Principe de fonctionnement du moteur à courant continu brossé

La structure principale d'un moteur à courant continu à balais est la suivante : stator + rotor + balai, ce qui permet d'obtenir un couple grâce à un champ magnétique rotatif et de produire de l'énergie cinétique. Le balai est en contact et en friction constante avec le collecteur, qui joue un rôle dans la conduction de l'électricité et la commutation des phases pendant la rotation.

Les moteurs à courant continu à balais utilisent une commutation mécanique, les pôles magnétiques ne bougent pas et les bobines tournent. Lorsque le moteur fonctionne, les bobines et le collecteur tournent, les aimants et les balais de carbone ne tournent pas, et le changement alternatif du sens du courant de la bobine est complété par le collecteur et les balais qui tournent avec le moteur.

Dans un moteur à courant continu à balais, le processus consiste à disposer les deux bornes d'entrée de chaque groupe de bobines dans un anneau en séquence, séparées par des matériaux isolants, pour former un cylindre qui est relié à l'arbre du moteur dans son ensemble. L'énergie passe par deux petits piliers constitués d'éléments en carbone (balais en carbone). Sous l'action de la pression des ressorts, ils appuient sur deux points du cylindre supérieur de l'anneau d'entrée d'énergie de la bobine à partir de deux positions fixes spécifiques pour alimenter un groupe de bobines.

Lorsque le moteur tourne, différentes bobines ou différents pôles de la même bobine sont alimentés à différents moments, de sorte que le pôle NS de la bobine générant le champ magnétique présente une différence d'angle appropriée avec le pôle NS du stator à aimant permanent le plus proche. Les pôles opposés du champ magnétique s'attirent et les pôles semblables se repoussent, générant une force qui fait tourner le moteur. L'électrode de carbone glisse sur la borne de la bobine, comme une brosse qui effleure la surface d'un objet, c'est pourquoi on l'appelle une "brosse" de carbone.

En glissant l'un contre l'autre, les balais de carbone frottent l'un contre l'autre et s'usent, ce qui nécessite un remplacement régulier des balais de carbone. Lorsque les balais de carbone et les bornes de la bobine sont alternativement activés et désactivés, des étincelles électriques se produisent, générant des dommages électromagnétiques et des interférences avec l'équipement électronique.

Principe de fonctionnement du moteur à courant continu sans balais

Dans un moteur à courant continu sans balais, le travail de commutation est effectué par le circuit de commande dans le contrôleur (généralement un capteur à effet Hall + un contrôleur, une technologie plus avancée est un encodeur magnétique).

Les moteurs à courant continu sans balais utilisent la commutation électronique, la bobine ne bouge pas et les pôles magnétiques tournent. Les moteurs à courant continu sans balais utilisent un ensemble de dispositifs électroniques pour détecter la position des pôles de l'aimant permanent par l'intermédiaire du commutateur à effet Hall SS2712 . Sur la base de cette perception, des circuits électroniques sont utilisés pour changer le sens du courant dans la bobine en temps utile afin de garantir que la force magnétique dans la bonne direction est générée pour entraîner le moteur. Les défauts des moteurs à courant continu à balais sont éliminés.

Ces circuits sont des contrôleurs de moteur. Le contrôleur du moteur à courant continu sans balais peut également réaliser certaines fonctions que le moteur à courant continu avec balais ne peut pas réaliser, telles que le réglage de l'angle de commutation de la puissance, le freinage du moteur, l'inversion du moteur, le verrouillage du moteur et l'utilisation du signal de freinage pour arrêter l'alimentation du moteur. Le verrouillage électronique de l'alarme de la voiture à batterie actuelle utilise pleinement ces fonctions.

Le moteur CC sans balais se compose d'un corps de moteur et d'un pilote, et constitue un produit mécatronique typique. Comme le moteur CC sans balais fonctionne de manière automatique, il ne nécessite pas d'enroulement de démarrage supplémentaire sur le rotor comme un moteur synchrone qui démarre sous forte charge avec une régulation de vitesse à fréquence variable, et il ne produit pas non plus d'oscillation et de perte de pas lorsque la charge change brusquement.

La différence entre la régulation de vitesse d'un moteur à courant continu brossé et d'un moteur à courant continu sans balais

En fait, le contrôle des deux moteurs consiste à réguler la tension, mais comme le moteur à courant continu sans balais utilise une commutation électronique, il nécessite un contrôle numérique pour être réalisé, alors que le moteur à courant continu avec balais est commuté par des balais de carbone et peut être contrôlé à l'aide de circuits analogiques traditionnels tels que des thyristors, ce qui est relativement simple.

