Quelle est la différence entre ac / dc motors?

Il existe une grande variété de moteurs électriques, adaptés à de nombreuses applications et équipements industriels. Les ingénieurs et les concepteurs disposent d'un large choix lorsqu'ils choisissent un moteur pour leur application. La classification mondiale des moteurs électriques est divisée principalement en deux branches différentes : les moteurs à courant alternatif et les moteurs à courant continu. Cet article se concentrera sur quatre sous-groupes différents : les moteurs à induction AC, les moteurs DC synchrones à balais (avec collecteur), les moteurs DC sans balais et les moteurs AC sinusoïdaux synchrones à aimant permanent (PMSM).

1. Moteur à induction AC

Les moteurs à induction sont largement utilisés comme entraînements industriels. Le stator du moteur à induction est constitué de pôles enroulés qui peuvent être connectés directement au réseau ou via un VFD. Le courant alternatif traversant ces pôles induira un champ magnétique dans l'entrefer et le rotor. Comme le courant alternatif est utilisé pour ce type de moteur, souvent, lorsque les gens font référence au terme « moteur à courant alternatif », ils désignent en réalité un moteur à induction. Le champ magnétique va induire des courants de Foucault dans le rotor, plus ou moins de la même manière qu’un transformateur. Ces courants induits dans le rotor vont créer un champ magnétique qui génère le couple.

Cages à écureuils

La majorité des moteurs à induction ont des rotors électriques en court-circuit, appelés cages d'écureuil. C’est la raison de l’autre surnom du moteur à induction : « moteur à cage d’écureuil ». Les moteurs à induction n'utilisent AUCUN aimant permanent, uniquement du fil de cuivre et de l'acier laminé. La cage du rotor est principalement constituée de barres d'aluminium, mais au cours des 10 dernières années, des barres de cuivre ont également été utilisées afin d'augmenter l'efficacité.

Modèles monophasés et triphasés

Ils sont disponibles en modèles monophasés et triphasés. Les moteurs triphasés sont principalement destinés aux charges plus importantes, tandis que les charges plus petites sont souvent entraînées par des moteurs à induction monophasés. Lorsqu'il est connecté directement au réseau, le moteur accélère jusqu'à une certaine vitesse fixe, qui est un peu plus lente que la fréquence de rotation du champ électrique appliqué (ce phénomène est appelé glissement). Cette propriété est la raison pour laquelle les moteurs à induction sont aussi parfois appelés moteurs asynchrones. La vitesse obtenue dépend du nombre de paires de pôles et de la fréquence électrique appliquée. La charge sur l'arbre ne fera que réduire modestement la vitesse du moteur (de l'ordre de quelques pour cent).

Image: Squirrel Cage rotor (source)

Par exemple : un moteur asynchrone à 2 paires de pôles, connecté à un réseau 50 Hz tentera d'atteindre 1500 tr/min (=elec_freq*60sec/polepairs), mais en fonction de la charge, ce sera un peu plus lent.

Pour de nombreuses applications, cette vitesse constante convient. Grâce à la technologie moderne d'entraînement électrique, il est désormais également possible d'obtenir une vitesse variable en utilisant un entraînement à fréquence variable (VFD). Depuis la variation de la fréquence électrique (comme mentionné précédemment), les tours par minute de l'arbre varieront également proportionnellement. L'introduction du VFD a amélioré la fonctionnalité et l'efficacité énergétique du moteur à induction.

Avantages et inconvénients du moteur à induction AC

Les moteurs à induction ont un rendement global inférieur et une densité de couple inférieure à ceux des moteurs à aimants permanents. En raison du manque/de l'absence d'aimants permanents, il est plus facile et plus simple d'appliquer un affaiblissement de champ, ce qui permet une large plage de régime pour ces moteurs. Les moteurs à induction sont largement répandus dans de nombreuses applications industrielles et domestiques où la densité de couple et la contrôlabilité sont de moindre importance. Ils sont autonomes, fiables et économiques.

2. Moteurs synchrones à courant continu à balais (avec collecteur)

Comme leur nom l’indique, les moteurs électriques à courant continu à balais sont alimentés en courant continu (DC). Les moteurs sont à commutation mécanique. Les moteurs à courant continu à balais utilisent un aimant permanent ou des pôles de stator enroulés. L'aimant permanent ou les pôles du stator enroulés génèrent le champ magnétique stationnaire principal du moteur.

Moteurs à courant continu à balais à rotor

Les rotors des moteurs à courant continu à balais sont construits avec des pôles enroulés qui sont connectés via un collecteur avec des balais à une alimentation en tension ou en courant. Lorsque les pôles du rotor transportent du courant, un champ magnétique est généré. Ce champ rotorique va tenter de s'aligner avec le champ statorique et donc générer du couple. La configuration du courant dans les bobines individuelles du rotor sera dictée par le collecteur et les balais (image).

