03_CH03-01_Brushless_V01

NOTIONS AERONAUTIQUES
CH 03-01: Moteurs
Brushless
V01
03/04/2016
Helmi TOUEL, Edition 2016 ©
http://aeromodelisme.eklablog.net
Savoir une chose sur chaque chose!
1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
AVERTISSEMENT
Ceci n’est pas un cours académique et ne peut pas servir en tant que tel.
Ceci est une approche simplifiée d’une discipline regroupant plusieurs
branches: aérodynamique, mécanique du vol, aéromodélisme, etc.
Certains résultats découlent d’une modélisation donnée (hypothèses).
Généraliser les résultats en dehors de leur cadre peut conduire à des
interprétations erronées.
Certaines assertions reflètent l’interprétation de l’auteur. Le lecteur doit
prendre du recul et les soumettre à son sens critique.
Vos remarques serons très appréciées: [email protected]
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CH 03-01: Brushless
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1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Sommaire:
•Introduction
•Moteur Brushless
•Principe de Fonctionnement
•Contrôleur / ESC
•Annexes
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1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Introduction
•
•
Tout le monde a eu une fois dans sa vie l’occasion de
manipuler un moteur électrique à courant continu:
Ce sont les pièces de bases dans les jouets comme les
voitures RC.
•
•
•
Dans ces moteurs, les bobines
sont en rotation.
C’est au niveau du
collecteur/balais qu’on a
l’inversion du sens du courant
dans les bobines.
Mais ce dispositif génère aussi
un frottement important et des
étincelles.
• A terme on a aussi une
détérioration du balais en
carbone.
Les moteurs brushless se propose de remédier aux problèmes des
moteurs « classiques ».
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1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Sommaire:
•Introduction
•Moteur Brushless
•Principe de Fonctionnement
•Contrôleur / ESC
•Annexes
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1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Le Brushless
• L’idée est simple: il s’agit d’immobiliser les bobines (stator) et mettre
en mouvement la cloches et ses aimant (stator).
Les brushless ont bénéficiés de l’apparition (années 80) de puissants aimants en néodyme.
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1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Aimant Néodyme
• dd
Les aimants « Néodyme-FerBore » donnent entre 1 et 1,2
Tesla
Les aimants ferrites
donnent entre 0,25 et
0,30 Tesla
C’est comme remplacer l’air à 21 % d’oxygène par de l’oxygène pur dans un
moteur à explosion !
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1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Types de moteurs
• On distingue les Outrunners et les Inrunners:
Rotor
Rotor
On peut mettre beaucoup d’aimants et
leur bras de levier est important: couple
important/ Kv (vitesse) faible-> pas
besoin de réducteur.
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Les aimants (2 pôles) sont dans l’axe
(rotor). Les bobines (extérieur) forme le
stator. Moins coupleux mais il tourne plus
vite-> besoin d’un réducteur. Plus facile à
Controller.
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1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Sommaire:
•Introduction
•Moteur Brushless
•Principe de Fonctionnement
•Contrôleur / ESC
•Annexes
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1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
5. Annexes
4. L'ESC
Fonctionnement: Mode permanant
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N
N
S
S
C non-alimentée
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2. Moteur Brushless
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4. L'ESC
5. Annexes
Bobines C & B basculent
2
N
N
S
B non-alimentée
S
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1. Introduction
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3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Bobines B & A basculent
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S
N
S
N
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A non-alimentée
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2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
L’Asservissement
•
•
•
•
•
Dans le moteur brushless le champ magnétique tourne pour « tirer » les
rotors. Plus le nombre de pôles (rotor) est importants, plus la vitesse du
champ est importante (par rapport à la vitesse réelle du moteur)
Tant que le couple moteur est supérieur à la charge à entraîner, la rotation
du rotor est synchronisée avec le champ magnétique.
Si le couple résistant devient supérieur au couple moteur, et que la tension
d’alimentation n’est pas ajustée en conséquence, il y a un risque de
décrochage, c'est-à-dire que le rotor risque de ne plus suivre le champ
magnétique.
A partir de ce moment là, le rotor va se mettre à osciller, sans pouvoir se
resynchroniser avec le champ magnétique, ce qui peut provoquer sa
destruction.
Pour éviter cela, le système d’asservissement doit être en mesure de réagir
si le couple résistant augmente, et ajuster la tension d’alimentation en
conséquence.
L’asservissement du moteur est assurer par un
contrôleur.
