Par Emrik Joner
Introduction :
Lors de la construction d'un drone, l'une des premières étapes consiste à choisir le bon moteur. Pour obtenir les meilleures performances, il est essentiel de tester plusieurs moteurs et de sélectionner le plus efficace pour votre conception. Il existe de nombreux moteurs sur le marché, dont une grande variété de moteurs électriques spécifiquement conçus pour la conception de drones. Dans cet article, nous nous concentrerons uniquement sur les moteurs électriques en abordant les sujets suivants :
- Comment fonctionnent les moteurs sans balais (brushless)
- Moteurs « inrunner » vs « outrunner »
- Efficacité et performance
- Choisir un moteur
Remarque : Pour cet article, nous utiliserons le banc de poussée Série 1585 pour recueillir des données sur les moteurs et les hélices.
1. Comment fonctionne un moteur sans balais (brushless) ?
Avant d'entrer dans le principe du mécanisme sans balais, examinons d'abord ses composants.
Composants d'un moteur sans balais :
Électroaimants et aimants permanents :
Un fil conducteur enroulé autour d'une base métallique n'agira pas comme un aimant, mais lorsqu'un courant circule dans le fil, cela l'incite à se comporter comme tel. C'est ce qu'on appelle couramment un électroaimant. Si un courant négatif traverse ce même fil, l'aimant a alors l'effet inverse : il attire un autre aimant au lieu de le repousser.
Rotor et Stator :
Les pièces visibles sur le cercle intérieur de la figure 3 sont les électroaimants, tandis que sur le cercle extérieur se trouvent les aimants permanents. Pour faire tourner le moteur, vous activez l'un des électroaimants en envoyant un courant électrique dans ses bobines. Cela fait commencer à tourner le rotor, car l'aimant permanent subit une répulsion de la part de l'électroaimant similaire et tente de s'aligner avec un aimant permanent opposé sur le stator.
Cela ne le fera tourner que pendant une courte période, le temps que l'électroaimant et l'aimant permanent opposé s'alignent. L'étape suivante consiste à alimenter un autre électroaimant pour éviter que la rotation ne s'arrête, suivi de l'électroaimant suivant, et ainsi de suite.
En délivrant un courant triphasé à une fréquence donnée, le moteur tournera à une vitesse égale à la fréquence de ce signal. La manette des gaz sur la radiocommande d'un drone sert à modifier la vitesse du moteur ; une entrée de commande plus élevée envoie un signal de fréquence plus élevée au drone. Le contrôleur de vitesse électronique (ESC) gère la transmission du signal pour ajuster la vitesse du moteur en fonction de l'entrée de la manette.
Quel est le rôle d'un ESC ?
Un ESC, ou contrôleur de vitesse électronique, contrôle le moteur électrique en envoyant des signaux électriques qui sont traduits en changements de vitesse, voire en une inversion du sens de rotation. Il utilise un courant continu couplé à un système de commutation pour obtenir un courant alternatif triphasé. Ce courant de sortie peut ensuite être modifié en changeant la fréquence à laquelle les commutateurs s'ouvrent et se ferment dans le circuit.
Les ESC brushless ont besoin d'informations sur la position actuelle du rotor pour pouvoir démarrer le moteur et choisir une direction de rotation. Pour déterminer sa position, l'ESC utilise les informations provenant du dernier électroaimant non alimenté afin de mesurer son induction. Cette induction varie en fonction de l'endroit où se trouve l'aimant permanent le plus proche : plus il est proche de l'électroaimant, plus le champ magnétique induit est fort.
La manette des gaz sert à faire varier la vitesse du moteur. Pour ce faire, l'ESC doit ajuster la fréquence de commutation en fonction du signal de la manette. Il existe plusieurs protocoles de transmission de signal avec des performances différentes, les plus courants étant Oneshot, Multishot et Dshot.
