Un moteur sans balais, ou « moteur brushless », ou machine synchrone auto-pilotée à aimants permanents, est une machine électrique de la catégorie des machines synchrones^[1], dont le rotor est constitué d'un ou de plusieurs aimants permanents et pourvu d'origine d'un capteur de position rotorique : capteur à effet Hall, synchro-résolver, codeur rotatif (par exemple codeur incrémental), ou tout autre système permettant l'auto-pilotage de la machine.

Fonctionnement

Vu de l'extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation (de l'anglais brushless) vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun collecteur tournant et donc pas de balais. Toutefois un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques^[2]. Ce dispositif peut être, soit intégré au moteur pour les petites puissances, soit extérieur sous la forme d'un convertisseur de puissance de type onduleur. Le rôle de l'ensemble capteur plus électronique de commande est d'assurer l'auto-pilotage^[3] du moteur, c'est-à-dire l'orthogonalité^[3] du flux magnétique rotorique par rapport au flux statorique^[3], rôle autrefois dévolu à l'ensemble balais-collecteur sur une machine à courant continu^[3].

Évolutions par rapport à la machine à courant continu

Moteur de ventilateur sans le rotor ; on y voit les bobines (moteur diphasé)

Ventilateur d'ordinateur démonté

Schéma en coupe d'un moteur sans balais de faible puissance à rotor externe.

Ce type de moteur électrique élimine tous les inconvénients du moteur à courant continu classique : problèmes de commutation au niveau du collecteur, défrettage, inertie, refroidissement (les pertes joules étant situées au stator elles sont plus faciles à évacuer), puissance massique nettement plus grande, géométrie, durée de vie ; en particulier l'indice de protection (IP) peut être augmenté par rapport aux machines à courant continu du fait de l'absence de balais.

À performances égales, son rendement est toujours meilleur, ceci étant dû en partie à l'absence de pertes mécaniques et électriques liées aux balais (surtout lors de faibles charges). Mais aussi la plupart du temps à son inertie notablement réduite — en particulier pour les modèles utilisant des aimants samarium-cobalt ou néodyme-fer-bore^[4] — par rapport à une machine équivalente à courant continu, ce paramètre étant prépondérant dans de nombreuses applications, en particulier dans les phases d'accélération et de freinage.

Toujours à performances égales, le moteur sans balais est d'un prix de revient inférieur à celui de la machine à courant continu du fait du remplacement du collecteur et des balais par un capteur électronique d'un coût très réduit. Pour les petites puissances, ce capteur assure les deux fonctions de détection de la position rotorique et de commutation du courant. Dans ce cas, le fonctionnement est identique, vu de l'extérieur, à une machine à courant continu : il suffit de faire varier la tension d'alimentation pour faire varier la vitesse de rotation et dans de nombreuses utilisations ceci ne nécessite pas le recours à un variateur électronique de vitesse (petits ventilateurs par exemple, les capteurs à effet Hall incorporés au stator assurant également la commutation des phases).

Pour la grande majorité des applications nécessitant une commande et une régulation électronique du couple, de la vitesse et/ou de la position, les avantages du moteur sans balais sont tels qu'il a complètement remplacé la machine à courant continu et, en liaison avec les progrès de l'électronique de puissance (par exemple les IGBT), le prix de revient de ces solutions s'en est trouvé réduit dans le même temps que leurs performances ont été notablement améliorées.

Utilisations

Moteur de lecteur de disquette d'ordinateur

Les moteurs brushless sont largement utilisés dans l'industrie, en particulier dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique^[5], où ils ont fait disparaître les machines à courant continu. On trouve de tels moteurs pour des couples de quelques newtons mètres jusqu'à plusieurs centaines de N m et des puissances de quelques centaines de watts jusqu'à des centaines de kilowatts.

Ils équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD.

Une forme simplifiée et populaire de ces technologies est utilisée dans les ventilateurs assurant le refroidissement de systèmes électroniques, dont les micro-ordinateurs. Dans ce cas, le stator (bobiné) est à l'intérieur et le rotor (comportant les aimants) à l'extérieur.

Ces moteurs sont utilisés depuis les années 1990 pour les systèmes de ventilation/climatisation automobiles du fait de leur silence de fonctionnement. Aujourd'hui, on les retrouve dans la plupart des motos, scooters et voitures électriques, des véhicules hybrides, des vélos à assistance électrique, mais aussi dans les roues de certains modèles de trottinettes électriques.

Ils sont aussi très utilisés en modélisme pour faire se mouvoir des modèles réduits d'avions, d'hélicoptères (aéromodélisme) ainsi que de petits drones. Ils sont moins bruyants que les moteurs avec balais et leur rapport poids/puissance est très favorable à leur utilisation dans ce domaine.

On les retrouve également dans les motorisations d'antennes paraboliques.

Cette motorisation tend aussi à prendre la place des moteurs à balais (souvent moteurs universels) équipant l'outillage électroportatif. On parle alors de perceuse brushless, pour ne citer que cet exemple.

Notes et références

Bibliographie

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

• (en) P. Zimmermann, « Electronically Commutated D.C. Feed Drives for Machines Tools », Robert Bosch GmbH – Geschäftsbereich Industrieaurüstung, Erbach, Germany, dans Proceding of PCI Motorcon, septembre 1982, p. 69-86.

Annexes