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2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
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•Introduction
•Moteur Brushless
•Principe de Fonctionnement
•Contrôleur / ESC
•Annexes
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1. Introduction
2. Moteur Brushless
3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Le contrôleur (ESC)
• Pour sontrôler le moteur; l’ESCassure 3 tâches (page suivante)
(option)
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4. L'ESC
5. Annexes
Le contrôleur
Tâche 1: Variateur de tension (hachage)
• On a déjà vu que la tension commande le nombre de tours. Donc on
doit contrôler la tension pour faire varier le RPM.
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3. Fonctionnement
4. L'ESC
5. Annexes
Tâche 2: Détecter la position du « moteur »
• Le contrôleur a besoin de connaître la position de l’aimant pour faire
basculer le courant dans les bobines.
• Deux solutions sont possibles:
– Mettre des capteurs à effet de hall,
– Utiliser le courant induit dans la bobine non-alimentée*.
• C’est la deuxième solution qui est maintenu pour l’aéromodélisme
(plus simple).
• Au démarrage, ce principe n’est pas utilisable. Alors on démarre
comme un moteur pas-à-pas. La fréquence augmente petit-à-petit
(programmable dans certains cas par l’utilisateur).
Exemple d’un brushless avec capteur à effet
Hall-> plus compliqué que nos moteurs
d’aéromodélisme!
*On parle de FCEM (Force Contre Electro-Motrice)
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4. L'ESC
5. Annexes
Tâche N°3: commutation du courant
• Le contrôleur est
composé de transistors
MOS pilotés par un
microcontrôleur.
• Il en faut au moins 6 (2
par bobine)
Minimum de 6 transistors (pour
former 6 interrupteurs).
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Tâche N°3: commutation du courant
• Un seul courant va alimenter les bobines:
Bobines en série:
Bobines en parallèle:
La commande peut se faire de la façon suivante:
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•Moteur Brushless
•Principe de Fonctionnement
•Contrôleur / ESC
•Annexes
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1. Introduction
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3. Fonctionnement
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5. Annexes
Le Timing
• Le temps de commutation (entre le moment ou le moteur détecte la
position « zéro » de l’aimant et le moment ou il fait la bascule de la
bobine) est noté td .
• Mais pour avoir une valeur parlante, on le devise par le temps total
d’une rotation du champ magnétique (Tmag)*, et on le multiplie par
360° pour avoir une valeur en °.
Timing= 360° *
td
Tmag
• Intuitivement c’est l’avance que prend la bobine sur le pôle
magnétique qu’elle attire (ou quelle pousse).
• Pour ceux qui sont habitués des moteurs thermique, c’est comparable
à l’avance d’allumage.
• Le timing dépends du nombre des pôles, on se propose de donner
une petite « modélisation/explication »
(*) correspond à un cycle complet d’alimentation des bobines.
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5. Annexes
Le Timing
• Le bon fonctionnement dépond de la
distance δ. Trop petit peu efficace, trop
grande, peu efficace aussi.
δ=td* Ωmot
Modélisation « simple »
δ
1
Instant=0
• Le champ magnétique tourne(*) plus vite
que le moteur. Plus il y a de pôle plus il
tourne vite (on note R ce facteur).
Ωmag= RΩmot
Instant=td
A l’instant 0, l’aimant est en face
de la bobine qui n’est pas
alimentée.
A l’instant Td, l’ESC alimente la
bobine qui va repousser l’aimant.
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Ωmot: vitesse du moteur
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Le Timing
δ=td* Ωmot
Ωmag= RΩmot
1
δ=td* Ωmag/R
3
2
360*td/T = Timing = R δ
• La vitesse angulaire peut
être exprimé en degrés
par second:
Ωmag=360/T
4
• L’expression « simpliste » qu’on vient de trouver peut nous aider à
comprendre certaines choses (largement diffusées sur les forumes
/magazines d’aéromodélisme):
Timing = R δ
Ωmot: vitesse du moteur
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4. L'ESC
5. Annexes
Temps de commutation/timing
• Les Outrunner avec un nombre important de pôles ont
une vitesse de champ plus importante (R important)
donc il fonctionne avec un timing important.
• Pour se fixer les idée:
– timing bas 0 à 5°
– timing médium 5 à 15°
– timing élevé 15 à 30°
Un Timing élevé est synonyme de plus de vitesse et plus de
puissance-> mais ça consomme plus et ça chauffe plus.
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5. Annexes
Caractéristiques électriques
•
Le moteur est caractérisé par:
– Kv: il permet de nous donner le
nombre de tour en fonction de la
tension.
– Rb: résistance des bobines,
– Io: le courant qui traverse le moteur à
vide (sans hélice) pour vaincre le
frottement.
– Le courant max admissible,
– Sa puissance nominale et son
rendement max.
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