CONSIDÉRATIONS THERMIQUES POUR LES MOTEURS CC À BALAIS SANS FER ET LES MOTEURS CC SANS BALAIS

La conversion de l'énergie électrique en puissance mécanique s'accompagne toujours de pertes pendant le processus.

NTRODUCTION ET PRINCIPE

La conversion de l'énergie électrique en puissance mécanique s'accompagne toujours de pertes pendant le processus. Ces pertes de puissance sont principalement transformées en puissance thermique et ont tendance à être d'autant plus importantes que la puissance mécanique est élevée. L'énergie thermique générée à l'intérieur d'un moteur électrique crée une élévation de température qui donne lieu à un transfert de chaleur du plus chaud vers le plus froid (grâce à la conduction et à la convection), et finit par transporter la chaleur vers l'extérieur du moteur.

L'un des plus grands défis pour les fabricants de moteurs électriques est de s'assurer que la température interne instantanée du moteur ne dépasse jamais la température maximale admissible de ses différents composants. En fonction de la conception du moteur et des matériaux utilisés, les phénomènes thermiques régissent les performances du moteur.

Les concepteurs envisagent généralement deux axes d'amélioration pour augmenter les performances d'un moteur sans surchauffer ni endommager ses composants:

Minimiser les pertes: améliorer l'efficacité de la conversion de puissance en générant moins de chaleur pour une puissance mécanique donnée (permettant une puissance mécanique plus élevée pour la même génération de chaleur).

Améliorer la capacité du moteur à évacuer l'énergie thermique générée (dissipation thermique) afin de diminuer l'élévation de température interne, autorisant une plus grande génération d'énergie thermique pour la même élévation de température.

Pour vous aider à comprendre ce phénomène, nous utiliserons une analogie du remplissage d'eau d'une baignoire qui fuit simultanément.

Le débit d'eau sortant du robinet correspond à la génération d'énergie thermique à l'intérieur du moteur. Dès que l'eau s'accumule dans la baignoire, la pression au fond engendre une fuite qui envoie l'eau hors de la baignoire, correspondant à la dissipation thermique. Plus le niveau d'eau est élevé, plus la pression au fond de la baignoire est élevée, et donc plus le débit de fuite d'eau est important.

De même, la dissipation thermique d'un moteur est proportionnelle au delta entre la température intérieure du moteur et la température extérieure (ambiante). Mais de la même façon que le débit d'eau dépend du diamètre du trou de sortie, la dissipation thermique dépend également de la résistance thermique, qui définit la « difficulté » de transporter la chaleur hors du moteur. Plus la résistance thermique est faible, plus la chaleur sera dirigée facilement et rapidement vers l'extérieur du moteur, ce qui signifie une puissance de dissipation plus importante :

Une baignoire a une capacité limitée et débordera si le niveau d'eau dépasse un certain point. De même, les composants d'un moteur ont une capacité thermique donnée et le fait que la température instantanée dépasse un certain niveau peut endommager les composants en quelques secondes. Les performances nominales du moteur doivent correspondre à l'exigence de maintenir sa température dans la plage de température de fonctionnement admissible.

Habituellement, le composant le plus critique est la bobine, car c'est là même que se produit l'échauffement par effet Joule. En cas de température excessive, le revêtement isolant autour du fil de cuivre finirait par fondre, entraînant des dommages permanents au moteur.

FONCTIONNEMENT EN RÉGIME STABILISÉ

Moteur CC à balais

Un moteur CC à balais sans fer est généralement conçu comme une bobine autoportante tournant dans l'entrefer entre un aimant permanent et le tube extérieur, qui font tous deux partie du stator.

La puissance d'échauffement par effet Joule (W) produite dans la bobine en rotation est directement liée à sa résistance électrique R (Ω) et au courant qui la traverse, I (A). Il n'y a pas de pertes de fer, car le rotor est sans fer.

Au fur et à mesure que la température de la bobine augmente, la chaleur sera transférée de la bobine au tube (1), puis du tube à l'environnement ambiant (2), comme le montre la figure 2. Ces deux étapes successives ont des résistances thermiques différentes (Rth1 et Rth2, respectivement), ccar les matériaux individuels ont des conductivités thermiques disparates, et la forme, la masse et la surface de chaque pièce ont également une influence sur la façon dont la chaleur sera transférée.

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