1. Le processus de régulation de la vitesse d'un moteur à balais consiste à ajuster la tension de l'alimentation du moteur. La tension et le courant ajustés sont convertis à travers le collecteur et les balais pour changer la force du champ magnétique généré par l'électrode afin d'atteindre l'objectif de changement de vitesse. Ce processus est appelé régulation de vitesse à tension variable.

2. Le processus de régulation de la vitesse du moteur sans balais consiste à modifier la vitesse en changeant le signal de commande du régulateur électrique tout en maintenant la tension de l'alimentation du moteur inchangée, puis en changeant le taux de commutation du tube MOS haute puissance par l'intermédiaire du microprocesseur. Ce processus est appelé régulation de vitesse à fréquence variable.

Différences de performance

1. Les moteurs à balais ont une structure simple, une longue durée de développement et une technologie mature.

Dès le XIXe siècle, lorsque le moteur est né, le moteur pratique produit était un moteur sans balais, c'est-à-dire le moteur asynchrone à cage d'écureuil à courant alternatif, qui a été largement utilisé après la génération du courant alternatif.

Cependant, les moteurs asynchrones présentent de nombreux défauts insurmontables, ce qui a conduit à un développement lent de la technologie des moteurs dans le passé. En particulier, les moteurs à courant continu sans balais n'ont été mis en service commercial que ces dernières années, car la technologie électronique évolue de jour en jour. Par essence, ils appartiennent toujours à la catégorie des moteurs à courant alternatif.

Peu après l'invention du moteur sans balais, on a inventé le moteur à balais à courant continu. Comme le moteur à balais à courant continu a une structure simple, est facile à produire et à traiter, est facile à entretenir et est facile à contrôler ; le moteur à courant continu a également les caractéristiques d'une réponse rapide, d'un couple de démarrage important et la capacité de fournir le couple nominal de la vitesse zéro à la vitesse nominale, il a été largement utilisé depuis son introduction.

2. Le moteur à courant continu brossé a une vitesse de réponse rapide et un couple de démarrage important.

Le moteur à courant continu brossé a une vitesse de réponse rapide au démarrage, un couple de démarrage important, un changement de vitesse en douceur et pratiquement aucune vibration de zéro à la vitesse maximale. Il peut entraîner une charge plus importante au démarrage. Le moteur sans balais a une grande résistance au démarrage (réactance inductive), de sorte que le facteur de puissance est faible, le couple de démarrage est relativement faible, il y a un bruit de bourdonnement au démarrage, accompagné de fortes vibrations, et la charge entraînée au démarrage est faible.

3. Le moteur à brosse à courant continu fonctionne en douceur et a de bons effets de démarrage et de freinage.

Les moteurs à balais ajustent la vitesse par régulation de la tension, de sorte que le démarrage et le freinage se font en douceur, de même que le fonctionnement à vitesse constante. Les moteurs sans balais sont généralement commandés par conversion de fréquence numérique, qui convertit d'abord le courant alternatif en courant continu, puis le courant continu en courant alternatif, et contrôle la vitesse en modifiant la fréquence. Par conséquent, les moteurs à courant continu sans balais ne fonctionnent pas en douceur au démarrage et au freinage, et présentent des vibrations importantes. Ils ne sont stables que lorsque la vitesse est constante.

4. Précision de contrôle élevée du moteur CC à balais

Les moteurs à courant continu brossés sont généralement utilisés avec des réducteurs et des encodeurs pour augmenter la puissance de sortie du moteur et la précision du contrôle. La précision de contrôle peut atteindre 0,01 mm, ce qui permet aux pièces mobiles de s'arrêter presque n'importe où. Toutes les machines-outils de précision utilisent la précision de contrôle des moteurs à courant continu. Les moteurs à courant continu sans balais ne sont pas stables au démarrage et au freinage, de sorte que les pièces mobiles s'arrêtent à des positions différentes à chaque fois et doivent être arrêtées à la position souhaitée au moyen de goupilles de positionnement ou de limiteurs.

5. Le moteur à balais à courant continu est peu coûteux et facile à entretenir.

Comme les moteurs à courant continu brossés ont une structure simple, un faible coût de production, de nombreux fabricants et une technologie relativement mature, ils sont largement utilisés, notamment dans les usines, les machines-outils, les instruments de précision, etc. Si le moteur tombe en panne, il suffit de remplacer le balai de carbone, et chaque balai de carbone ne coûte que quelques yuans, ce qui est très bon marché. La technologie du moteur CC sans balais est immature, son prix est élevé et son champ d'application est limité. Il devrait être principalement utilisé dans les équipements à vitesse constante, tels que les climatiseurs à fréquence variable, les réfrigérateurs, etc. Les moteurs CC sans balais ne peuvent être remplacés que s'ils sont endommagés.

