terre rare, pour couple et rendement très élevés.

Rotor feuilletage d’acier au silicium

Les bobines sont logées dans des encoches, tout autour du feuilletage d’acier au silicium du rotor. Afin de réduire les pertes de courant de Foucault, l’acier du rotor est fait de lamelles d’acier séparées par des isolants (feuilletage).


Anneau de retenue

Anneau de retenue

JE entoure la plupart de ses moteurs d’un anneau de retenue. Cela permet de réduire la résistance du circuit magnétique et d’optimiser les performances.


Carters

JE propose deux versions de carters :

  • métal (support en plastique pour balais intégré)
    • meilleure dissipation thermique (à haute vitesse)
    • roulements à bille possible
    • meilleure protection contre émissions EMI
  • plastiques
    • moins cher
    • pas de roulements à billes possible

Suppression des émissions EMI

Les moteurs DC à balais génèrent des interférences électromagnétiques EMI, chaque fois que les balais passent d’un segment de commutateur à l’autre.

Plus la tension électrique, la vitesse et le courant sont élevés et plus l’émission de bruit l’est aussi. L'émission de bruit dépend également du nombre de segments (c’est-à-dire de la chute de tension entre segments adjacents).

Le bruit est émis de deux façons différentes :

  • Conduction le long des fils d'alimentation
  • Résonnement par l’air

Le bruit doit être limité selon les directives et des normes en vigueur. Pour cela, JE peut effectuer des tests et implanter des moyens de suppression du bruit. Pour ces tests, il est préférable de prendre en compte l’application complète du client.

On peut avoir recours à du fil torsadé ou armé, mais il existe bien d’autres composants silencieux :

VariateursVariateurs
Onduleur Onduleur
Onduleurs Onduleurs
Variateurs+OnduleursVariateurs+Onduleurs
Onduleurs+Bobines d'arrêt  Onduleurs+Bobines d'arrêt

Le condensateur peut être inséré dans le n°300, mais pas dans le n°200. Les condensateurs + 2 bobines d’arrêt peuvent être insérées dans le n)600 (version carter métallique)


Performance

Performance U = I • R + U

Ui ... Tension induite dans bobinage (back-EMF)

Ui = k • ω (ω … vitesse angulaire, ω = 2 • π • n)

génération du couple: T  = k • I

Le facteur k dépend des caractéristiques du moteur (nombre de tours de bobinage, force de l’aimant permanent, distance entrefer, diamètre du rotor, longueur du rotor).

Il est inhérent au type de moteur, mais varie en fonction des tolérances usine.

Il y a aussi une influence de la température (k est plus bas lorsque la température est en train de monter, à cause d’une moindre force magnétique).

L’équation de base pour les moteurs DC est:
ω = U/k – R/k2 • T

Cela signifie que la vitesse est la plus élevée en condition à vide et elle décroit lorsque le couple de charge augmente.


Pertes et rendements

Pertes PO à vide:
Pertes de friction aux roulements et aux balais, pertes hystérésis et de Foucault. Comme toutes ces pertes doivent être couvertes par un couple à vide et par conséquent un courant à vide - il existe également des pertes de courant à vide dans le bobinage: IO2 x R.

Pertes de charge:
A la montée en puissance du couple de charge, le courant et donc les pertes de courant des bobinages augmentent.
Le courant des bobinages est au maximum lorsque le rotor est bloqué : Ploss max = U2 / R

Au point de rendement maximal, le meilleur rapport est Pmech / Pel = Pmech /(U • I).

Le rendement à ce point est η = (1 - √ IO/Istall)2

Au point de puissance maximal de sortie mécanique, la vitesse est la moitié de la vitesse de rotation à vide

La puissance en sortie maximale Pmech maxest un peu inférieure U2 / 4 R.


Durée de vie

La durée de vie des moteurs DC est limitée par l’usure des balais Cela dépend de

  • La vitesse (vitesse des inducteurs de surface)
  • La charge de courant (courant moyen et crêtes, fréquence des marche/arrêt)
  • La configuration des balais, leur matériaux (voir ci-dessus) et la conception du collecteur.

En général la durée de vie des moteurs PMDC de JE va de 300 heures (petits moteurs) à environ 2000 heures (plus gros moteurs, fonctionnement en continu pour des applications avec puissance de sortie assez réduite).


