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samedi 27 mai 2017

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Technologie

Moteurs Électriques

Albertus

Brushed ou Brushless, que choisir ?
Il faut vivre avec son époque !


LES MOTEURS À BALAIS - BRUSHED MOTORS

Les premiers moteurs électriques de modélisme étaient assez volumineux, et devaient impérativement être installés, vu leur poids, dans des bateaux de grandes dimensions.
Au fil des ans, ces moteurs ont évolué, leurs performances ont été améliorées, sans pour autant rien changer au principe de base qui les anime.
Ces moteurs fonctionnent en alimentant, au moyen de balais frottant sur le collecteur d’un rotor, un système d’enroulements de fils de cuivre produisant chacun, l’un après l’autre, un électro-aimant.
Face aux aimants permanents installés en périphérie et formant le stator, le rotor tourne autour de son axe.
Le nombre d’électro-aimants sur le rotor détermine la souplesse de rotation (généralement 3 ou 5)

Anciens moteurs Märklin Meccano - 74.8 ko
Anciens moteurs Märklin Meccano
Ces moteurs du début du siècle dernier, peu performants, tournaient en 20 ou 24v

Un assortiment de moteurs modernes, à balais, avec ou sans réducteurs. A droite, le Power1000, le moteur le plus puissant proposé par Robbe. Au centre, le célèbre Speed600BB Turbo de Graupner - 76.7 ko
Un assortiment de moteurs modernes, à balais, avec ou sans réducteurs. A droite, le Power1000, le moteur le plus puissant proposé par Robbe. Au centre, le célèbre Speed600BB Turbo de Graupner
Ces moteurs ont un sens préférentiel de rotation déterminé par l’inclinaison des balais sur le collecteur. Certains moteurs tournent à gauche, d’autre tournent à droite. Un point rouge indique la borne d’alimentation à raccorder au +.
Pour inverser le sens de rotation, on inverse le sens du courant.



LES MOTEURS SANS BALAIS - BRUSHLESS MOTORS

Moteurs outrunners

Rotor en cloche et stator intérieur - 17.2 ko
Rotor en cloche et stator intérieur
 
On appelle « outrunner » les moteurs brushless dont le rotor est autour du stator. Cette configuration est intéressante en termes de couple moteur, car les aimants sont disposés sur un diamètre important, ce qui crée un bras de levier plus puissant. Cette disposition permet de placer facilement plusieurs séries d’aimants (jusqu’à 32 pôles sur certains moteurs brushless outrunners) et de bobines. Les bobines sont toujours câblées par groupes de 3, et les aimants sont soit collés par groupes de 2, soit constitués d’une partie magnétique comprenant plusieurs pôles.
Ces moteurs brushless outrunners sont souvent utilisés dans des applications qui nécessitent un fort couple, car ils peuvent être reliés à la charge sans nécessiter de dispositif de réduction. Leur coefficient Kv est relativement faible par rapport aux autres types de moteurs brushless. Les principales applications des moteurs brushless outrunners sont les suivantes : ventilateurs, moteurs de disques durs, Cd-rom, moteurs de vélos électriques (intégrés dans le moyeu).
Et en ce qui nous concerne : modèles de bateaux lourds et/ou puissants, waterjets...
Brushless outrunner. Pas de sens préférenciel. Pour inverser le sens de rotation, on invers deux des trois fils (au choix) - 94.5 ko
Brushless outrunner. Pas de sens préférenciel. Pour inverser le sens de rotation, on invers deux des trois fils (au choix)
Pas de balais, donc pas d’étincelles et donc pas besoin de déparasiter... Le moteur se fixe à son bâti par la face arrière. C’est éventuellement ce bâti qui est refroidi par eau.
Très puissants, ces moteurs chauffent très peu si ils sont bien adaptés au modèle qu’ils animent.



Moteurs inrunners

Contrairement au type précédent, les moteurs brushless inrunners ont le rotor à l’intérieur du stator, comme pour les moteurs à balais. Ils n’ont généralement qu’une seule paire de pôles sur le rotor, et 3 bobines au stator. L’inertie du rotor est beaucoup plus faible que pour un moteur outrunner, et les vitesses atteintes par ce type de moteur sont beaucoup plus élevées (jusqu’à 77000 tr/min).
Le couple des moteurs brushless inrunners est plus faible que celui des outrunners car les aimants sont sur un diamètre plus petit à taille de moteur égale. Ce type de moteur brushless est très utilisé dans l’industrie car il se rapproche beaucoup d’un moteur à courant continu à balais et collecteur. En ce qui nous concerne : bateaux de vitesse type offshores à hélice de surface
Brushless inrunner. Ici le rotor est interne comme sur les moteurs à balais. Beaucoup plus rapide qu’un outrunner (jusque 70000 t/mn) mais beaucoup moins puissant - 88.4 ko
Brushless inrunner. Ici le rotor est interne comme sur les moteurs à balais. Beaucoup plus rapide qu’un outrunner (jusque 70000 t/mn) mais beaucoup moins puissant
Plutôt destinés aux offshores avec hélice de surface.
Pour le refroidissement par eau on les équipe d’une chemise extérieure.



