CONNAISSANCE DU MONDE DU BRUSHLESS Louis FOURDAN Wissous

CONNAISSANCE DU MONDE DU BRUSHLESS Louis FOURDAN Wissous Modélisme (janvier 2005) LF Révision juillet 2006 (54 diapos) 2

UN DINOSAURE LF 3

BRUSHLESS ( contre BRUSHED ) • Pas de balais ni de collecteur = MEILLEURE FIABILITÉ (Durée de vie) • Triphasé (Hexaphasé) = MEILLEUR RENDEMENT (moins d’ondulation de couple) • Aimants puissants (Nd. Fe. B) , roulements à billes • KITS ou RÉCUPERATION (DIY) Inconvénient : CONTROLEUR LF + CHER 4

FAMILLES BRUSHLESS • ROTOR INTERNE (Champ magnétique radial) Inrunner • ROTOR EXTERNE (Champ magnétique radial) Outrunner • ROTOR DISQUE (Champ magnétique axial) LF 5

Kit BLDC sans bobinages Stator coupelle anneau fer tube stator aimants rectangulaires tôles roulements Rotor externe 6

Inrunner type PLETTENBERG Stator externe 24 encoches Bobinages en écheveaux LF Rotor interne 8 pôles (+fil Kevlar) (NN-SS-NN-SS-) 7

Inrunner type MP-Jet Mk 2 Stator externe Bobinage toroïdal LF Rotors internes monoblocs Nd. Fe. B 2 pôles 8

LF ROTOR DISQUE (Champ magnétique axial) 9

UN PEU DE THÉORIE … • FORCE DE LAPLACE (LORENTZ) OU • INTERACTIONS MAGNÉTIQUES Rotor (aimants permanents) Stator (Champ magnétique « tournant » ) LF 10

FORCE DE LAPLACE (LORENTZ) F = B I d. L http: //www. univ-lemans. fr/enseignements/physique/02/electri/forcelaplace. html N B F I Main droite S Fendt LF http: //www. univ-lemans. fr/enseignements/physique/02/electri/forcelaplace. html 11

BL à ROTOR EXTERNE Stator 9 d • Moteurs de CD-Rom (9 dents) • LRK Outrunners (12 dents) Stator 12 d LF 12

PHYSIQUE STATOR • Nombre de dents (teeth) ou encoches (slots) • Diamètre (radial) • Epaisseur (axiale) Stator LF 12 dents MFLY 13

BOBINAGES STATOR • Nombre de bobines (coils) • Nombre de tours (windings) • Diamètre du fil (gauge) • Etoile ou triangle DLRK 12 dents 12 bobines LF LRK 12 dents 6 bobines Fil de Litze 14

Brushless CD-Rom « 9/ 9/ 12 » 9 encoches 9 bobines 12 pôles magnétiques Schéma ABCABCABC Majuscule = CW (sens horloge) ou abcabcabc minuscule = CCW (anti-horaire) Etoile A N A B B C LF C Triangle 15

Brushless LRK 12/6/10 P 12/6/14 P 12 encoches 6 bobines 10 ou 14 pôles magnétiques Schéma A-b-C-a-B-c- Majuscule = CW (sens horloge) minuscule = CCW (anti-horaire) = vide LF 16

Brushless DLRK 12/12/14 P 12 encoches 12 bobines 14 pôles magnétiques Schéma Aab. BCca. ABbc. C Majuscule = CW (sens horloge) minuscule = CCW (anti-horaire) = vide LF 17

PHYSIQUE ROTOR • Nombre de pôles magnétiques (pair) • Groupes d’aimants / pôle (1 ou +) • N. S ou NN. SS etc. . • Intervalles (gaps) Rotor • Anneau fer (ring) • Cloche (bell) • Diamètre, axe LF 14 aimants N. S. . . 18

AIMANTS • Néodyme (Nd. Fe. B) • Poudre frittée + protection Nickel ou Or • Taille/forme : exemple 10 x 4 x 2 mm (plat ou incurvé) • Grade. . N 40, N 45, N 48, N 50 • Magnétisation dans l’épaisseur • Gamme de température • www. supermagnete. de LF 19