La différence entre eux réside dans la fréquence des signaux transmis. Des fréquences plus courtes permettent un temps de réaction plus rapide. De plus, le protocole Dshot diffère des deux autres car il envoie un signal numérique au lieu d'un signal analogique. Cela rend le signal plus fiable, car il est moins sensible au bruit électrique et plus précis grâce à sa résolution plus élevée.
Pour aller plus loin : Liste des fabricants de moteurs sans balais
2. Inrunner ou Outrunner
Principe :
Chaque moteur sans balais est constitué de deux parties principales : un stator et un rotor. Le stator est statique, il ne bouge pas et contient les électroaimants. Le rotor est le composant rotatif qui contient les aimants permanents. Il existe deux types de moteurs à courant continu sans balais (BLDC) : les modèles inrunner et outrunner.
Pour les moteurs inrunner, le rotor tourne « à l'intérieur » du stator, ou plus vers l'intérieur par rapport au boîtier du moteur. Les moteurs outrunner ont la configuration opposée : le rotor tourne « à l'extérieur » du stator, ou plus vers l'extérieur (voir figure 6). Les deux modèles ont leurs avantages et leurs inconvénients.
En comparant un inrunner et un outrunner de même taille, il est facile de voir que le diamètre sur lequel les forces sont appliquées est différent. Cela se produit parce que les électroaimants occupent beaucoup plus d'espace que le rotor portant les aimants permanents. Si les électroaimants sont situés à l'intérieur, le diamètre est plus grand que s'ils sont situés à l'extérieur (figure 6).
En plus de la taille, les conséquences sur les performances du moteur sont également importantes à prendre en compte. Un diamètre plus grand signifie plus de couple, car la force est appliquée plus loin du centre de rotation, tandis qu'un diamètre plus petit serait meilleur pour un régime élevé. Ainsi, les inrunners fonctionnent mieux à haute vitesse mais génèrent moins de couple, alors que les outrunners fonctionnent mieux avec de plus grandes hélices car ils peuvent produire plus de couple, mais tournent à une vitesse plus lente.
Les moteurs sans balais dans l'industrie des drones :
Pour les raisons décrites ci-dessus, les eVTOL utilisent souvent des outrunners pour la poussée verticale en raison de leur couple élevé. Les inrunners sont plus couramment utilisés pour les ventilateurs carénés, les avions à aile fixe et pour les mouvements horizontaux nécessitant un régime élevé. Cela est facile à comprendre grâce à la valeur Kv d'un moteur, également appelée valeur RPM/Volt.
Cette valeur détermine la vitesse à laquelle le moteur tournera si une tension de 1 V lui est appliquée. Par conséquent, un inrunner a généralement une valeur Kv plus élevée qu'un outrunner de même taille car, comme mentionné précédemment, l'inrunner possède un rotor plus petit qui tourne plus vite pour la même tension. Vous verrez souvent la valeur Kv affichée en premier lors de la recherche de moteurs sans balais.
Pour aller plus loin : Pourquoi vous devriez tester les moteurs et les hélices de votre drone
3. Efficacité et performance
Quand on parle de la performance d'un drone, on pense souvent au temps de vol. Malheureusement, les technologies de batterie les plus avancées ne peuvent rivaliser avec les moteurs à essence en termes de rapport poids/énergie. La seule solution est de sélectionner soigneusement les composants électriques qui utiliseront la charge de la batterie le plus efficacement possible.
De nombreux facteurs peuvent optimiser la consommation d'énergie d'une batterie. L'un de ces facteurs est l'efficacité du moteur. Une efficacité plus élevée contribue à augmenter le rapport poids/énergie, obtenant ainsi de meilleures performances du moteur et du drone lui-même. Tester un moteur est crucial pour être conscient des écarts entre les spécifications du fabricant et la qualité réelle du moteur. Pour illustrer cette idée, nous présentons une comparaison de deux moteurs BLDC similaires dans des gammes de prix différentes.