6. Pas de brosse, peu d'interférences

Le moteur à courant continu sans balais a supprimé les balais. Le changement le plus direct est qu'il n'y a pas d'étincelles générées lorsque le moteur à balais fonctionne, ce qui réduit considérablement les interférences des étincelles sur les équipements de radiocommande.

7. Faible bruit et fonctionnement régulier

Le moteur à courant continu sans balais n'a pas de brosses, de sorte que la friction est considérablement réduite pendant le fonctionnement, qui se fait en douceur et avec beaucoup moins de bruit. Cet avantage contribue grandement à la stabilité du fonctionnement du modèle.

8. Longue durée de vie et faible coût d'entretien

Sans balais, l'usure du moteur à courant continu sans balais se fait principalement sur les roulements. D'un point de vue mécanique, le moteur à courant continu sans balais ne nécessite pratiquement aucun entretien. Le cas échéant, seul un dépoussiérage est nécessaire.

Principe de commande des moteurs à courant continu sans balais

La commande de l'entraînement du moteur consiste à contrôler la rotation ou l'arrêt du moteur, ainsi que la vitesse de rotation. La partie commande du moteur est également appelée contrôleur électronique de vitesse, ou ESC en abrégé. Les ESC sont divisés en ESC sans balais et ESC sans balais en fonction des moteurs utilisés.

L'aimant permanent d'un moteur à courant continu à balais est fixe et la bobine est enroulée autour du rotor. Un balai est en contact par intermittence avec le collecteur pour changer la direction du champ magnétique et maintenir le rotor en rotation continue. Comme son nom l'indique, un moteur à courant continu sans balais n'a pas de balais ni de collecteurs. Son rotor est un aimant permanent, et la bobine est fixe et directement connectée à une alimentation externe. La question est de savoir comment changer la direction du champ magnétique de la bobine. En fait, un moteur à courant continu sans balais nécessite également un régulateur de vitesse électronique à l'extérieur. Pour simplifier, ce régulateur de vitesse est un variateur de vitesse. Il modifie à tout moment le sens du courant à l'intérieur de la bobine fixe afin de garantir que la force entre celle-ci et l'aimant permanent se repousse mutuellement, de sorte que la rotation continue puisse se poursuivre.

Les moteurs à balais peuvent fonctionner sans ESC et peuvent fonctionner en alimentant directement le moteur en électricité, mais la vitesse du moteur ne peut pas être contrôlée de cette manière. Les moteurs à courant continu sans balais doivent être équipés d'un ESC pour fonctionner, sinon ils ne peuvent pas tourner. Le courant continu doit être converti en courant alternatif triphasé par l'ESC sans balais, puis transmis au moteur à courant continu sans balais pour qu'il tourne.

Les premiers ESC n'étaient pas comme les ESC actuels. Ils étaient tous à balais. Vous pouvez vous demander ce qu'est un ESC à balais et quelle est la différence avec les ESC brushless actuels. En fait, la différence est énorme. Les ESC à balais et sans balais sont tous deux basés sur des moteurs. Le rotor du moteur actuel, c'est-à-dire la partie rotative, est constitué d'aimants, et la bobine est le stator qui ne tourne pas, car il n'y a pas de balai de carbone entre les deux. Il s'agit d'un moteur CC sans balais.

Quant aux moteurs à balais, comme leur nom l'indique, ils sont dotés de balais en carbone et sont donc des moteurs à courant continu à balais. Par exemple, les moteurs utilisés dans les voitures télécommandées avec lesquelles les enfants jouent habituellement pour 10 à 20 yuans sont des moteurs à courant continu à balais. Les ESC sont nommés d'après ces deux types de moteurs, à savoir les ESC à balais et les ESC sans balais. D'un point de vue professionnel, les ESC à balais produisent du courant continu, tandis que les ESC sans balais produisent du courant alternatif triphasé. Le courant continu est l'électricité stockée dans nos batteries, qui possède des pôles positifs et négatifs. Notre alimentation domestique de 220 V et l'alimentation utilisée pour les chargeurs de téléphones portables ou les ordinateurs sont toutes des alimentations en courant alternatif.

Le courant alternatif a une certaine fréquence. En termes simples, il s'agit d'une ligne qui échange du positif et du négatif, du positif et du négatif dans les deux sens ; le courant continu est une ligne qui a des pôles positifs et des pôles négatifs. Maintenant que nous avons compris ce que sont le courant alternatif et le courant continu, qu'est-ce que l'"électricité triphasée" ? Théoriquement, le courant alternatif triphasé est une forme de transmission de l'électricité, appelée électricité triphasée. Il s'agit d'une source d'énergie composée de trois potentiels alternatifs de même fréquence, d'amplitude égale et de déphasage de 120 degrés. En termes simples, il s'agit du courant alternatif triphasé que nous utilisons à la maison. À l'exception de la tension, de la fréquence et de l'angle d'entraînement, tout le reste est identique. Vous connaissez maintenant l'électricité triphasée et le courant continu.

