Deux refroidisseurs d'air quittent la même usine avec la même pale, le même boîtier et le même débit d'air. L'un consomme 42 W ; l'autre consomme 34 W. Sur le papier, la différence réside dans le moteur, mais en pratique, c'est le moteur, l'électronique d'entraînement et le point exact de la courbe où l'appareil maintient le moteur pendant qu'il fonctionne.
La conclusion d'abord : l'efficacité d'un moteur à courant continu sans balais est décidé par trois choses que vous pouvez réellement concevoir et vérifier : le budget de perte à l'intérieur du moteur, le budget de perte dans l'électronique qui le commute et le point de fonctionnement auquel l'application l'oblige à fonctionner. Un pic de fiche technique est un point sur une courbe. Ce qu'un client paie sur dix ans est une moyenne pondérée sur les cycles de service réels, les températures ambiantes et la résistance au flux d'air.
Alignez ces trois éléments et un petit moteur BLDC réduira généralement la puissance d'entrée d'un quart à un tiers par rapport à un moteur à induction à pôle ombragé ou monophasé de base de taille de cadre similaire dans une application de ventilateur. Si vous vous trompez - surdimensionnez le moteur, ignorez le pilote, laissez-le fonctionner à 15 % de charge - et un moteur « à haut rendement » se comporte silencieusement comme un moteur ordinaire.
L'efficacité est une courbe, pas un chiffre
L'efficacité est citée sous la forme d'un chiffre unique car les chiffres uniques sont faciles à comparer. Dans un appareil, il se comporte comme une courbe avec un sommet large mais fini. Dans les petits moteurs sans balais utilisés dans les refroidisseurs d'air, les ventilateurs de refroidissement et les hottes de cuisine, le rendement maximal se situe généralement dans la bande de 80 à 90 % lorsque la puissance de l'arbre est mesurée avec le propre pilote du moteur inclus. Le même moteur poussé à 15-20 % du couple nominal tombe souvent dans la plage 50-60 %, car la perte de fer, la dérive et la perte de commutation ne diminuent pas lorsque la charge diminue. Un moteur à pôles ombragés de taille comparable est généralement coté entre 20 % et 40 %, c'est pourquoi l'échange vaut la peine d'être effectué.
Le haut de la courbe se situe généralement dans la moitié supérieure de la plage de vitesse, à environ 60 à 85 % du couple nominal, et il reste plus plat au milieu de la plage que ce que la plupart des acheteurs attendent. Cette planéité est la partie utile : un moteur dimensionné pour le point de service réel, et non pour un démarrage dans le pire des cas, passe la majeure partie de sa vie près du sommet plutôt que sur la pente.
Quatre choses méritent d’être exigées d’un fournisseur avant que la conversation ne porte sur le prix :
- Une carte d'efficacité, ou au minimum trois points - charge faible, moyenne et nominale - plutôt qu'un chiffre maximal.
- Puissance d'entrée mesurée au point de conception de l'appareil, avec la turbine de production et le boîtier, et non sur un arbre nu.
- Une déclaration claire indiquant si le conducteur et ses pertes se situent à l'intérieur ou à l'extérieur du numéro indiqué.
- Température du bobinage et de l'aimant après un état thermique stable - deux heures, pas deux minutes.
Si la terminologie est encore en train de s'installer, notre points de connaissances de base sur les moteurs est un endroit raisonnable pour vérifier les définitions avant de comparer les offres de différents fournisseurs.
Un chiffre de pointe mesuré à 24 V sur un arbre ouvert avec un pilote de laboratoire n'est pas comparable à un chiffre mesuré à 12 V via une carte de production à l'intérieur d'un boîtier scellé. Deux fournisseurs citant « 88 % d'efficacité » peuvent décrire deux machines différentes.
Où vont réellement les pertes
Les moteurs sans balais gagnent en efficacité pour une raison spécifique : le retrait des balais supprime deux chemins de perte à la fois. Le contact des balais crée une friction et crée également une chute de tension à peu près constante, qui devient une part plus importante de la puissance d'entrée plus la tension d'alimentation est faible. Sur un moteur à balais de 12 V, l'interface des balais à elle seule peut consommer plusieurs pour cent de la puissance d'entrée avant que le reste de la machine ne soit pris en compte.