Courbe de rendement

Courbe de rendement

Tolérance usine

Pour les productions en série, les moteurs possèdent une tolérance usine.
La tolérance pour une vitesse à vide est spécifiée à + ou – 10%, mais elle est généralement inférieure.


Spécifications des points de fonctionnement

Le point de fonctionnement (couple nominal) est défini pour les fonctionnements en cycle continu, généralement. Mais le moteur peut également être conçu pour un fonctionnement à faible cycle de service ou un fonctionnement de courte durée, particulièrement pour les moteurs à grande vitesse.

Le couple nominal se situe au point de rendement maximal ou entre les points de rentabilité maximale et de puissance de sortie maximale.

Les fonctionnements à faibles cycles de service permettent un couple de charge plus élevé (surcharge).

Les surcharges autorisées sont limitées par l’échauffement des bobinages.

Si le moteur transporte un courant élevé (basse tension avec gros fils électrique) il est également affecté par les collecteurs/balais.

Un dissipateur thermique (bord en métal d'une crémaillère ou boîte d'engrenage) augmente la capacité de charge.


Rendement avec augmentation de la température du moteur

La température du moteur peut résulter de:

  • Un échauffement du à des pertes moteur après quelque temps de fonctionnement
  • Une température ambiante plus élevée
Rendement avec augmentation de la température du moteur

On peut constater deux effets:

  • La force de l’aimant permanent diminue – provoquant l’augmentation de la vitesse à vide.
  • La résistance du bobinage augmente – causant un blocage du courant plus rapidement.

Les deux effets réduisent la valeur du couple de blocage.


Rendement avec tension électrique réduite

La courbe de rendement diminue proportionnellement à la tension électrique. Vice versa, elle augmente lorsque la tension augmente (mais peut réduire la durée de vie ou même provoquer des surchauffes thermiques du moteur).

Cela est valide dans les limites d'environ +-50% d’augmentation ou de chute de tension.

Rendement avec tension électrique réduite


Moteurs HVDC (moteurs en continu à haute tension)

Moteurs HVDC (moteurs en continu à haute tension)

Les moteurs HVDC peuvent être connectés à une source d’alimentation en courant alternatif à 120 ou 230 V. JE possède un savoir-faire unique dans la création de composants pour ces solutions, et notamment le système collecteur.

Un redresseur est nécessaire pour convertir le courant alternatif en courant continu. Il est intégré à l’intérieur du moteur (s'il dispose d'un espace disponible) ou bien à l'extérieur.

Il faut utiliser un onduleur pour un fonctionnement bidirectionnel.

Les moteurs HVDC remplacent les moteurs universels dans de nombreuses applications. Les avantages sont la diminution du cuivre (remplacement des bobinages du stator par des aimants permanents) et un poids plus léger.



Gamme JE

Code Moteur

Code Moteur
Example: NF183LG (diam 20.4 mm) Example: NF183LG
(diam 20.4 mm)
Example: QC857SG (diam 49 mm) Example: QC857SG
(diam 49 mm)

En savoir plus

Encodeurs

Des encodeurs (capteurs) peuvent être insérés dans le moteur ou montés à l’arrière du moteur.

Ils servent à contrôler très précisément la vitesse et la position angulaire. Principales applications : Imprimantes et scanners.

Différentes options sont proposées:

  • Codeurs optiques
  • Capteurs magnétiques à effet Hall
  • Transformateurs

JE propose une gamme complète de codeurs optiques.

Le principe de base est le suivant:
Un disque strié ou un négatif photo transparent en noir et blanc tourne avec l’axe de rotation d’entraînement du moteur.
Un photodétecteur fournit une onde sinusoïdale ou schéma d'impulsion, qui correspond à la vitesse du moteur.

Le signal de sortie peut être analogique (0...3.3Vac) ou numérique (0...3.3 Vdc or 0...5Vdc).
Déphasage de 90° avec un ou deux signaux (permettant la détection du sens de rotation : résolution x4 possible)

* * *

Plusieurs options de résolution. Terminologie : CPR (comptage par tour) et LPI (Lignes par pouce).

Examples:

HC385MG with slotted encoder wheel (CPR = 48; one signal, sinewave 0...3.3Vac) HC385MG avec encodeur à disque strié
(CPR = 48; un signal, sinusoïdale 0...3.3Vac)
NF123G with fotoprint wheel (CPR= 32; two signals, sinewave 0...3.3Vac) NF123G with fotoprint wheel
(CPR= 32; deux signaux, sinusoïdale 0...3.3Vac)