Principales configurations N-C-P 3 -3 -2 3 -3 -4 6 -6 -8 9 -9 -6 9 -9 -8 9 -9 -12 12 -6 -10 12 -6 -14 12 -12 -8 12 -12 -10 12 -12 -14 15 -15 -10 18 -9 -12 18 -18 -12 24 -24 -16 30 -30 -20 36 -36 -20 ABC ABCABC = (ABC)x 2 (ABC)x 3 Aa. ABb. BCc. C (ABC)x 3 A-b-C-a-B-c(LRK SPS) (ABC)x 4 Aab. BCca. ABbc. C (LRK distributed) (ABC)x 5 (A-B-C-)x 3 (ABC)x 6 (ABC)x 8 (ABC)x 10 (ABCbca. CABabc. BCAcab)x 2 voir le site www. powerditto. de Conventions N = nuts(branches, encoches) C = Coils (bobines) P = Pôles magnétiques Majuscule = CW Minuscule = CCW ( motif ) x n motif répété n fois Isomorphismes (peut inverser le sens) Permuter majuscules et minuscules Echanger 2 lettres, B et C (échanger b et c aussi) etc. . 20

PRINCIPALES MARQUES • ELECTRONIC MODEL (seul français) • MODEL MOTORS (AXI) • FLYWARE • TORCMAN • KONTRONIK • PLETTENBERG • MEGA MOTORS • MP-JET • ACTRO • MFLY • Free. Air Tchéquie, Allemagne, Chine • CEMECH • PJS • Potensky • HIMAX • HYPERION • FEIGAO , TOWER PRO • ALIGN 21

PRINCIPAUX KITS • Go-Brushless Efly-Power Slofly • Air. Craft World (Japon) • Brushless Kit (Allemagne) • Komodo-Hobby • Little Screamers • Strong RC Motors • Causemann • Batman LF 22

Du plus petit 5. 8 gramme Jusqu’au plus gros > 1 kg LF 23

PARAMETRES DE BASE • Kv rpm/V coefficient de vitesse • Rm ohm résistance phase-phase • Io courant à vide (@ tension V) A • d. Io / d. V pente de Io fonction de V • (Kt m. Nm/A) coefficient de couple • Produit Kv Kt = CONSTANTE (environ 9500) LF 24

REGLE DE BASE N° 1 • Nbw = Nombre de tours par dent (conducteurs/encoche) • Plus Nbw est grand , plus il y a de couple • Plus la vitesse est faible. Kv (rpm/V) plus petit et lycée de versailles LF 25

Point de fonctionnement (couple) Tension V Puissance Vit Eta max rend ess e r pm emen t t n coura I max Zone utile Couple résistant LF blocage 26

REGLE DE BASE N° 2 Adapter la charge au courant « adequat » 3 S Li. Po 2 S Li. Po Pin = 64 W 3 S 9 x 4 ou 9 x 5 LF 27

REGLE N° 3 • Essai de température T°C • Sur table, avec l’hélice. . Observer et la consommation I (ampères) • Sachant qu’en vol ce sera moins dur ( sauf « cochon pendu » maintenu ) LF 28

Mesures Rm (résistance interne) ( Loi d’ohm ) Voltmètre 1 V par ex. Le moteur ne tourne pas Alimentation stabilisée CC 2 A par ex. ! LF A B Brushless 0. 5 ohm C Minimiser les résistances de contact !! 29

Mesures Kv, Io rpmo Tachymètre Voltmètre V Alimentation stabilisée A Ampèremètre Io ESC B Rotor C Brushless rien Servo tester On mesure Io et rpmo à vide f (V) LF 30

Mesures Kv, Io à vide • Tableau Io et rpmo @ V de 8 à 12 V • Kv = rpmo / ( V – Rm Io) alim V 8 9 10 11 12 rpmo Kv A 0. 210 Io Eta max I Eta max 3680 rpm/V 471 % 71. 6 A 1. 366 0. 240 4600 470 72. 8 1. 633 0. 260 5520 469 74 1. 862 Rm = 0. 9 ohm LF EXCEL (pratique) ou logiciel dédié Noter que Io augmente avec V, ainsi que le rendement 31

Mesures sur hélices rpmo Tachymètre Voltmètre V Alimentation stabilisée A Ampèremètre Io ESC B Rotor C Brushless hélice BANC DYNAMOMETRIQUE Servo tester @V conso (A) , vitesse(rpm) , traction statique(gf) , rendement LF 32

BANC de TRACTION Support Wattmetre LF Balance 33

BANC « Medusa Research» – liaison PC LF 34

BANC DYNAMOMETRIQUE Mesure du couple sur boîtier moteur monté flottant sur roulements LF 35

COURBES PRATIQUES (sur hélices) LF Il manque juste la traction statique pour chaque hélice 36

