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Nouveaux produits

Utilisation d’un moteur à courant continu (CC) à balais comme générateur

Publication: 10 août

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Les ingénieurs, même ceux qui n’ont qu’une connaissance fondamentale de la conception des moteurs, ne seront pas surpris d’apprendre qu’un moteur CC à balais peut être utilisé comme générateur pour produire une alimentation à courant continu...
 

Mais tous n’ont peut-être pas encore mesuré l’utilité de cette solution, compte tenu de la multiplication des appareils alimentés distants et intelligents.

Pour tirer le meilleur parti d’une telle configuration, il convient de considérer les facteurs électriques et mécaniques lors de la détermination des points de fonctionnement. Dans ce document, Sunil Kedia, responsable du développement de nouveaux produits pour le marché principal chez Portescap, examine les relations élémentaires entre vitesse, tension, couple et courant lors de l’utilisation d’un moteur CC à balais comme générateur.

Le développement de l’Internet des objets (IoT) s’est accompagné d’une augmentation rapide du nombre de capteurs intelligents et de dispositifs interconnectés et échangeant des données. Dans l’environnement industriel, cet IoT industriel constitue l’épine dorsale de la transformation numérique d’une entreprise dans le cadre de son évolution vers l’industrie 4.0. Étant donné que majorité de ces dispositifs fonctionnent sans fil ou à distance, la question de leur alimentation est cruciale. L’alimentation par batterie fait partie de la solution, mais il faudra toujours, à terme, remplacer ou recharger cette dernière.

À l’évidence, le problème ne se pose pas que dans l’industrie. Les activités de plein air comme le camping ou la randonnée amènent les gens loin du réseau électrique, avec le risque de voir leurs batteries se décharger avant le prochain point de recharge. Il y a aussi toutes ces personnes de plus en plus nombreuses qui souhaitent simplement diminuer leur empreinte carbone et mieux exploiter les ressources durables pour générer le courant dont elles ont besoin.

Dans ce contexte, la capacité d’un moteur CC à balais (ou BLDC) à fonctionner comme un générateur et fournir une alimentation à courant continu peut se révéler vraiment très utile. Lorsque l’arbre est mécaniquement couplé et entraîné en rotation par une source externe, ce qui fait tourner les segments de bobine du rotor à travers un flux magnétique dans l’entrefer, une force contre-électromotrice (FCEM) est mesurée aux bornes de sortie. Il suffit alors, par exemple, de fixer une pale sur l’arbre du moteur pour que même une légère brise commence à générer une tension de sortie utile.

La tension générée est fonction de la constante de FCEM (paramètre caractéristique du moteur, indiqué en mV/tr/min) et de la vitesse de l’arbre. Il s’agit là d’un facteur clé du choix du moteur approprié pour la tâche ; la vitesse d’arbre atteignable doit être suffisante pour générer la force contre-électromotrice requise, mais ne doit pas dépasser les paramètres de vitesse maximale admissible du moteur. Si la vitesse est trop élevée, il faut choisir un autre moteur dont la vitesse nominale est plus élevée. Si elle est trop basse, un réducteur approprié peut être ajouté pour augmenter la vitesse au niveau de l’arbre du moteur.

Un autre point à prendre en considération est la charge qui sera connectée entre les bornes de sortie du générateur. La tension de sortie maximale est générée à vide. Lorsqu’une charge est connectée, pour une vitesse d’arbre fixe, le courant circulant à travers la charge et les bobinages du moteur augmente en même temps que la résistance de la charge diminue. La résistance inhérente des bobinages du moteur est le facteur limitant pour ce qui est du courant maximal en mode générateur.

La constante de FCEM a aussi un rôle à jouer à cet égard. Un moteur présentant une constante de FCEM élevée et une résistance moindre aura un fonctionnement stable. À l’inverse, si la résistance des bobinages est élevée, la sensibilité du système de générateur augmente et la variation de tension qui en résulte avec la consommation de courant crée un système instable.

Le couple doit également être pris en compte, le choix du moteur étant limité par le niveau maximal de couple susceptible de s’exercer sur l’arbre en mode générateur. Le processus de choix d’un moteur capable de supporter le couple de générateur sur l’arbre et de gérer le courant maximal dans son circuit ressemble à celui du dimensionnement d’un moteur sur la base des points de charge souhaités.

Examinons deux exemples concrets, avec des moteurs CC à balais (Brush DC) de la série Athlonix™ de Portescap. La constante de FCEM du moteur Athlonix 17 DCT doté d’un bobinage 209P est de 1,17 mV/tr/min, tandis que la résistance dans le bobinage est de 7,8 Ω. Si ce moteur est utilisé comme générateur à une vitesse d’arbre de 5 000 tr/min, la tension de sortie sera de 5,85 V. Le courant de charge maximal dans le circuit en conditions de court-circuit sera de 0,75 A selon la formule I=V/R. Mais cette valeur dépasse la valeur maximale de courant continu de ce moteur particulier (0,55 A). Une solution serait d’utiliser une résistance de charge en série ; une autre consisterait à utiliser un autre bobinage. Dans cet exemple, le bobinage 221P pourrait être un meilleur choix.

Dans le deuxième exemple, un moteur Portescap 16C18 doté d’un bobinage 205P présente une constante de FCEM de 0,70 mv/tr/min et une résistance de bobinage de 65 Ω. À 10 000 tr/min, la tension de sortie en circuit ouvert à la borne est de 7,0 V. En conditions de court-circuit, le courant maximal susceptible de circuler dans les bobinages est de 0,108 A, soit une valeur inférieure au courant continu maximal du moteur. Il serait par conséquent acceptable d’utiliser ce moteur comme générateur à une vitesse d’arbre de 10 000 tr/min, sans charge de résistance externe.

Enfin, l’ingénieur de conception devrait examiner le rendement du moteur en mode générateur. Même s’il sera inférieur qu’en mode moteur, un rendement relativement élevé pourra être atteint à condition de bien choisir le moteur, les charges et la vitesse de fonctionnement.

Il peut être commode d’exploiter la capacité d’un moteur à générer du courant sur le terrain, mais il est important de déterminer tous les points de fonctionnement. En cas d’incertitude, il est toujours utile de prendre contact avec un fournisseur compétent qui pourra aider à choisir la solution appropriée pour l’application.

Circuit équivalent d’un moteur CC utilisé comme générateur

Graphique Courant de charge / tension aux bornes

Plage de fonctionnement du moteur Portescap 17 DCT

Caractéristiques courant/tension du 16C18

Caractéristiques de puissance de sortie du 16C18

Caractéristiques de rendement du 16C18

https://www.portescap.com/

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