L'ESC sans balais fournit un courant continu, qui est stabilisé par un condensateur de filtrage. Il est ensuite divisé en deux voies. L'un des chemins est utilisé par le BEC de l'ESC. Le BEC est utilisé pour alimenter le récepteur et le microcontrôleur de l'ESC. La sortie de la ligne d'alimentation vers le récepteur correspond aux lignes rouge et noire de la ligne de signal. L'autre chemin est utilisé par le tube MOS. Ici, lorsque l'ESC est mis sous tension, le microcontrôleur commence à démarrer, faisant vibrer le tube MOS, ce qui fait que le moteur émet un son de goutte à goutte.

Après le démarrage, il sera prêt à fonctionner. Certains ESC disposent d'une fonction de calibrage de l'accélérateur. Avant de passer en mode veille, il vérifie si la position de l'accélérateur est élevée, faible ou moyenne. Si elle est élevée, il entre dans la phase d'étalonnage de la course de l'ESC. Si elle est moyenne, il commence à envoyer un signal d'alarme et le moteur émet un bip. S'il est bas, il passe à l'état de fonctionnement normal. Une fois que tout est prêt, le MCU de l'ESC détermine la tension et la fréquence de sortie en fonction du signal sur la ligne de signal PWM, ainsi que la direction de conduite et l'angle de synchronisation pour piloter la vitesse et la direction du moteur. C'est le principe de l'ESC sans balais. Lorsque le moteur est entraîné, 3 groupes de tubes MOS fonctionnent dans l'ESC, chacun avec 2 pôles, l'un pour contrôler la sortie positive et l'autre pour contrôler la sortie négative. Lorsque la sortie positive est activée, la sortie négative ne l'est pas, et lorsque la sortie négative est activée, la sortie positive ne l'est pas, de sorte que le courant alternatif est formé. Les trois groupes fonctionnent de la même manière et leur fréquence est de 8000HZ. En parlant de cela, l'ESC sans balais est équivalent à un convertisseur de fréquence ou à un régulateur de vitesse utilisé sur les moteurs dans une usine.

L'entrée de l'ESC est un courant continu, généralement alimenté par une batterie au lithium. La sortie est un courant alternatif triphasé, qui peut directement entraîner le moteur. En outre, le contrôleur électronique de vitesse sans balais pour modèles réduits possède trois lignes d'entrée de signaux, qui envoient des signaux PWM pour contrôler la vitesse du moteur. Les modèles réduits d'avions, en particulier les quadcoptères, nécessitent, en raison de leur particularité, des régulateurs de vitesse électroniques spéciaux pour les modèles réduits d'avions.

Pourquoi les quadcoptères ont-ils besoin d'un ESC spécial ? Qu'est-ce qu'ils ont de si particulier ? Un quadcoptère possède quatre hélices disposées en croix. Les hélices peuvent tourner en avant et en arrière, ce qui permet de compenser le problème de rotation causé par la rotation d'une seule hélice. Le diamètre de chaque hélice est très petit et la force centrifuge des quatre hélices est dispersée lorsqu'elles tournent. Contrairement aux hélices d'un hélicoptère, une seule peut générer une force centrifuge concentrée pour former une force centrifuge inertielle gyroscopique, qui empêche le fuselage de basculer rapidement. Par conséquent, la fréquence de mise à jour du signal de servocommande couramment utilisé est très faible.

Pour que le quadcoptère réagisse rapidement à la dérive causée par les changements d'attitude, il faut un ESC à grande vitesse de réponse. La vitesse de mise à jour de l'ESC PPM conventionnel n'est que d'environ 50 Hz, ce qui ne permet pas d'atteindre la vitesse requise pour ce contrôle. En outre, l'unité MCU de l'ESC PPM dispose d'une commande de vitesse PID intégrée, qui peut fournir des caractéristiques de changement de vitesse en douceur pour les modèles d'avions conventionnels, mais elle n'est pas adaptée aux quadcopters, qui nécessitent des changements de vitesse de moteur à réponse rapide. L'utilisation d'un ESC dédié à haute vitesse et de l'interface bus IIC pour transmettre les signaux de commande permet de réaliser des centaines ou des milliers de changements de vitesse du moteur par seconde, de sorte que l'attitude peut être maintenue stable à tout moment pendant le vol du quadcoptère. Même si le quadcoptère est soudainement impacté par des forces extérieures, il reste sûr et sain.