Par Lauren Nagel
Les moteurs sans balais sont présents partout ou presque : dans les appareils électroménagers, les véhicules, les outils et bien d’autres choses. Mais qu’est-ce qu’un moteur sans balais et en quoi diffère-t-il d’un moteur à balais ?
Moteur sans balais et moteur BLDC désignent la même chose. BLDC est l’abréviation de « brushless direct current motor », ou moteur à courant continu sans balais.
Dans cet article, nous répondrons à toutes les questions de base concernant ce type de moteur polyvalent.
Table des matières
- Qu’est-ce qu’un moteur sans balais ?
- Histoire des moteurs sans balais
- Fonctionnement du moteur sans balais
- Schéma d’un moteur sans balais
- GIF d’un moteur sans balais
- Moteur à balais ou sans balais
- Avantages des moteurs sans balais
- Applications des moteurs à courant continu sans balais
- Moteurs sans balais pour drones
Qu’est-ce qu’un moteur sans balais ?
Un moteur à courant continu sans balais (BLDC) est un type de moteur électrique dont la rotation est entraînée par les forces de répulsion et d’attraction entre des aimants permanents et des électroaimants. BLDC signifie « brushless direct current », ce qui décrit en gros le fonctionnement du moteur.
La rotation du moteur est gérée par un contrôleur qui envoie des impulsions de courant temporisées aux électroaimants du moteur, ce qui permet d’en contrôler la vitesse.
Sur la figure 1, les aimants permanents du rotor sont représentés en rouge et en bleu, et les bobines électromagnétiques du stator en cuivre.
Figure 1 : Schéma d’un moteur à courant continu sans balais
Les moteurs sans balais sont réputés pour leur rendement élevé et leur longue durée de vie par rapport aux solutions de remplacement. On désigne couramment ce type de moteur de plusieurs façons : moteur sans balais, moteur à courant continu sans balais ou moteur BLDC.
Histoire des moteurs sans balais
Les moteurs à courant continu sans balais ont été inventés en 1962 par T.G. Wilson et P.H. Trickey, qui les ont présentés dans leur article publié par l’AIEE et intitulé « D-c machine with solid state commutation ».
Dans cet article, ils décrivent les problèmes qu’ils souhaitaient résoudre et les solutions qu’ils ont élaborées. Dans leur section consacrée aux considérations fondamentales, ils exposent les défis de conception à relever pour fabriquer un moteur sans balais fonctionnel :
« Puisqu’il faut commuter les conducteurs de l’induit à l’aide d’éléments statiques, il est préférable que ces éléments de commutation ne tournent pas eux-mêmes. Pour ce faire, on peut placer l’enroulement de l’induit sur la partie fixe et faire tourner les pôles du champ magnétique. L’utilisation d’un aimant permanent comme élément de champ élimine le besoin d’alimenter le rotor par l’intermédiaire de balais ou par induction au moyen d’un transformateur [...] L’axe du champ magnétique produit par le courant de l’induit doit également tourner, et ce exactement à la même vitesse que le rotor. À cette fin, il faut transmettre en continu au stator des informations sur la position angulaire des pôles du rotor, afin que la commutation des conducteurs de l’induit s’effectue exactement au bon moment. »
Dans leur paragraphe de conclusion, ils présentent quelques-uns des avantages qu’ils prévoient pour leur invention par rapport aux moteurs à balais. Les améliorations qu’ils annonçaient se sont révélées remarquablement justes :
« Elle devrait pratiquement éliminer les interférences radio au sens habituel du terme, ainsi que l’usure et l’entretien des balais et des collecteurs auxquels on est aujourd’hui confronté. La machine devrait également offrir une fiabilité extrêmement élevée et une longue durée de vie. »
Le principal équivalent des moteurs sans balais, le moteur à balais, a été inventé plus de 100 ans auparavant, en 1856. D’autres avancées avaient été réalisées depuis, mais cette refonte technologique majeure se faisait attendre depuis longtemps.
Fonctionnement du moteur sans balais
Le moteur sans balais repose sur deux éléments essentiels : 1) le rotor, qui porte les aimants permanents ; 2) le stator, qui porte les bobines de cuivre, lesquelles deviennent des électroaimants lorsqu’elles sont parcourues par un courant.
Les moteurs sans balais peuvent être à rotor interne, auquel cas le stator se trouve à l’extérieur et le rotor tourne à l’intérieur, ou à rotor externe, auquel cas le rotor tourne autour du stator.
Pour une explication plus détaillée du fonctionnement des moteurs sans balais, consultez notre article Comment fonctionnent les moteurs sans balais ?.