Ce qui remplace les balais, c'est un onduleur, et ce n'est pas gratuit. Un pont triphasé avec six MOSFET ajoute une perte de conduction et une perte de commutation, et un pilote mal adapté peut représenter 10 à 20 % des pertes totales. La commutation en six étapes est bon marché et parfaitement adéquate pour un ventilateur à vitesse fixe ; le contrôle orienté champ peut récupérer quelques points où le moteur passe du temps à charge partielle, au prix d'un microcontrôleur plus rapide et de plus de temps d'ingénierie.
| Mécanisme de perte | Part typique des pertes totales | Levier de conception principal |
|---|---|---|
| Cuivre stator (résistif) | 30-45% | Facteur de remplissage en cuivre, densité de courant, chemin thermique vers le boîtier |
| Fer (hystérésis et courants de Foucault) | 15-25% | Qualité et épaisseur de stratification, densité de flux, géométrie des fentes |
| Electronique de commande (conduction et commutation) | 10-20% | Résistance à l'état passant MOSFET, fréquence de commutation, schéma de modulation |
| Roulements, dérive et traînée du rotor | 5-15% | Type de roulement et précharge, alignement de l'arbre, équilibre de la roue |
| Pertes parasites et harmoniques | 3-10% | Combinaison fente-pôle, inclinaison, tolérances de fabrication |
Deux détails comptent plus que ne le suggèrent la plupart des fiches techniques. La qualité de stratification est la première : le passage à un acier plus fin et à plus haute résistivité réduit la partie de la perte de fer due aux courants de Foucault, qui est la partie la plus facile à influencer. La combinaison fente-pôle et l'inclinaison viennent ensuite : elles façonnent les pertes parasites et harmoniques et, tout aussi important, le bruit que fait l'appareil à sa vitesse la plus faible.
Un moteur qui mesure huit points de plus sur un banc peut perdre cet avantage dès qu'il est boulonné dans un boîtier avec une roue différente et un conduit plus long.
Comment la charge et la température déplacent le point de fonctionnement
Les charges des ventilateurs et des soufflantes suivent deux règles approximatives : le couple augmente avec le carré de la vitesse et la puissance de l'arbre avec le cube. Réduire de moitié la vitesse réduit le débit d'air d'environ la moitié et réduit la puissance de l'arbre d'environ un huitième. C’est l’argument le plus fort en faveur de la vitesse variable dans les hottes de cuisine et les refroidisseurs d’air, car la majeure partie de l’énergie est dépensée au sommet de la plage de vitesse alors que la majeure partie du temps de fonctionnement est dépensée bien en dessous.
L’inverse est également vrai. Dans un appareil électroménager, l’efficacité n’est pas une propriété du seul moteur ; c'est une propriété du moteur et du trajet de l'air. Un filtre obstrué, un conduit plié ou une grille légèrement sous-dimensionnée augmente la pression statique, augmente le couple demandé par la roue à la même vitesse et fait glisser le moteur sur le côté droit de sa courbe. Un moteur avec une pointe généreuse peut toujours terminer sa vie avec un rendement de 60 % car le trajet de l'air n'a jamais été adapté à celui-ci.
La température modifie également les chiffres. La résistance des enroulements en cuivre augmente d'environ 0,39 % par degré Celsius, de sorte qu'un enroulement qui chauffe de 25 à 90 degrés ajoute environ un quart à sa perte résistive au même courant. Les aimants permanents perdent du flux à mesure qu'ils se réchauffent - NdFeB fritté d'environ 0,11 à 0,12 % par degré Celsius - de sorte que le couple disponible à 100 degrés est sensiblement inférieur au couple catalogue mesuré à température ambiante. Le choix d'une qualité d'aimant plus lourd ou d'un meilleur chemin thermique vers le boîtier est une décision financière et non technique.
Chaque moteur a un plancher de perte fixe : traînée des roulements, dérive et perte de commutation qui ne disparaissent jamais à faible charge. C’est pourquoi l’efficacité tend vers zéro à mesure que la vitesse s’approche de zéro, et pourquoi « l’efficacité à très basse vitesse » est une question trompeuse. La question utile est l’énergie totale consommée tout au long du cycle de service.
Les refroidisseurs d’air illustrent bien le problème. Ils fonctionnent pendant des heures dans des conditions qui dépendent de la météo, le moteur doit donc maintenir une efficacité raisonnable sur une large bande plutôt que sur un point flatteur. C'est dans ce contexte que nous concevons des moteurs de refroidisseur d'air.
