Moteur sans balais

Un moteur sans balais, ou « moteur brushless », est une machine électrique de la catégorie des machines synchrones^[1], dont le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et pourvu d'origine d'un capteur de position rotorique (capteur à effet Hall, synchro-résolver, codeur incrémental par exemple).

Fonctionnement

Vu de l'extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation (de l'anglais Brushless) vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun collecteur tournant et donc pas de balais. Par contre un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques^[2]. Ce dispositif peut être, soit intégré au moteur pour les petites puissances, soit extérieur sous la forme d'un convertisseur de puissance (onduleur). Le rôle de l'ensemble capteur plus électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage^[3] du moteur c'est-à-dire l'orthogonalité^[3] du flux magnétique rotorique par rapport au flux statorique^[3], rôle autrefois dévolu à l'ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu^[3].

Évolutions par rapport à la machine à courant continu

Moteur de ventilateur sans le rotor ; on y voit les bobines (moteur diphasé)

Ventilateur d'ordinateur démonté

Schéma en coupe d'un moteur sans balais de faible puissance à rotor externe.

Ce type de moteur électrique élimine tous les inconvénients du moteur à courant continu classique : problèmes de commutation au niveau du collecteur, défrettage, inertie, refroidissement (les pertes joules étant situées au stator elles sont plus faciles à évacuer), puissance massique nettement plus grande, géométrie, durée de vie ; en particulier l'indice de protection (IP) peut être augmentée par rapport aux machines à courant continu du fait de l'absence de balais.

À performances égales, son rendement est toujours meilleur, ceci étant dû en partie à l'absence de pertes mécaniques et électriques liées aux balais (surtout lors de faibles charges). Mais aussi la plupart du temps à son inertie notablement réduite par rapport à une machine équivalente à courant continu, ce paramètre étant prépondérant dans de nombreuses applications, en particulier dans les phases d'accélération.

Toujours à performances égales, le moteur sans balais est d'un prix de revient inférieur à celui de la machine à courant continu du fait du remplacement du collecteur et des balais par un capteur électronique d'un coût très réduit. Pour les petites puissances, ce capteur assure les deux fonctions de détection de la position rotorique et de commutation du courant. Dans ce cas, le fonctionnement est identique, vu de l'extérieur, à une machine à courant continu : il suffit de faire varier la tension d'alimentation pour faire varier la vitesse de rotation et dans de nombreuses utilisations ceci ne nécessite pas le recours à un variateur électronique de vitesse (petits ventilateurs par exemple, les capteurs à effet Hall incorporés au stator assurant également la commutation des phases).

Pour la grande majorité des applications nécessitant une commande et une régulation électronique du couple, de la vitesse et/ou de la position, les avantages du moteur sans balais sont tels qu'il a complètement remplacé la machine à courant continu et, en liaison avec les progrès de l'électronique de puissance (par exemple les IGBT), le prix de revient de ces solutions s'en est trouvé réduit dans le même temps que leurs performances ont été notablement améliorées.

Utilisations

Moteur de lecteur de disquette d'ordinateur

Les moteurs brushless sont largement utilisés dans l'industrie, en particulier dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique^[4], où ils ont fait disparaître les machines à courant continu. On trouve de tels moteurs pour des couples de quelques newton-mètres jusqu'à plusieurs centaines de Nm et des puissances de quelques centaines de watts jusqu'à des centaines de kilowatts.

Ils équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD.

Une forme simplifiée et populaire de ces technologies est utilisée dans les ventilateurs assurant le refroidissement des micro-ordinateurs. Dans ce cas, le stator (bobiné) est à l'intérieur et le rotor (comportant les aimants) à l'extérieur.

Dans le domaine des transports, les moteurs électriques qui équipent les véhicules hybrides comme la Toyota Prius et la Honda Civic IMA pour assurer, entre autres, le fonctionnement à faible vitesse sont des moteurs sans balais. Ces moteurs équipent ausi les voitures électriques récentes, telles la Chevrolet Volt ou la Nissan LEAF. Des moteurs de type brushless sont également utilisés pour les systèmes de ventilation/ climatisation d'automobiles depuis les années 1990 ; un des principaux avantages dans ce cas est leur silence.

Ils équipent également les vélos à assistance électrique, vélos que l'on entraîne en pédalant comme sur un vélo classique mais où un moteur vient aider à l'effort. Certains scooters présents sur le marché utilisent également ce moteur pour les faibles vitesses ou en remplacement total du moteur thermique.

Ils sont aussi très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères (aéromodélisme). Ils sont moins bruyants que les moteurs avec balais. Cependant les moteurs sans balais de modèles réduits radiocommandés sont souvent assemblés à la main, contrairement aux moteurs classiques à balais et leur coût est encore supérieur (2009).

Notes et références

Bibliographie

• P. Zimmermann, « Electronically Commutated D.C. Feed Drives for Machines Tools », Robert Bosch GmbH – Geschäftsbereich Industrieaurüstung, Erbach, Germany, in Proeeding of PCI Motorcon, september 1982, p. 69-86

Annexes

Articles connexes

• Machine électrique
• Machine à courant continu
• Machine synchrone
• Commande vectorielle

Liens externes

• Moteur synchrone
• ENS cachan - « Les machines synchrones autopilotées », Préparation à l’agrégation de Génie Électrique
• Animation du moteur synchrone

• Portail de l’électricité et de l’électronique