Comment les pertes dans le fer influencent directement le choix d'un moteur BLDC

Cela est particulièrement vrai dans le monde des moteurs électriques miniatures qui sont essentiels pour sauver, améliorer et améliorer la vie de nombreuses personnes. Un aspect clé de la performance d'un moteur est son rendement qui est défini comme le rapport de la puissance mécanique et de la puissance électrique : η=(Puissance mécanique)/(Puissance électrique)

Parce que le rendement a un impact direct sur l'échauffement et la consommation électrique du moteur, il doit être sélectionné avec le plus grand soin afin de tirer le meilleur parti de l'espace disponible. Nous explorons ici l'efficacité et les pertes d'un moteur BLDC, ainsi que la façon dont cela joue un rôle clé dans le processus de conception et de sélection du moteur.

Le but d'un moteur BLDC est de transformer la puissance électrique (UI) en puissance mécanique (Tω). Cependant, comme un moteur ne peut jamais atteindre la perfection, trois principaux types de pertes sont créés lors de la conversion de la puissance électrique en puissance mécanique : les pertes par frottement, les pertes de cuivre et les pertes de fer.

Puissance électrique - (pertes par frottement + pertes de cuivre + pertes de fer) = puissance mécanique

Pertes par frottement: Les pertes par frottement sont générées par les roulements à billes/douilles et dépendent de l'utilisation de l'application (vitesse, charge, accélération) et de l'environnement (température, saleté, etc.), mais aussi des paramètres intrinsèques du roulement, notamment la matière, l'usure, les lubrifiants et l'étanchéité.

Pertes de cuivre : Les pertes de cuivre, également appelées pertes Joule, sont générées par la résistance de la bobine. Le couple est directement proportionnel linéairement au courant (T = kI), donc plus un moteur fournit de couple, plus les pertes de cuivre générées sont élevées. Cela suit la fonction quadratique : Pertes cuivre=R * I ²

Gardez à l'esprit que la résistance augmentera lorsque le moteur chauffe, ce qui réduira l'efficacité selon l'équation ci-dessous. R = R_0.(1+γ.∆Temp)

-R_0 : valeur de la résistance (Ω) à la température ambiante (donnée dans la fiche technique) | γ : facteur de résistance de 0,004/°C pour le cuivre

Pertes de fer : Les pertes de fer peuvent être facilement mal comprises mais ont un impact substantiel sur les performances du moteur. Les pertes dépendent fortement de la fréquence de variation du flux magnétique dans un matériau, ce qui signifie que plus un moteur tourne vite, plus les pertes sont générées.

Pour mieux comprendre ce phénomène, une petite expérience peut être menée. Un aimant peut être projeté dans un tube légèrement ferromagnétique (cuivre ou aluminium), où l'on peut observer que la vitesse de chute de l'aimant est beaucoup plus faible que ce à quoi on pourrait s'attendre. Nous pouvons comparer cela en changeant le tube en plastique ou en remplaçant l'aimant par un morceau de métal de la même taille et du même poids.

Selon la loi de Lenz, lorsque l'aimant tombe à travers le tube, le changement de champ magnétique induit des courants circulant dans une direction opposée au changement qui les produit. C'est ce qui réduit la vitesse de l'aimant.

Loi de Lenz : FEM induite = -(∆Φ/∆t)

∆Φ/∆t est le taux de variation du flux magnétique

Les pertes fer sont générées par deux phénomènes : Courants de Foucault

Selon la loi de Faraday, lorsqu'un champ magnétique est appliqué dans un conducteur, un courant est généré à travers celui-ci. Et comme le matériau a une résistivité électrique spécifique, il crée des pertes (R*I²).

Pertes par courants de Foucault=RI^2≅ CB^2.f^2.t^2.

– C est une constante qui dépend de la conception du moteur et des matériaux

– B est le champ magnétique dans le matériau (T)

-f est la fréquence d'inversion magnétique par seconde (Hz)

-t est l'épaisseur du matériau (m)

-V est le volume du conducteur (m³)

Avec la formule précédente, nous pouvons voir les paramètres qui jouent un grand rôle dans la création de ces pertes par courants de Foucault (Figure 3). Sans surprise, la fréquence d'inversion du champ magnétique a un impact substantiel, tout comme la vitesse du moteur ; l'intensité du champ magnétique et même l'épaisseur du matériau jouent également un rôle important.

