Les moteurs à courant continu sans balais et à balais ont essentiellement la même fonction : convertir le courant électrique en mouvement rotatif. Cependant, il existe plusieurs différences entre ces deux types de moteurs. Leurs principes de fonctionnement seront expliqués avant d’aborder leurs différences.
Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu à balais
Lorsque le moteur fonctionne, la bobine et le collecteur tournent, tandis que l’aimant et le balai de charbon ne tournent pas. L’inversion du sens du courant dans la bobine est assurée par le collecteur et le balai qui tournent avec le moteur. Dans l’industrie des véhicules électriques, les moteurs à balais sont divisés en moteurs à balais haute vitesse et moteurs à balais basse vitesse.
Un moteur à courant continu à balais se compose de deux parties principales : le stator et le rotor. Le stator possède des pôles magnétiques (à bobinage ou à aimant permanent) et le rotor possède un bobinage. Lorsqu’il est alimenté, le rotor forme également un champ magnétique (pôles magnétiques). Un angle existe entre les pôles magnétiques du stator et du rotor. En modifiant la position des balais, il est possible de modifier l’angle des pôles stator-rotor, modifiant ainsi le sens de rotation du moteur.
Principe de fonctionnement d’un moteur à courant continu sans balais
Un moteur électrique BLDC sans balais utilise la commutation électronique : la bobine est immobile et les pôles magnétiques tournent. Il utilise un ensemble de dispositifs électroniques pour détecter la position des pôles magnétiques des aimants permanents grâce à des éléments Hall. Des circuits électroniques permettent d’inverser le sens du courant dans les bobines au bon moment afin de garantir la bonne direction de la force magnétique pour entraîner le moteur.
Ces circuits constituent les contrôleurs du moteur. Le contrôleur d’un moteur BLDC personnalisé peut également réaliser certaines fonctions non réalisables par un moteur à balais, telles que le réglage de l’angle de commutation de puissance, le freinage, l’inversion de marche, le verrouillage et l’arrêt de l’alimentation du moteur via le signal de freinage.
Un moteur à courant continu sans balais est composé d’un corps de moteur et d’un variateur, un produit mécatronique classique. Comme le moteur à courant continu sans balais fonctionne de manière autonome, il n’ajoute pas d’enroulement de démarrage supplémentaire au rotor, contrairement à un moteur synchrone qui démarre sous forte charge et avec régulation de fréquence.
Différences entre les moteurs à courant continu avec balais et les moteurs à courant continu sans balais
1. Mode de régulation de vitesse
La régulation de vitesse des moteurs CC à balais consiste à ajuster la tension d’alimentation du moteur. La tension et le courant ajustés sont convertis par le redresseur et les balais pour modifier l’intensité du champ magnétique généré par les électrodes, modifiant ainsi la vitesse. Ce processus est appelé régulation de vitesse à tension variable.
La régulation de vitesse d’un moteur CC sans balais consiste à maintenir la tension d’alimentation du moteur inchangée, à modifier le signal de commande du contrôleur électronique de vitesse (ESC), puis à modifier la fréquence de commutation du tube MOS haute puissance via un microprocesseur pour réaliser le changement de vitesse. Ce processus est appelé régulation de vitesse à fréquence variable.
2. Structure simple et longue histoire de développement du moteur CC à balais
Le moteur CC à balais est un produit traditionnel offrant des performances plus stables, tandis que le moteur CC sans balais est un produit amélioré offrant une durée de vie supérieure à celle du moteur à balais. Cependant, le moteur sans balais possède un circuit de commande complexe, ce qui impose des exigences de vieillissement plus strictes pour les composants.
Peu après la naissance du moteur sans balais, le moteur CC à balais a été inventé. Le moteur à courant continu à balais a été largement utilisé dès son lancement sur le marché grâce à ses caractéristiques : mécanisme simple, facilité de production, de fabrication, d’entretien et de contrôle, réponse rapide, couple de démarrage élevé et couple nominal disponible de la vitesse nulle à la vitesse nominale.
3. Réponse rapide et couple de démarrage élevé du moteur à courant continu à balais
Le moteur à courant continu à balais offre une réponse rapide au démarrage, un couple de démarrage élevé et une vitesse variable en douceur. Ainsi, les vibrations sont quasiment inexistantes lors des changements de vitesse de zéro à la vitesse maximale, et une charge plus importante peut être entraînée au démarrage.
Le moteur électrique sans balais BLDAC présente une résistance de démarrage élevée (résistance inductive). Ainsi, le facteur de puissance est faible, le couple de démarrage est relativement faible, un bourdonnement accompagné de fortes vibrations est produit au démarrage et la charge d’entraînement est réduite.
4. Le moteur à courant continu à balais fonctionne en douceur et offre un démarrage et un freinage parfaits.
La vitesse du moteur à courant continu à balais est régulée par régulation de tension, ce qui lui permet de démarrer et de freiner en douceur, et de fonctionner à vitesse constante.
Le moteur à courant continu sans balais est généralement doté d’un convertisseur de fréquence numérique qui convertit le courant alternatif en courant continu, puis le courant continu en courant alternatif, et contrôle la vitesse par variation de fréquence. Le moteur sans balais ne fonctionne donc pas correctement et vibre fortement.
5. Contrôle de haute précision des moteurs à courant continu avec balais
Les moteurs à courant continu à balais sont généralement utilisés avec des réducteurs et des décodeurs pour accroître leur puissance de sortie et leur précision de contrôle, permettant ainsi aux pièces mobiles de s’arrêter presque partout. Toutes les machines-outils de précision utilisent des moteurs à courant continu pour assurer leur précision de contrôle. Les moteurs sans balais ne démarrent et ne freinent pas en douceur ; les pièces mobiles s’arrêtent donc à des positions différentes à chaque fois et doivent être arrêtées à la position souhaitée au moyen de goupilles de positionnement ou de limiteurs.
6. Les moteurs à courant continu à balais sont économiques et faciles à entretenir.
Sa structure simple, son faible coût de production, la variété de ses fabricants et la maturité de ses technologies permettent au moteur à courant continu à balais de trouver des applications plus répandues, notamment dans les usines, les machines-outils d’usinage, les instruments de précision, etc. En cas de panne du moteur, seul le balai de charbon doit être remplacé. Le moteur à courant continu sans balais, dont la technologie est encore récente et le prix élevé, limite ses applications, notamment dans les climatiseurs à onduleur, les réfrigérateurs et autres équipements à vitesse constante.
7. Le moteur à courant continu sans balais présente de faibles interférences.
Selon l’usine de moteurs sans balais, l’amélioration la plus importante d’un moteur à courant continu sans balais est l’absence d’étincelles électriques générées par son fonctionnement, ce qui réduit considérablement les interférences avec les équipements radiocommandés.
8. Faible bruit et fonctionnement fluide.
Sans balais, les moteurs sans balais fonctionnent en douceur, avec beaucoup moins de frottements et un bruit bien plus faible, ce qui contribue grandement à la stabilité du fonctionnement du moteur.