Pour comparer les performances des moteurs, nous avons utilisé le banc de poussée RCbenchmark Série 1580. Il est capable de mesurer la poussée, le couple, la tension, le courant, le régime (RPM) et l'efficacité. L'acquisition des données est effectuée via le logiciel RCbenchmark. Les deux moteurs testés sont des T2407 de 1500 Kv et 2300 Kv respectivement. Les deux moteurs font tourner la même hélice de 7 pouces avec un pas de 4.
Le premier graphique de la figure 7 affiche l'efficacité des deux moteurs par rapport à la commande des gaz. Le deuxième graphique montre l'efficacité à des vitesses spécifiques. Clairement, le plus petit moteur de 1500 Kv nécessite plus de gaz pour fonctionner efficacement. Il n'atteindra pas la même efficacité que le moteur de 2300 Kv dans cette configuration avec la même hélice. La plage d'efficacité est également meilleure sur le moteur de 2300 Kv, ce qui signifie que le moteur conserve une haute efficacité à basse et à pleine vitesse.
D'un autre côté, le moteur plus petit peut fonctionner à une vitesse plus élevée et serait probablement plus efficace avec une hélice plus petite. Un drone utilisé pour le transport utiliserait un moteur plus petit pour pouvoir rester stable à basse vitesse.
Pour obtenir une comparaison complète, nous aurions besoin de connaître l'objectif du drone et le régime auquel il fonctionnera. Il est possible que le moteur de 1500 Kv soit plus efficace avec une hélice différente adaptée à une autre fonction. Ce n'est qu'en effectuant des tests que nous pourrons le savoir.
4. Choisir un moteur
Enfin, parlons de ce qu'il faut rechercher lors du choix d'un moteur. La caractéristique la plus importante est le Kv du moteur, qui décrit la vitesse de rotation obtenue pour l'énergie d'entrée fournie au moteur. Un moteur de 2000 Kv tournera à 2000 tours par minute pour chaque volt envoyé au moteur.
La taille est étroitement liée au Kv. Un moteur large et grand aura souvent un couple plus élevé mais un Kv plus faible et utilisera une hélice plus grande, tandis qu'un moteur fin mais plus long aura un Kv élevé, un couple faible et sera mieux adapté à une petite hélice. Cela est logique si l'on considère qu'un moteur plus grand fonctionne à un régime plus bas, tandis qu'un petit moteur fonctionne à un régime relativement élevé.
La puissance maximale d'un moteur est également un élément à prendre en considération. Dépasser la limite de puissance du moteur entraînerait une surchauffe, réduisant ainsi considérablement son efficacité, voire l'endommageant. La marque peut également changer les performances d'un moteur. Pour la même valeur Kv, un moteur d'une marque peut être plus performant qu'un autre. C'est pourquoi vous devriez tester votre moteur avant de construire un drone autour.
Pour aller plus loin : Comment calculer le Kv et les pôles d'un moteur brushless
En règle générale, il est sage d'utiliser le moteur le plus petit (le plus léger) possible sans risquer de le surcharger et de le faire surchauffer. La raison en est de réduire le poids excédentaire d'un moteur plus grand que nécessaire. Nous avons compilé une liste de grands fabricants de moteurs avec des produits adaptés aux opérations de drones lourds et habités.
Conclusion
Le moteur à courant continu sans balais est une invention géniale qui a changé la donne dans le monde de la propulsion électrique. Simple et épuré dans sa conception, il permet aux véhicules tels que les voitures télécommandées et les drones de fonctionner avec une grande efficacité et un contrôle maximal.
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- Série 1585 - mesure jusqu'à 5 kgf de poussée / 2 Nm de couple
- Flight Stand 15 - mesure jusqu'à 15 kgf de poussée / 8 Nm de couple
- Flight Stand 50 - mesure jusqu'à 50 kgf de poussée / 30 Nm de couple
- Flight Stand 150 - mesure jusqu'à 150 kgf de poussée / 150 Nm de couple