Figure 2 : Un moteur à rotor interne (à gauche) et un moteur à rotor externe (à droite)
Lorsqu’un courant traverse une bobine du stator, celle-ci devient un électroaimant et développe un pôle nord et un pôle sud. Lorsque la polarité de l’électroaimant correspond à celle de l’aimant permanent qui lui fait face, leurs pôles identiques se repoussent et le rotor tourne.
Si le courant maintenait cette configuration, le rotor tournerait brièvement, puis s’arrêterait une fois les électroaimants et les aimants permanents de pôles opposés alignés. C’est pourquoi le courant est fourni sous la forme d’un signal triphasé qui modifie constamment la polarité des électroaimants afin que le rotor continue de tourner.
Le moteur tourne à une vitesse égale à la fréquence du signal triphasé. Pour augmenter sa vitesse, il suffit donc d’augmenter la fréquence du signal. Dans un véhicule radiocommandé, on augmente la vitesse en poussant davantage la commande des gaz, ce qui demande au contrôleur d’augmenter la fréquence de commutation.
Pour savoir comment et quand alimenter les bobines, le moteur utilise des capteurs à effet Hall qui déterminent la position relative du rotor et du stator. Les électroaimants du stator sont ainsi activés dans le bon ordre et au bon moment, ce qui permet au moteur de continuer à tourner.
Schéma d’un moteur sans balais
Le fonctionnement du moteur sans balais est expliqué plus facilement à l’aide d’un schéma ou d’un GIF, que vous trouverez ci-dessous.
Figure 3 : GIF d’un moteur sans balais
Les moteurs sans balais peuvent être à rotor interne ou externe. Celui du schéma ci-dessus est à rotor externe, car son rotor, qui contient les aimants permanents, est situé à l’extérieur du stator. Chaque aimant permanent est également appelé « pôle », et le nombre de pôles du moteur peut influer sur ses performances.
Les aimants permanents sont repoussés par les électroaimants au fur et à mesure de leur alignement, ce qui entraîne le rotor dans un mouvement circulaire tandis que le stator reste fixe ; dans cet exemple, la rotation se fait dans le sens antihoraire (figure 3).
Le contrôleur du moteur situé à droite, également appelé variateur électronique de vitesse (ESC), est raccordé à la source d’alimentation ou à la batterie d’un côté et au moteur de l’autre. Il peut être directement relié à la commande des gaz ou recevoir des instructions à distance, par exemple par signal radio. L’ESC reçoit la fréquence du signal de commande du contrôleur et détermine la vitesse de rotation du moteur en ajustant sa fréquence de commutation.
Pour aller plus loin : Comment contrôler la vitesse d’un moteur électrique
Moteur à balais ou sans balais
Les moteurs à balais sont un autre type de moteur électrique dont la rotation repose sur le principe du magnétisme.
Les principales différences entre les moteurs à balais et les moteurs sans balais concernent leur fonctionnement, leur rendement et leur durée de vie. Elles sont résumées dans le tableau ci-dessous, puis détaillées par la suite.
|
Moteur à balais |
Moteur sans balais |
|
|
Commutation |
Mécanique |
Électrique |
|
Rendement* |
Plus faible (75 à 80 % en général) |
Plus élevé (85 à 92 % ou plus en général) |
|
Chaleur |
Plus élevée (20 à 25 % de la puissance d’entrée) |
Plus faible (8 à 15 % de la puissance d’entrée) |
|
Coût initial |
Plus faible |
Plus élevé |
|
Besoins d’entretien |
Plus importants |
Moins importants |
|
Contrôle de la vitesse du moteur |
Simple |
Plus complexe |
|
Durée de vie |
Plus courte |
Plus longue |
|
Bruit électrique |
Plus important |
Moins important |
|
Sécurité contre l’inflammation |
Bonne |
Très bonne |
|
Contrôle à basse vitesse |
Bon |
Bon |
|
Vitesse maximale |
~20 000 tr/min |
>100 000 tr/min |
|
Rapport couple/poids |
Plus faible |
Plus élevé |
* Tout moteur utilisé en dehors de sa plage de couple et de vitesse optimale aura un faible rendement (<50 %) et produira beaucoup de chaleur.
Commutation : Dans un moteur à balais, le courant est transmis du collecteur aux enroulements du moteur par contact physique avec les balais. Dans un moteur sans balais, le courant est contrôlé électroniquement par la mise sous tension et hors tension des bobines du stator au moyen de commutateurs à semi-conducteurs.