AC ou BLDC : adapter le moteur à l'appareil
Le moteur sans balais n’est pas automatiquement le bon choix. Un moteur monophasé fonctionnant par condensateur n'a pas d'électronique, pas de détection de position du rotor, pas de micrologiciel et très peu de pièces. Dans un appareil à vitesse fixe avec un cycle de service quotidien court, l'énergie économisée par un BLDC peut ne pas rembourser le coût supplémentaire au cours de la durée de vie du produit. Ce calcul change dès que la charge varie, que le cycle de service devient long ou que l'appareil est censé être silencieux à basse vitesse.
Quand l’alternative AC gagne toujours
Un fonctionnement à vitesse fixe, des objectifs de coûts agressifs, une alimentation secteur sale ou instable et un cycle de service court favorisent tous un moteur asynchrone monophasé. Si l’appareil n’a besoin que d’un seul flux d’air et fonctionne vingt minutes par jour, la réponse technique honnête est généralement la machine la plus simple.
Les hottes de cuisine se trouvent de l’autre côté de cette ligne. La demande d'aspiration augmente et diminue en fonction de ce qu'il y a sur la table de cuisson, et l'écart entre un feu doux et une poêle chaude est un facteur de plusieurs dans le débit d'air. Un moteur à courant continu avec commande permet à la hotte de suivre la charge au lieu de basculer entre trois prises, et c'est de là que provient la majeure partie des économies d'énergie - et non du moteur isolé. Nous avons examiné la comparaison plus en détail dans un article sur comment les moteurs à courant continu des hottes de cuisine améliorent l'efficacité énergétique par rapport aux moteurs à courant alternatif traditionnels .
Que vérifier avant d'approuver un moteur
La vérification coûte moins cher que la retouche. Un test au banc au point de conception prend une demi-journée et répond à des questions qu'une fiche technique ne peut pas répondre.
- Mesurez la puissance d'entrée à la tension d'alimentation normale de l'appareil, avec le pilote de production, au point de service de conception plutôt qu'au point nominal du moteur.
- Mesurez simultanément le couple et la vitesse de l'arbre. L'efficacité est égale au couple multiplié par la vitesse angulaire divisé par la puissance d'entrée électrique ; l'estimation du couple à partir du courant n'est acceptable qu'en première passe.
- Exécutez au moins 90 minutes avant d'enregistrer les données, afin que les enroulements et les aimants atteignent un état thermique stable.
- Répétez l’opération aux extrémités basse et haute de la plage de contrôle et à la température ambiante la plus défavorable.
- Comparez le tirage actuel avec l'échantillon approuvé, en utilisant une bande de tolérance que vous êtes prêt à appliquer ; plus ou moins 10 % sur le courant et 5 % sur la vitesse couvrent la répartition normale de la production dans les petits moteurs.
Une heure de test au point de service réel coûte généralement moins cher qu’un seul lot retourné sur le terrain. Si une efficacité indiquée ne peut pas être reproduite dans votre propre logement, elle n'apparaîtra pas non plus sur la facture d'électricité de l'utilisateur final.
Nous construisons des gammes de moteurs à courant alternatif et à courant continu pour ces applications - moteurs à air froid, moteurs de chauffage, moteurs à vapeur d'huile encapsulés dans du plastique et gamme CC - et nous développons des dessins ou des échantillons de clients lorsqu'une série standard ne convient pas.
La capacité quotidienne supérieure à 80 000 unités importe ici dans un sens différent : l'échantillon que vous approuvez doit être reproductible en volume, et la cohérence d'une expédition vaut plus qu'un chiffre maximal que seul le prototype peut atteindre.
L’efficacité du moteur CC sans balais est une propriété du système. Le moteur contribue à un budget de perte, le conducteur en contribue un autre, et la turbine, le conduit et la température ambiante déterminent où sur la courbe se trouve réellement l'appareil. Rien de tout cela ne peut être résolu en comparant les chiffres de pointe dans deux citations. L'ordre de travail est simple : définissez le point de service réel, demandez l'efficacité à ce stade avec le lecteur de production, testez-le à chaud et à l'intérieur du boîtier réel, et traitez l'écart entre l'efficacité de pointe et l'efficacité de fonctionnement comme le nombre qui apparaît sur le compteur.
Si aucune série standard ne correspond à ce point de fonctionnement, le moteur peut généralement être développé en conséquence - c'est ainsi que la plupart des moteurs de petits appareils électroménagers sur le marché sont arrivés à leur forme actuelle en premier lieu.
++86 13524608688
