Le moteur DC, appelé aussi moteur à courant continu, fait partie de la classe des moteurs électriques et sert essentiellement à transformer de l’énergie électrique en énergie mécanique. La plupart des formes de moteurs DC reposent, dans ce contexte, sur les forces magnétiques et disposent de mécanismes internes de types électronique ou électromécanique. Les moteurs à courant continu conventionnels se caractérisent d’abord par le collecteur qui change périodiquement le sens du flux électrique à l’intérieur du moteur. Une des plus puissantes versions du moteur DC classique que l’on retrouve dans de nombreuses applications est le moteur DC sans balais ; celui-ci fonctionne sans frottement et offre donc notamment une durée de vie plus longue.
Malgré l’utilisation croissante et la grande rivalité avec les moteurs AC, lesquels, en tant que moteurs triphasés, font également partie des moteurs électriques, les moteurs DC jouent aujourd’hui encore un rôle très important. Ils sont souvent utilisés dans les applications industrielles, en raison de leurs propriétés — notamment la possibilité qu’ils offrent d’ajuster leur couple et leur vitesse de manière précise et extrêmement variable —. C’est par exemple le cas des servoactionneurs de la série PMA de Harmonic Drive AG qui sont composés d’un moteur à courant continu à haute dynamique et d’une mini-cartouche de réduction PMG avec codeur incrémental. Ils sont parfaitement adaptés aux applications de l’industrie des semi-conducteurs, de la technique médicale et des machines de mesure et de tests.
Structure et fonctionnement du moteur DC
Le moteur DC classique présente une forme épurée et ne compte que quelques composants. Les éléments porteurs sont en première ligne le stator et le rotor. Le stator, qui est fixe et statique, est la plupart du temps composé d’un électroaimant ou — principalement sur les petites machines — d’un aimant permanent. À l’intérieur du stator, se trouve le rotor, nommé également induit, et un composant rotatif, lequel sur les moteurs DC conventionnels est aussi fabriqué à partir d’un électroaimant. Les moteurs à courant continu, composés tels que décrits précédemment d’un stator et d’un rotor, sont appelés induits intérieurs, alors qu’une structure inversée s’apparente à un induit extérieur.
Les bobines du rotor sont branchées à l’aide d’un collecteur. Celui-ci sert d’inverseur de polarité et abrite les balais, lesquels ont une forme de brosse et sont fabriqués dans un matériau conducteur. Les matériaux privilégiés sont le graphite et — selon l’application en question du moteur — des matériaux enrichis de métal. Les balais sont cruciaux dans le fonctionnement du moteur DC conventionnel. Car lorsque le courant continu circule au travers de la bobine du rotor, c’est-à-dire à travers du rotor, celui-ci se transforme en électroaimant et produit des forces magnétiques grâce aux propriétés du stator. Comme les pôles de même polarité se repoussent et les pôles contraires s’attirent, cela induit un mouvement de rotation du rotor — qui se terminerait en principe dans une zone neutre. Pour garantir toutefois une rotation continue, une inversion périodique du sens du courant est nécessaire. À l’aide des balais, le collecteur du moteur à courant continu effectue à intervalles réguliers cette inversion de polarité.
La différence de construction des moteurs DC à balais s’étend par ailleurs selon le type de commutation de l’induit et du bobinage du stator. Sur la machine à courant continu, aussi appelée moteur en série, la bobine d’excitation et la bobine du rotor sont montées en série, c’est-à-dire couplées les unes après les autres, ce qui crée la base de l’alimentation de courant alternatif. Le moteur shunt, sur lequel les deux bobines sont couplées en parallèle, est un équivalent. Le moteur compound quant à lui combine la machine à courant continu et le moteur shunt. Selon sa conception, il permet différents modes de fonctionnement et profite des avantages des deux types de moteurs.
La commutation avec les moteurs DC sans balais
Le moteur DC à balais entre directement en concurrence avec le moteur DC sans balais (en anglais, Brushless DC Motor, ou BLDC). Conformément à son nom, la conception de ce moteur se différencie nettement de la conception classique — il n’est pas pourvu de balais ou de charbons mécaniques. Le collecteur commutateur mécanique est remplacé par une commutation électronique, laquelle suit la position du rotor grâce à des capteurs et permet ainsi une commutation électronique. Grâce à, par exemple, l’intégration des algorithmes de régulation, il est de plus possible dans de nombreux domaines d’applications de réaliser une commutation sans capteurs. On peut ainsi comparer la structure d’un moteur DC sans balais à la structure d’un moteur synchrone sans amortisseur, car ils permettent tous deux une grande diversité de commandes et une alimentation en tension continue en raison du convertisseur de puissance. Souvent les moteurs DC sans balais ou plutôt les bobines d’excitation du stator sont triphasés.