Un moyen efficace de réduire l'impact de l'épaisseur du matériau consiste à stratifier le matériau d'âme. Cela crée un chemin plus petit pour le courant, ce qui signifie qu'il se divisera en plusieurs petits courants au lieu d'un grand courant. Comme les pertes sont créées avec la valeur au carré du courant, cela est très efficace (t/2 => i/2 => courants de Foucault/4). Une chose à garder à l'esprit est que pour éviter que le courant ne circule entre deux tôles, elles doivent être isolées l'une de l'autre avec un revêtement.

Lorsque le flux magnétique est inversé dans un matériau ferromagnétique, le matériau se magnétise et se démagnétise, ce qui crée une perte d'énergie. Pour supprimer la densité de flux, nous devons passer le point de coercivité en fournissant un flux magnétique opposé (Figure 4).

Ces pertes dépendent principalement de l'induction magnétique dans le circuit, mais aussi des propriétés du matériau (telles que la perméabilité et le volume) et de la fréquence de variation du flux. C'est pourquoi il est essentiel de sélectionner le bon matériau pour la bonne vitesse.

L'équation de Steinmetz nous aide à calculer ces pertes par hystérésis et à mieux comprendre l'influence de chaque paramètre :

Pertes d'hystérésis = k * V * f * B^n

-ka constante selon le matériau-V le volume du circuit magnétique (m³)-f la fréquence du champ magnétique (Hz)-B l'induction maximale dans le circuit magnétique (T)-na coefficient selon le matériau (entre 1,6 et 2)

Les différentes pertes générées par un moteur électrique limitent sa puissance maximale, car il brûlerait s'il dépassait une température spécifique en fonction de la conception du moteur. Cela signifie qu'il est essentiel de sélectionner le bon moteur en fonction du point de fonctionnement spécifique (couple et vitesse).

Les pertes Joule sont principalement générées lors de la création du couple, tandis que les pertes fer sont généralement générées à haute vitesse. C'est pourquoi pour un moteur donné, le couple continu maximum possible diminue lorsque la vitesse augmente (Figure 5).

La modification du nombre de pôles d'un aimant peut avoir un impact important sur les performances du moteur. D'une manière générale, les moteurs longs sont à 2 pôles et peuvent fonctionner à des vitesses élevées. Cependant, si l'augmentation du nombre de pôles augmentera le couple maximal d'un moteur, elle augmentera également les pertes fer et réduira ainsi la vitesse continue maximale.

Les pertes fer dépendant fortement de la fréquence de variation du flux magnétique pour une même vitesse, l'augmentation du nombre de pôles augmente le nombre de variations pour un tour moteur. Pour les pertes par courants de Foucault, cela se produit avec le carré de la fréquence accrue, ce qui peut rapidement réduire l'efficacité d'un moteur.

Les courbes de puissance des moteurs illustrent les limites du fonctionnement continu d'un moteur dans l'air à 25°C, y compris les pertes. Sur la figure 6, nous pouvons voir une comparaison de deux moteurs Portescap qui ont le même boîtier, mais avec un moteur ayant 2 pôles et le second moteur ayant 4 pôles.

On voit clairement que le moteur 4 pôles (22ECT60 – couple optimisé) perd rapidement des capacités de couple tout en augmentant en vitesse par rapport au moteur 2 pôles (22ECT60 – vitesse optimisée).

Lors de la sélection d'un moteur électrique, il est essentiel de considérer les différentes pertes, car les limites du moteur sont thermiques. Les pertes dans le fer jouent un rôle clé dans le rendement du moteur, en particulier à grande vitesse ou pour les conceptions multipolaires à couple élevé. L'optimisation du rapport entre les pertes joule et fer permettra de conserver l'énergie et de développer des dispositifs améliorés.

Portescap connaît très bien ces caractéristiques et prend grand soin de concevoir des moteurs aux performances élevées et aux pertes moindres. Une seule conception ne convient pas à toutes les applications, c'est pourquoi l'équipe de Portescap se consacre au développement d'un portefeuille diversifié de technologies de moteurs qui traitent des appareils et des applications avec des points de travail critiques.

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