Moteurs CC à balais à stator

Les stators des moteurs à courant continu à balais sont construits avec des pôles enroulés ou à aimant permanent. Les pôles bobinés du stator doivent être alimentés avec une tension/courant spécifique. Cela crée une fonction de contrôle supplémentaire et fournit un moteur avec des caractéristiques couple/vitesse spécifiques. Les configurations typiques sont série, shunt et composé.

Brushed DC motor. Image credit: ZGC Motor

Moteurs à courant continu à balais de collecteur

Le collecteur agit comme un interrupteur mécanique car il fera circuler le courant à travers les pôles alternés du rotor en fonction de la position du rotor. Il en résulte un couple continu par tour. Les balais glissent continuellement sur le collecteur, ce qui provoque leur usure. Cela affecte négativement la durée de vie et la séquence de maintenance du moteur à courant continu à balais et constitue un inconvénient majeur pour ce type de moteur. En raison de l'introduction d'une électronique plus sophistiquée (comme les VFD), le champ du rotor à commutation mécanique avec les balais a été transformé en un principe à commutation électronique (c'est-à-dire DC sans balais).

Contrôlabilité des moteurs à courant continu à balais

Au début, lorsque l'électronique n'était pas couramment utilisée, ces types de moteurs étaient fréquemment utilisés pour différentes applications. Une simple alimentation en tension continue contrôlable pourrait piloter le moteur. Des options ultérieures telles que le contrôle du courant, les systèmes de rétroaction et les entraînements PWM ont facilité une contrôlabilité encore plus élevée des moteurs à courant continu à balais. L'utilisation d'aimants permanents permet une densité de couple relativement élevée et un bon rendement pour ce type de moteurs.

Avantages et inconvénients des moteurs à courant continu à balais

Les performances des moteurs à courant continu à balais en matière de démarrage et de régulation de la vitesse sont bonnes. Il a une densité de couple relativement élevée. La plage de régulation de vitesse est large et fonctionne sans problème. Les interférences électromagnétiques sont faibles et la capacité de surcharge est forte. Mais la structure des moteurs DC à balais constitue un inconvénient. Le contact glissant entre le collecteur et le balai provoque des étincelles et une usure mécanique. En raison de ce moteur à courant continu à balais, sa durée de vie est relativement courte, ses problèmes de fiabilité et ses coûts de maintenance élevés.

3. Brushless DC motors (BLDC)

Comme leur nom l’indique, les moteurs à courant continu sans balais n’utilisent pas de balais. Par rapport aux moteurs à courant continu avec balais, les moteurs à courant continu sans balais utilisent une méthode de commutation très différente. Au lieu de balais, la commutation se fait électroniquement. La construction de la plupart des moteurs à courant continu sans balais est basée sur un stator à pôles enroulés et un rotor à aimant permanent multipolaire. Le rotor à aimant permanent multipolaire passe devant un stator à pôles enroulés. Les aimants permanents du rotor réagissent aux changements du champ magnétique du stator. Le stator est fixe, il n'y a pas de fils mobiles. Par conséquent, aucun besoin de bagues collectrices, de collecteurs ou de balais avec le moteur CC sans balais.

Pôles de stator – Système triphasé

La plupart du temps, les pôles du stator sont enroulés dans une configuration triphasée. Le système triphasé des enroulements du stator est connecté à un circuit de commutateurs électroniques (transistor, FET, etc.). Le circuit de commutation est alimenté par une tension continue ou par une source de tension alternative redressée. La simple commutation des phases provoque des courants formés d'onde carrée/trapèze, par conséquent la force contre-électromotrice du moteur à courant continu sans balais est également plus ou moins formée d'onde carrée/trapèze. Cela provoque une augmentation de l’ondulation du couple lors de la conduite de ces moteurs. Plus de vitesse peut être obtenue en avançant la phase. Depuis l’utilisation de la technologie VFD avec le moteur sans balais, il est devenu possible de générer un courant sinusoïdal.

Capteur

Pour pouvoir activer la bonne phase au bon moment, un système de rétroaction est nécessaire. Des capteurs à effet Hall peuvent être positionnés pour détecter la position du rotor à aimant permanent par rapport au stator. Bien que les capteurs à effet Hall soient les plus couramment utilisés, il existe également des systèmes de capteurs de position plus précis. Avec le système ci-dessus, la rotation du moteur peut rester synchrone avec la fréquence électrique appliquée.

Avantages et inconvénients des moteurs à courant continu sans balais

Les moteurs à courant continu sans balais présentent de nombreux avantages par rapport aux moteurs à courant continu avec balais, comme un faible coût de maintenance, moins de bruit de fonctionnement, de meilleures performances et un rendement plus élevé, une CEM inférieure. Ils sont disponibles dans des tailles plus compactes et offrent un rapport couple/poids élevé. Mais comparés à d’autres moteurs, les moteurs à courant continu sans balais présentent également peu de défauts. Le coût du moteur et du contrôleur électronique est comparativement plus élevé. Ondulation de couple comme mentionné précédemment. A côté de cela, ils sont un peu plus compliqués.