Les moteurs DC sans balais par rapport aux moteurs DC à balais
Le choix entre un moteur DC sans balais ou un moteur DC à balais a des conséquences importantes et devrait prendre en compte les exigences de l’application en question, car les caractéristiques des deux constructions diffèrent pour certaines sensiblement. Il convient également de tenir compte des coûts d’achat et de maintenance.
Les retombées et les différences des systèmes de commutation sans et à balais sont particulièrement importantes d’un point de vue de la durée de vie du moteur à courant continu. Les balais ou charbons sont des composants qui travaillent de manière physique et mécanique, il y a donc une usure continue, ce qui limite la durée de vie. Les vitesses élevées, les vibrations ou autres facteurs similaires constituent une contrainte supplémentaire et peuvent fortement influer sur la durée de vie des balais. La vie utile des moteurs DC sans balais en revanche n’est limitée qu’en raison des roulements à billes qui les composent, il est donc possible de faire des prévisions de durée de vie qui s’approchent très largement de la réalité. Sans frottement mécanique, il n’y a aucun risque que les balais prennent feu en raison d’une étincelle sur collecteur. L’usage des balais est en outre limité dans certaines conditions ambiantes spécifiques ; les applications sous vide poussées par exemple n’autorisent que l’utilisation de moteurs sans balais.
Par rapport aux moteurs à balais, les moteurs DC sans balais présentent des avantages divers en matière de performance. Ceux-ci varient en fonction de l’application et sont multiples, cependant ils offrent en général un couple de démarrage plus élevé, une plus grande précision — et par rapport aux variations de charge — une commande plus résistante et des régimes plus élevés.
La version à balais présente des avantages de fonctionnement : pour faire bouger le rotor, seules deux bornes doivent être alimentées en tension. Rares sont les types de moteurs qui peuvent fonctionner si simplement. Les moteurs DC sans balais en revanche nécessitent un système de commutation électronique et une mise en service bien plus sophistiquée. Ces éléments électroniques et les capteurs souvent employés dans les moteurs à courant continu sans balais ont par ailleurs tendance à coûter plus cher à l’achat, de sorte que l’aspect économique joue aussi un rôle certain.
Les domaines d’application des moteurs DC sans balais et à balais
En raison des nombreuses différences de technicité entre les moteurs DC, ceux-ci sont utilisés dans des applications très variées et dans tous les secteurs. La commande du régime et du couple relativement simple, l’ajustement de précision et la grande dynamique leur permettent de se retrouver dans un très large spectre d’applications.
Les moteurs DC à balais, comme type de moteurs conventionnels et éprouvés, ne requièrent que peu de composants externes, voire même aucun, et sont donc également utilisables dans des conditions ambiantes hostiles. Ces applications sont notamment les tours et les affûteuses, les installations de convoyage et les aspirateurs. Les compresseurs, les presses rotatives et les ascenseurs peuvent également être équipés de moteurs DC à balais.
Si une commande à haute précision et un faible couple — comme c’est le cas dans le domaine de la robotique — sont requis, on utilise alors les moteurs DC avec aimant permanent intégré. Grâce à leurs nombreux avantages en termes de puissance par rapport aux moteurs DC à balais, les versions sans balais disposent de champs d’application de plus en plus vastes. Les moteurs DC sans balais ont déjà dépassé le moteur à balais dans de nombreux secteurs et branches de l’économie.
L’utilisation des moteurs à courant continu sans balais dans l’industrie se concentre principalement dans la technique de fabrication et l’automatisation industrielle. Ce sont principalement les systèmes de mouvement, de contrôle et de positionnement qui bénéficient des propriétés de ces types de moteurs. Un exemple bien connu qui utilise les moteurs DC sans balais est les moteurs pas-à-pas, lesquels sont avant tout utilisés pour la commande de position de circuits de réglage en boucle ouverte. Dans beaucoup d’environnements industriels, l’on a recours aux moteurs pas-à-pas pour les processus automatisés et on les retrouve notamment dans des machines « Pick and Place ».
Enfin, les moteurs à courant continu sans balais sont aussi très souvent employés dans l’aéromodélisme et les drones. Ici, le rapport performance-poids ainsi que le choix de la taille des différents moteurs sont un argument majeur — car tandis que les anciens moteurs à combustion propulsent de par leur taille des modèles d’avions relativement grands et lourds, les moteurs DC sans balais compacts permettent quant à eux de créer des petits modèles réduits.