Rendement : Les moteurs sans balais produisent davantage de couple par watt consommé que les moteurs à balais, ce qui les rend plus efficaces.
Coût initial : Les moteurs sans balais sont généralement plus chers que les moteurs à balais de même taille, car leurs contrôleurs sont plus complexes.
Besoins d’entretien : Les moteurs à balais ont tendance à s’user rapidement au point de contact entre le collecteur et les balais. Leurs composants doivent donc être remplacés plus souvent. Les moteurs sans balais ne comportent pas de composants soumis à une usure aussi importante ; ils nécessitent donc moins fréquemment des opérations d’entretien ou de remplacement.
Complexité du contrôle de la vitesse du moteur : Dans un moteur à balais, la vitesse se contrôle simplement en faisant varier la tension appliquée. Dans un moteur sans balais, le contrôleur utilise un signal triphasé pour régler la vitesse de rotation, ce qui rend la transmission du signal plus complexe.
Durée de vie : Les moteurs sans balais ont une durée de vie supérieure à celle des moteurs à balais, car leurs composants ne subissent pas le même degré d’usure et d’érosion. Cela dit, il est parfois possible de remettre à neuf un moteur à balais pour prolonger sa durée de vie.
Bruit électrique : En plus du bruit acoustique produit par les moteurs, ceux-ci peuvent également générer du bruit électrique susceptible de perturber d’autres composants du système. Les moteurs à balais ont tendance à produire davantage de bruit électrique que les moteurs sans balais, ce qui peut provoquer des interférences électromagnétiques dans les circuits à proximité. En l’absence d’une isolation adéquate, ces interférences peuvent entraîner des dysfonctionnements des circuits et une baisse des performances.
Sécurité contre l’inflammation : Les moteurs sans balais sont beaucoup moins susceptibles de produire des étincelles pouvant enflammer des matières inflammables.
Contrôle à basse vitesse : Les moteurs à balais sont dotés d’un système de commande simple qui fonctionne bien à basse vitesse. Associés à des codeurs angulaires et à une électronique de commande, les moteurs sans balais peuvent eux aussi tourner à très basse vitesse. C’est idéal pour des applications comme les hoverboards ou les servomoteurs de forte puissance. ODrive propose un contrôleur open source pour ce type d’applications.
Vitesse maximale : En raison des frottements inhérents à leur conception, les moteurs à balais ne conviennent pas aux vitesses de rotation élevées. Les balais ont tendance à chauffer lorsque la vitesse augmente, ce qui entraîne une usure accrue et une température excessive. Les moteurs sans balais ne rencontrent pas ce problème puisqu’ils n’ont pas de balais, et peuvent donc fonctionner à des vitesses de rotation très élevées.
Rapport couple/poids : Les moteurs à balais peuvent produire un couple important, en particulier à basse vitesse. Toutefois, les moteurs sans balais produisant un couple comparable sont nettement plus petits, ce qui leur confère un meilleur rapport couple/poids.
Avantages des moteurs sans balais
La section précédente présente les principales différences entre les moteurs à balais et les moteurs sans balais, mais une question demeure : les moteurs sans balais sont-ils intrinsèquement meilleurs ?
Comme pour de nombreuses questions d’ingénierie, le choix dépend de l’utilisation prévue du moteur. Nous savons que les moteurs à balais ne sont pas idéaux pour les applications à vitesse de rotation élevée ; les moteurs sans balais sont donc préférables dans ces domaines. Le rendement inférieur et les coûts d’entretien élevés des moteurs à balais les rendent également moins intéressants pour certains usages.
Cela dit, les moteurs à balais coûtent moins cher à l’achat, leur vitesse se contrôle facilement et ils produisent un mouvement régulier avec un couple élevé à basse vitesse. Leur relation linéaire entre le couple et la vitesse facilite également leur commande. Même s’ils s’usent avec le temps, ces autres caractéristiques en font un choix idéal pour certains appareils, comme les équipements industriels à basse vitesse, les mixeurs, les essuie-glaces et les équipements médicaux mobiles.
Figure 4 : Moteurs à balais dans les essuie-glaces
En revanche, les moteurs sans balais excellent dans les applications nécessitant une vitesse de rotation élevée, comme les scies, les ventilateurs et les hélices. Ils présentent également un meilleur rapport couple/poids, un avantage important pour certains véhicules comme les drones et les avions électriques, ainsi que dans les domaines nécessitant un moteur petit mais puissant, comme la microrobotique.