Comment choisir sa configuration brushless ?

Ben ... euh... un peu comme on faisait avant les moteurs brushless : en profitant surtout de l’expérience des autres !
Pour les bateaux classiques (j’oublie volontairement les bateaux de vitesse pure) on a intérêt à installer un moteur puissant qui ne tourne pas trop rapidement. Donc un faible KV, et un outrunner, suffisamment puissant que pour qu’il ne force pas et donc ne nécessite pas de refroidissement. Comme ces moteurs consomment beaucoup, on installe une alimentation LiPo de voltage moyen (3S ou 4S) capable de délivrer en pointe assez de jus pour le moteur (20C ou 30C). On lui adjoint un contrôleur bien plus puissant que le pic du moteur (les fabricants sont optimistes dans leurs spécifications, il vaut mieux prendre une marge confortable, cela ne coûte pas beaucoup plus cher), contrôleur éventuellement refroidi par ventilateur (lui, il chauffe un peu).

Avant on installait un Power1000 sur les chalutiers et les remorqueurs lourds, un ou deux Speed 600BB-Turbo sur une vedette à faire déjauger, ou des Speed 700 sur les bateau plus lourd, et, à l’opposé, un Speed 500E sur un petit Springer ou un bateau de début.
On récupérait sans soucis dans une "casse auto" les moteurs de lève-vitres, d’essuie glace ou de ventilateurs ... et ça marchait, ... et on trouvait normal que ça marche !

Maintenant, finalement, c’est pareil...
Sauf que les moteurs sont BEAUCOUP plus puissants, moins chers, sans entretien.
Ok, ils nécessitent un contrôleur au lieu d’un variateur, mais c’est kif kif !
Ok, il faut raccorder chaque moteur à un contrôleur pour lui tout seul !
Ok, les moteurs ont trois fils au lieu de deux (ça étonne et ça effraie !)
Ok, il faut les alimenter par des LiPo, or on a lu (il y a des années de ça) qu’une LiPo ça explose !
Ok, il faut charger les LiPo avec un chargeur équilibreur et plus avec le vieux chargeur de l’auto ni celui des NiMh
Ok, ...
.........
Mais finalement c’est pareil qu’avant !

On achète donc un moteur assez puissant et assez lent pour ne pas avoir besoin d’intercaler un réducteur (donc on choisi un outrunner sauf en vitesse pure) en faisant comme le-copain-qui-a-presque-le-même-bateau a fait (on verra bien, mais de toute façons le bateau avancera).
On se passe dans un premier temps de refroidissement, on choisi un contrôleur Ad Hoc et basta ! L’ennui avec ce moteurs, c’est qu’au lieu d’y en avoir une demi-douzaine comme avant, il y en a des dizaines !

Ben alors, on choisi un d’une couleur qu’on aime bien !

Un moteur à balais : Comment ça marche ?

Electric motor

Sur cette animation du principe de base, le courant est appliqué aux balais : le positif sur le balais jaune, le négatif sur le balais bleu clair. Le collecteur (de couleur orange) est divisé en deux parties et chaque partie est raccordée à un enroulement de fil autour d’un noyau de fer, formant ainsi deux électro-aimants. En tournant, le + et le - s’inversent par le collecteur, et le champ magnétique des électro-aimants (rouge et bleu sur le rotor) s’inverse. Le stator est composé d’aimants permanents. Quand on approche deux aimants, ils s’attirent ou se repoussent suivant leur polarité, et donc le changement de polarité électrique des enroulement fait s’attirer et se repousser aimants et electro-aimants suivant leur position, ce qui fait tourner le rotor.
Il y a donc deux fils d’alimentation : le positif et le négatif. L’inversion du courant fait tourner le moteur dans l’autre sens


