Apprenez les bases de la force contre-électromotrice, comment la mesurer, ainsi que les avantages et les inconvénients des différents types de moteurs.
Dans la première partie de cette FAQ, nous avons examiné les moteurs à courant continu avec balais et à courant continu sans balais (BLDC), ces derniers présentant certaines similitudes avec un moteur synchrone à aimant permanent (PMSM). Le diagramme PMSM simplifié dans Figure 1 ressemble au schéma présenté dans la partie 1 pour le moteur BLDC moins le circuit de commutation électronique. Des différences subtiles mais significatives entre les deux se manifestent cependant dans le fait que le moteur BLDC a une force contre-électromotrice (FEM) sinusoïdale tandis que le PMSM a une force contre-électromotrice (FEM) trapézoïdale.
Qu’est-ce que la CEM en retour et comment puis-je la mesurer ?
Retour EMF (VBEMF) est la tension générée par un moteur en rotation dans son double rôle de générateur et est proportionnelle à la vitesse. Figure 2a montre un modèle simplifié montrant VBEMF, résistance série (RS), et l'inductance série (LS). Mesurer VBEMF, débranchez le moteur de toute source d'alimentation d'entrée, connectez votre oscilloscope aux bornes du moteur et faites tourner le moteur à une vitesse connue. Vous pouvez observer directement le VBEMF sur l'oscilloscope (Figure 2b) car sans courant circulant, RS ainsi que LS ne contribuera à aucune chute de tension.
Souvent, vous souhaitez mesurer la force électromagnétique pendant le fonctionnement du moteur pour obtenir des informations sur la vitesse et la position. Dans un schéma de commutation électronique de moteur BLDC triphasé typique, à un moment donné, seules deux phases transportent du courant, et un contrôleur de moteur peut mesurer la force électromagnétique sur la troisième phase, non alimentée. Alternativement, vous pouvez mesurer le courant série I et calculez la force contre-électromotrice :
Pour en savoir plus, voir « Loi de Lenz et contre-EMF » dans Conseils de contrôle de mouvement.
Quels sont les inconvénients des moteurs PMSM ou BLDC ?
Concernant les moteurs à courant continu, il est parfois pratique de faire varier l'intensité du champ, ce que vous ne pouvez pas faire avec des aimants permanents. Avec une intensité de champ constante, un moteur à courant continu conventionnel fonctionne en mode couple constant jusqu'à la vitesse à laquelle la force contre-électromotrice du moteur s'approche de la tension d'entrée. À ce stade, la réduction du courant de champ réduit la force contre-électromotrice et le moteur peut fonctionner à une vitesse plus élevée mais à un couple plus faible, établissant ainsi un mode de puissance constante. Ce mode peut être utile dans des applications telles que les machines-outils, où un outil peut fonctionner avec une puissance de coupe constante même lorsque la densité des matériaux change.
Pour tout moteur à aimant permanent, les problèmes de chaîne d'approvisionnement à aimant permanent deviennent critiques, comme le souligne ce rapport du ministère américain de l'Énergie. Des recherches sont donc en cours pour trouver des alternatives. Des options existent depuis longtemps, y compris le moteur à courant continu à balais évoqué dans la première partie, mais avec des inconvénients. Une autre alternative est le moteur synchrone à rotor bobiné (WRSM). Figure 3 montre des balais et des bagues collectrices transportant du courant continu vers et depuis les enroulements du rotor d'un WRSM. Les bagues collectrices et les balais ne présentent pas le risque d'arc et de contournement du collecteur du moteur CC à balais, mais ils restent sujets à l'usure mécanique.
Une autre option est le moteur à induction AC. Dans Figure 4 à gauche, le rotor est constitué d'une boucle conductrice entourant un noyau de fer laminé. Lorsque l'arbre tourne, le champ magnétique du stator induit des courants alternatifs dans la boucle, provoquant des inversions de polarité magnétique dans le noyau du rotor, comme le montre la vue oblique de droite. Le rotor essaie de suivre les champs magnétiques rotatifs du stator, mais n’y parvient pas. Si tel était le cas, la boucle conductrice ne traverserait plus le champ magnétique du stator et son courant tomberait à zéro. Par conséquent, le moteur fonctionne avec un « glissement », soit quelques pour cent de moins que la vitesse synchrone.
Au lieu d'une boucle conductrice, un moteur à induction triphasé typique comporte plusieurs conducteurs disposés dans une configuration ressemblant à une cage d'écureuil, et on l'appelle souvent un moteur à cage d'écureuil. Sans collecteur ni bagues collectrices, ce moteur est depuis longtemps un cheval de bataille fiable. Il est optimal lorsqu'il fonctionne à pleine vitesse et à pleine charge dans des applications telles que le réapprovisionnement périodique d'un château d'eau, car le moteur entraîne une pompe à vitesse constante. Son efficacité en pâtit lorsqu'il fonctionne à des vitesses et des charges variables, par exemple en entraînant une pompe à vitesse variable qui maintient une pression d'eau constante malgré une demande variable, ou en servant de moteur de traction dans un véhicule électrique.
Que dois-je savoir d’autre sur les moteurs ?
Dans la troisième partie de cette série, je décrirai un moteur électrique sans aimants permanents, sans collecteur, sans balais, sans bagues collectrices et sans cage d'écureuil. Nous examinerons également le rôle de l’électronique d’entraînement moderne pour rendre ce moteur pratique et pour améliorer les performances et l’efficacité des autres types de moteurs. Enfin, nous examinerons les mesures de puissance et d’efficacité. Entre-temps, EEMonde vient de réaliser une série de présentations sur la conception des entraînements motorisés, que vous pouvez consulter sur demande ici.
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