Les moteurs BLDC conviennent également aux applications nécessitant une utilisation intensive et un rendement élevé, comme les outils sans fil, les véhicules radiocommandés, les systèmes de chauffage et de refroidissement et l’ingénierie industrielle. On les retrouve notamment dans les systèmes de détection et de télémétrie par ondes lumineuses (LiDAR), utilisés pour la navigation et la localisation robotisées, par exemple dans les voitures autonomes et les drones de surveillance.
Figure 5 : le système RPLiDAR utilisé pour des applications de navigation robotisée
Applications des moteurs à courant continu sans balais
Examinons de plus près quelques applications des moteurs sans balais.
Ingénierie industrielle : Les moteurs sans balais sont utiles dans de nombreux procédés d’ingénierie industrielle grâce à leur couple élevé et à leur longue durée de vie. On les trouve notamment dans les machines CNC, les moteurs linéaires et les servomoteurs. Ils servent également d’actionneurs pour contrôler les mouvements des robots industriels chargés de tâches telles que la peinture, l’assemblage de produits et même le soudage, comme dans l’usine britannique de Tata Steel (figure 6).
À la maison : Grâce à leur faible poids et à leur rendement élevé, les moteurs sans balais sont un choix privilégié pour de nombreux appareils électroménagers. On les trouve dans presque toutes les pièces de la maison, dans des appareils tels que les aspirateurs, les machines à café, les sèche-cheveux, les disques durs, les imprimantes, et bien d’autres. Comme nombre de ces appareils sont fabriqués en très grandes quantités, ils doivent être de grande qualité et fiables afin d’éviter les retours et les interventions de maintenance.
Outils électriques sans fil : Comme les moteurs sans balais peuvent fonctionner avec des batteries rechargeables, ils sont idéaux pour les applications sans fil qui nécessitent un poids minimal et un régime élevé. Les perceuses sans fil sont apparues il y a une dizaine d’années, mais représentent désormais jusqu’à 50 % des modèles disponibles. Dans ce domaine, les moteurs sans balais doivent encore rivaliser avec les moteurs à balais. Le prix et la fréquence d’utilisation sont donc des facteurs clés pour choisir un modèle.
Voitures RC : Les moteurs sans balais peuvent tourner à très haut régime et fournir rapidement des accélérations fulgurantes, ce qui les rend parfaits pour les véhicules radiocommandés. Les caractéristiques du moteur RC, comme son Kv, sa taille et sa puissance nominale, varient selon le modèle. Les voitures RC peuvent également être équipées de moteurs nitro, qui offrent une plus grande autonomie, mais nécessitent l’achat de carburant et le ravitaillement du véhicule. Les moteurs sans balais offrent généralement une meilleure accélération que les moteurs nitro et sont donc mieux adaptés à la course.
Figure 7 : voiture RC Monster Truck tout-terrain équipée d’un moteur sans balais
Moteurs sans balais pour drones
Les caractéristiques combinées des moteurs sans balais les rendent idéaux pour les drones. Ils sont légers, très efficaces, offrent une large plage de vitesses et un couple élevé : autant de qualités utiles pour les UAV.
Les moteurs sans balais destinés aux drones de loisir sont relativement peu coûteux, ce qui permet aux constructeurs de drones d’essayer différents modèles afin de déterminer lesquels sont les plus efficaces. Leur grande fiabilité réduit considérablement les besoins de maintenance, et le remplacement du moteur coûte souvent moins cher que sa réparation.
Pour les grands drones commerciaux et les drones pilotés, des moteurs sans balais de plus grande taille sont constamment développés afin de répondre aux besoins accrus en puissance, en couple et en poussée. Ces moteurs contribuent à la révolution électrique dans le secteur des transports, qui comprend l’électrification des modèles d’avions existants et la conception de nouveaux aéronefs eVTOL.
Il existe de nombreux types de drones, qui varient par leur taille, leur style, leur source d’énergie et leur fonction. Les moteurs sans balais conviennent à de nombreuses applications, même si des moteurs à essence et hybrides sont également utilisés.
Pour en savoir plus sur le choix d’un moteur sans balais pour votre drone, consultez notre livre numérique gratuit sur la construction et l’optimisation des drones.
Conclusion
Les moteurs sans balais sont présents dans presque tous les aspects de notre quotidien et leur popularité ne cesse de croître. À la maison comme dans les environnements industriels, ces moteurs nous impressionnent par leur compacité, leur rendement et leur fiabilité.
Pour comprendre ces machines fascinantes, il faut connaître quelques notions d’électromagnétisme et de génie électrique, que nous avons abordées ici.
S’il vous reste des questions, n’hésitez pas à nous laisser un commentaire ci-dessous ou à consulter les autres articles de notre centre de connaissances.