Réchauffement des moteurs (dans les outils à main)

Préface

Les moteurs fonctionnant à la limite du couple nominal peuvent devenir très chauds. En fonctionnement continu, le bobinage peut atteindre 155°, ce qui se traduit par une température du carter d'environ 120°C. Aucun chirurgien n'aimerait travailler avec un tel outil portatif, même à la moitié de cette température.
Abstraction faite du frottement, il existe deux sources principales de pertes de puissance - et donc d'échauffement - dans les moteurs : Le courant du moteur dans le bobinage et les pertes par courants de Foucault. Ces deux sources peuvent être influencées négativement par le contrôleur et le pilote du moteur.

Pertes de puissance par effet Joule

Les pertes de puissance par effet Joule sont liées au courant, c'est-à-dire à la charge de couple requise. Comme on le sait, ces pertes augmentent avec le carré du courant. Des courants élevés proches de la valeur nominale conduisent à des températures insupportables pour l'homme ; faire fonctionner le moteur à des courants d'environ la moitié du courant nominal permet d'obtenir des températures modérées (généralement inférieures à 50°C) qui correspondent à la peau sensible de l'homme.

Fig. 1 Température du bobinage et de la carcasse d'un moteur en fonctionnement continu en fonction du courant du moteur.

Pour le choix du moteur, cela signifie essentiellement : optez pour un moteur surdimensionné !
Les considérations qui précèdent sont basées sur un fonctionnement continu où les températures maximales ne sont atteintes qu'au bout d'une dizaine de minutes. Les outils portatifs fonctionnent généralement par intermittence à différents niveaux de courant. Le fonctionnement intermittent peut durer jusqu'à 30 minutes ou plus et doit donc être traité comme un fonctionnement continu avec la charge moyenne efficace. Dans ce cas, l'échauffement moyen de la carcasse du moteur est similaire à un fonctionnement continu à la charge de courant efficace.

Pertes de fer

Les pertes en fer sont liées à la vitesse. Les pertes par courants de Foucault augmentent avec le carré de la vitesse, chauffant les moteurs simplement lorsqu'ils tournent - même à vide. Dans les outils portatifs, cela peut être un problème pour les meuleuses et les perceuses qui fonctionnent à plusieurs dizaines de milliers de tours par minute. Ces moteurs à grande vitesse nécessitent des précautions de conception particulières pour limiter l'échauffement par courants de Foucault. En règle générale, ils sont fabriqués avec un faible nombre de pôles magnétiques, un bobinage sans fente, des feuilles de fer arrière ultra-minces fabriquées dans des matériaux spéciaux à faible hystérésis. La série maxon ECX SPEED, par exemple, combine ces caractéristiques particulières. Leur forme allongée avec des diamètres de 16 à 22 mm s'adapte parfaitement aux outils portatifs qui fonctionnent à des vitesses élevées de plusieurs dizaines de milliers de tours/minute - comme vous l'avez peut-être deviné d'après leur nom.

Pilote MLI (PWM), inductance et paramètres de contrôle

Cependant, il s'avère que l'échauffement du moteur n'est pas seulement une question de couple, de vitesse et de conception, mais aussi de conception du pilote MLI et de réglage des paramètres de contrôle. Récemment, un client s'est plaint de la température élevée de son moteur (80°C et plus), même à vide. Après enquête, nous avons constaté que le pilote et la tension d'alimentation avaient un effet majeur.
Les bobinages sans fente ont une inductance très faible, ce qui se traduit par une constante de temps électrique très faible. Le courant réagit très rapidement aux variations de tension, ce qui est bon pour le comportement dynamique. Cependant, lorsqu'il est piloté par un étage de puissance à modulation de largeur d'impulsion (MLI) (comme le font la plupart des contrôleurs), le courant du moteur est capable de suivre ces changements rapides de tension, ce qui donne lieu à une ondulation considérable du courant. Alors que la tension MLI et l'ondulation du courant n'ont aucun effet sur la réponse mécanique du moteur - le moteur réagit en fonction des valeurs moyennes du courant et de la tension - les pics d'ondulation du courant, en revanche, font chauffer le moteur. De la même manière, un réglage très rigide des paramètres de contrôle peut entraîner une réaction forte et rapide du courant avec des pointes de courant élevées et un échauffement du moteur. Les contre-mesures pour minimiser l'ondulation du courant sont les suivantes :

• Réduire la tension d'alimentation du pilote MLI, dans les cas où les exigences de vitesse de l'application le permettent.
• Augmenter la fréquence du MLI pour que l'ondulation du courant ait moins de temps pour s'accumuler.
• Ajouter une inductance supplémentaire - une self moteur - en série sur les lignes du moteur afin d'augmenter la constante de temps électrique et d'amortir la réaction du courant. Cette dernière mesure n'est pas très intéressante car elle augmente les coûts et nécessite un espace supplémentaire.
• Sélection d'un paramètre de contrôle plus doux.

L'ondulation du courant et le champ magnétique haute fréquence qui l'accompagne génèrent des pertes supplémentaires. La variation du flux magnétique se produit avec la fréquence MLI et peut induire des courants de Foucault dans les parties métalliques du moteur (par exemple dans l'aimant), en plus de l'effet de peau dans le fil du bobinage. Ces deux mécanismes peuvent représenter une part considérable - 30 % et plus - des pertes totales et donc de l'échauffement. La réduction de l'ondulation du courant est donc d'une importance capitale.

Fig 2. Ondulation du courant à l'arrêt avec et sans inductance supplémentaire (schéma). Le courant moyen (c'est-à-dire le couple moyen) est nul dans les deux cas. L'échauffement du moteur sera différent.

Les régulateurs maxon tiennent compte de la faible inductance des moteurs maxon. Ils travaillent à des fréquences MLI élevées de 50 à 100 kHz et sont équipés d'une inductance supplémentaire suffisante pour la plupart des moteurs.
Le problème de chauffage du client a été facilement résolu en remplaçant l'ancien régulateur surdimensionné par un régulateur ESCON de maxon. La solution ESCON présente une puissance nominale inférieure mais suffisante avec une inductance intégrée plus importante et fonctionne à une fréquence MLI plus élevée que l'ancien régulateur. En outre, le niveau de température a été considérablement abaissé en réduisant la tension d'alimentation à un niveau proche de la valeur minimale nécessaire.