Influences de certains paramètres Pour baisser le Kv (rpm/V) = augmenter le couple par ampère 1) Augmenter le nombre de tours par encoche 2) Passer de Delta à Etoile 3) Augmenter la force, l’épaisseur, la largeur des aimants 4) Augmenter la longueur axiale du stator (et les aimants) 5) Adopter une configuration avec plus d’encoches 6) Augmenter le diamètre du stator Pour augmenter la « puissance » du moteur 1) Augmenter la taille et le poids du moteur 2) Utiliser le fil le plus gros possible LF 37

Paramètres d’un kit brushless Pour un kit donné (stator , rotor et aimants) Le produit KW = (Kv * nb de tours) est pratiquement constant Le nombre de tours va en conjugaison avec un diamètre de fil adapté (en rapport avec la surface d’encoche) Exemple Komodo Hobby KH 283 v 2: LF 38

Simulation • MOTOCALC (brushed et brushless) • Complet (Batterie, Motorisation, Avion) • Version complete 1 mois gratuit • 35 US $ • Perso LF 39

Gratuits !! LF 40

LF Gratuit !! 41

Logiciel de configuration Configurator • Torcman • Go Brushless • Perso LF 42

CONTROLEURS DE VITESSE • Difficile à faire soi-même • Prix de 30 à 100 euros et + • MGM-Com. Pro • Castle Creation • Jeti • Tower. Pro (Chine) LF Programmation USB par câble 43

ESC PIC, ATMEL. . 6 Mosfets Séquencement 6 switches Décodage PPM S A B C a b c 5 V S LF Détection Position Rotor Séquence 6 x 60° Ab , b. C , Ca , a. B , Bc , c. A 44

DIY - ESC • Frédéric BRAME http: //frederic. brame. free. fr/ • Mattias MISERA & Julian WINGERT http: //www. bldc. de/ • Groupes de discussion, forums LF 45

Connecteurs MP-Jet Deans Power Pole LF 46

LF Concept DIY = à faire soi-même 47

Fil de bobinage (magnet wire) • Fil de cuivre émaillé (en simple, double, triple …) • ou Fil multibrin sous gaine PA (Litze wire) • Diamètres : de 0. 1 mm à 1. 2 mm • Isolation renforcée Polyester G 2 • Gamme de température (200°C) Attention aux courts-circuits / arêtes des tôles • La résistivité augmente avec T°C • http: //www. wires. co. uk • Calculateur http: //www. mogami-wire. co. jp/e/cad/wire-gauge. html LF 48

Fil de bobinage (exemple) • Fil de cuivre émaillé diamètre 0. 5 mm AWG 25 • Diamètre + isolation renforcée Polyester G 2 0. 58 mm • R = 88 mΩ /m • section 2 mètres Ri = 176 mΩ (étoile 352 mΩ) • Gamme de température (200°C) • R augmente avec T°C (20% pour delta 50°C) • http: //www. wires. co. uk • Calculateur http: //www. mogami-wire. co. jp/e/cad/wire-gauge. html LF 49

LF Double stator 9 S-9 C-6 P 50

LF Mini turbine brushless 51

Quelques termes rencontrés • Entrefer (airgap) • typique 0. 3 mm pour des diamètres usuels (20 -30 mm) • un petit entrefer augmente la force magnétique et donc le couple (réduit la vitesse et le Kv) • des aimants incurvés permettent un entrefer moyen plus faible • Cogging (points durs magnétiques) • en tournant le rotor à la main, on sent les « points durs » • ne semble pas être un défaut, ni agir sur le rendement • dépendrait surtout de la configuration stator+rotor • Dead legs (useless windings heads) • extrémités des bobinages (parties non axiales des fils de cuivre) LF 52

DOCUMENTATION • GOOGLE « brushless » , « outrunner » • Sites français ( « Electrofly » , « Le Gallou » , « Jorge Nolla » ) • Sites en allemand/anglais (Powerditto, . . ) • Groupes de discussion, forums Moteur perso, Electron-libre (base de données EXCEL) • LRK-Torquemax (Ron VAN SOMMEREN) • RC-Groups LF FIN 53

Question subsidiaire D’ou vient ce stator, pour moteur à rotor externe ? A) d’un vélo électrique B) d’une machine à laver le linge « all black » C) d’une mini turbine pour éolienne LF 54

Question subsidiaire (réponse B) A) d’un vélo électrique B) d’une machine à laver le linge « all black » (NZ) LF C) d’une mini turbine pour éolienne 55