Image credit: Microchip Technology Inc.

4. Moteurs à courant alternatif à onde sinusoïdale synchrone permanente (PMSM)

Des termes tels que moteur AC PMSM ou moteur AC sans balais ou moteur EC (Electric Commutation) sont également fréquemment utilisés pour ce type de moteur. Le principe de fonctionnement de ce moteur est une partie statorique qui contient un système de bobines enroulées triphasées et une construction de rotor avec un réseau d'aimants permanents multipolaires. Ces moteurs à haute densité de puissance sont très efficaces, répondant aux classes d'efficacité énergétique IE4 et même IE5. Il existe diverses constructions de moteur à courant alternatif sinusoïdal synchrone à aimant permanent, par exemple des glissières intérieures, des glissières extérieures, un moteur à flux axial, un moteur transversal, etc.

Courant sinusoïdal

En raison de la conception magnétique, la force contre-électromotrice est sinusoïdale, en combinaison avec un courant sinusoïdal, un couple doux peut être généré. Un entraînement relativement sophistiqué comme un amplificateur de puissance ou un VFD est nécessaire pour produire le courant sinusoïdal. Ces types de disques deviennent de plus en plus standards et de plus en plus simples à utiliser. Un moteur à courant alternatif PMSM fonctionne également de manière synchrone avec la fréquence électrique appliquée (divisée par le nombre de paires de pôles).

Perte de fer

L'utilisation d'aimants permanents puissants provoque des pertes de fer constantes dans l'empilement de tôles pendant la rotation. Ces pertes fer limitent la vitesse maximale du moteur, tout comme la tension plus élevée nécessaire pour une vitesse plus élevée (principalement limitée par la tension appliquée de 400 Vac_rms). Ces paramètres doivent être gardés à l’esprit. Pour tous les types de moteurs mentionnés ci-dessus, le courant appliqué introduit des pertes par dissipation dans les bobines. Ces pertes doivent être gérées thermiquement dans la structure. Cela nécessite également une bonne conception thermique, car plus la conception thermique est bonne, plus la densité de couple est élevée. Car plus de puissance peut être appliquée et dissipée sans que le moteur ne surchauffe.

Rotor magnets surface mounted vs interior mounted (source)

Densité de couple élevée

Combinez des aimants permanents à haute résistance avec une excellente conception magnétique et vous pouvez obtenir un moteur PMSM à très haute densité de couple. Par exemple, un moteur AC PMSM de 20 kg (44 lb), boîtier et roulement compris, peut fournir une puissance/couple comparable à celui d'un moteur à induction AC de 55 kg (121 lb). Basé sur des méthodes de refroidissement standard/passives pour les deux. Les moteurs AC PMSM nécessitent un retour de position continu, soit à l'aide de capteurs, soit aujourd'hui même un contrôle sans capteur est possible. Pour augmenter les capacités de vitesse, certaines conceptions de moteurs AC PMSM ont la possibilité d'affaiblir le champ.

Croissance de l'utilisation du moteur AC PMSM

La technologie des moteurs à courant alternatif PMSM en combinaison avec des entraînements de moteur permettant la commutation électronique est disponible depuis un certain temps. Mais à mesure que les entraînements de moteur prenant en charge les moteurs PMSM sont de plus en plus disponibles, de plus en plus d'entreprises commencent à intégrer des moteurs AC à aimant permanent dans leurs applications. L’utilisation augmente considérablement. Cela est dû à la capacité de conception compacte, à la densité de couple élevée, au rendement élevé et à la longue durée de vie. Le moteur AC PMSM offre aux entreprises la possibilité de créer des applications de plus petite taille, fonctionnant plus efficacement, avec plus de contrôlabilité, avec une fiabilité accrue et, par conséquent, avec des coûts (d'exploitation) inférieurs.

Avantages et inconvénients des moteurs AC PMSM

Bien que les moteurs à courant alternatif PMSM nécessitent toujours un entraînement et aient tendance à être légèrement plus chers qu'un moteur à induction à courant alternatif, ils constituent souvent une meilleure alternative. Ils ont une densité de couple plus élevée, sont beaucoup plus efficaces, sont nettement plus petits et plus légers que les moteurs à induction comparables.

En savoir plus sur les différents moteurs

Il existe une grande variété de moteurs adaptés à de nombreuses applications et équipements industriels. Les ingénieurs et les concepteurs ont beaucoup de choix lorsqu'ils choisissent un moteur pour leur application.
Sur le site Web de Magnetic Innovations vous pouvez en savoir plus sur les PMSM à entraînement direct PMSM à entraînement direct
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