Faire varier la vitesse des moteurs à balais

Avec les moteurs à balais, qu’on peur brancher directement sur une batterie, on faisait autrefois varier la vitesse en faisant varier le voltage par l’entremise d’une résistance (un rhéostat). Aujourd’hui c’est à un variateur électronique qu’on fait appel.
Le variateur n’est pas un rhéostat qui diminuerait le voltage, mais un montage électronique assurant ce qu’on appelle un « découpage de phase ». Il fonctionne à la manière d’un interrupteur qui allumerait et éteindrait très rapidement le moteur. L’inertie du moteur rend ce "clignotement" imperceptible. Pour faire varier la vitesse, on joue sur la durée relative des positions ouvertes et fermées de l’interrupteur électronique. Le variateur peut réguler plusieurs moteurs en même temps pour autant que sa puissance soit suffisante.
Variateur avec marche arrière, radiateur diffuseur de chaleur. Deux fils pour la batterie, deux fils pour le ou les moteurs, un câble pour le récepteur radio, un interrupteur - 29.9 ko
Variateur avec marche arrière, radiateur diffuseur de chaleur. Deux fils pour la batterie, deux fils pour le ou les moteurs, un câble pour le récepteur radio, un interrupteur
Pour inverser le sens du moteur, on inverse les fils bleu et orange


Le défaut principal des moteurs à courant continu est la présence des balais, qui engendrent des frottements, des parasites, et limitent la durée de vie du moteur par leur usure. Pour éviter tous ces problèmes on utilise des moteurs brushless, ou moteurs sans balais.
La différence pratique, c’est qu’on trouve des moteurs brushless OUTRUNNER, qui ont beaucoup plus de couple et permettent de se passer d’une réduction. Grosses différences qui sautent aux yeux :
Ce n’est plus l’intérieur du moteur qui tourne, mais c’est la cage extérieure
Il y a trois fils d’alimentation


Un moteur brushless outrunner : comment ça marche ?


Le moteur outrunner comporte les mêmes éléments qu’un moteur à courant continu, excepté le collecteur, mais l’emplacement des bobines et des aimants permanents sont inversés. Le rotor extérieur est composé d’un ou plusieurs aimants permanents, et le stator intérieur de plusieurs bobinages.
Les bobines, toujours câblées par groupe de trois, sont alimentées de façon séquentielle. Cela crée un champ magnétique tournant à la même fréquence que les tensions d’alimentation. L’aimant permanent du rotor cherche à chaque instant à s’orienter dans le sens du champ. Pour que le moteur brushless tourne les tensions d’alimentation doivent être adaptées continuellement pour que le champ reste en avance sur la position du rotor, et ainsi créer un couple moteur. L’animation ci-dessous montre le fonctionnement :
Animation © Moteur Industrie - 62.2 ko
Animation © Moteur Industrie
La vitesse maximale d’un moteur brushless est liée à un coefficient appelé Kv. La valeur de ce coefficient dépend de la construction du moteur (nombre de bobines, de pôles, d’encoches, type de fil pour les bobines, ...) Le Kv c’est le nombre de tours par volt
Kv 850 en 3S (11,1v) = 9435 t/mn
Kv 850 en 5S (18,5v) = 15725 t/mn

Faire varier la vitesse des moteurs sans balais

Pour moduler la vitesse d’un moteur brushless, qu’on ne peut pas brancher sur une batterie, on doit utiliser un contrôleur à la place d’un variateur. Il y a deux systèmes distincts dans un contrôleur : le premier réagit à la consigne de gaz venant du récepteur et fourni une tension d’alimentation. Le second, en fonction de la position du rotor du moteur, commute le bon circuit aux bornes duquel on va retrouver cette tension. Pour cela il utilise les informations remontant du moteur par les fils d’alimentation, et qui permettent de savoir dans quelle position est le rotor et quel circuit il faut commuter. C’est donc le contrôleur qui envoie le courant vers le bon circuit. Ce n’est donc pas la fréquence de commutation qui impose la vitesse de rotation. La fréquence de commutation est une conséquence de la vitesse du moteur, ce n’est pas la cause de cette vitesse.
Il faut donc un contrôleur pour chaque moteur installé
Deux fils pour la batterie, un radiateur ventilé, trois fils pour le moteur, un câble pour le récepteur radio, un interrupteur - 48.3 ko
Deux fils pour la batterie, un radiateur ventilé, trois fils pour le moteur, un câble pour le récepteur radio, un interrupteur


Pour écrire cet article, je n’ai pas fait étalage de mes connaissances (l’article aurait été beaucoup trop court) et comme la science infuse n’existe pas, j’ai glâné pour vous les informations essentielles sur ces moteurs, qui étaient déjà publiées sur le Web, et les ai réunies ici
Que des sites comme Moteur Industrie, comme Wikipédia ou même des modélistes comme ceux de ce forum en soient remercié