Moteurs et générateurs

Calculateur de moteur BLDC : bobinage, Kv et résonance

De la combinaison encoches/pôles jusqu’à la vitesse : l’outil montre le schéma de bobinage en animation, vérifie si le bobinage est équilibré et estime Kv, couple et résistance à partir des spires, du fil et des aimants. Ainsi que les fréquences auxquelles des résonances peuvent apparaître.

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1. Bobinage

Saisissez les encoches (= dents avec bobine) et les aimants. Le calcul porte sur un bobinage concentré (sur dents) triphasé, comme sur presque tous les outrunners et de nombreux générateurs éoliens.

Bobinage
Schéma de bobinage
AabBCcaABbcC
AabBCcaABbcC
Facteur de bobinage
0,933
kp 0,966 · kd 0,966
Crans/tour
84
PPCM(12, 14)
Sous-moteurs
1
q = 0,286 · 4 bobines par phase
Forces radiales
équilibrées
NSNSNSNSNSNSNSAabBCcaABbcC12N14PÉtape 1: A+ B−
Force contre-électromotrice et commutation
Étape 1A+ B−0°Étape 2A+ C−60°Étape 3B+ C−120°Étape 4B+ A−180°Étape 5C+ A−240°Étape 6C+ B−300°360°A+−B+−C+−
30° · A +1.00 · B -1.00 · C 0.00

Comment le moteur tourne : le contrôleur alimente toujours deux phases (claires), la troisième est ouverte (pâle). Il commute tous les 60° électriques ; six étapes font un tour électrique. Avec 7 paires de pôles, le rotor n’a besoin pour cela que de 1/7 de tour. Schématique, proportions non à l’échelle.

Guide de bobinage

Comment bobiner les bobines : le stator déroulé, dent par dent. « Pas à pas » indique pour chaque bobine la dent, le sens et où va le fil ensuite.

Vue de l’extérieur sur les pointes des dents
UVW123456789101112U1AaaU2AV1bBBV2bW1CccW2C
12 bobines. En haut les fils de liaison de chaque phase, en bas les numéros de dents.
Flèche = sens de bobinage · Point = début de la bobine · Lignes en haut = fils de liaison de U, V et W · U1, U2 … = début et fin de chaque phase (IEC 60034-8)
  • Avant de bobiner, ébavurez les arêtes des dents et isolez les encoches (papier isolant d’encoche ou revêtement poudre), sinon l’émail du fil s’use par frottement.
  • Bobinez toutes les bobines avec le même nombre de spires, serrées et en couches, sans croisement.
  • Faites passer tous les fils de liaison sur la même face frontale et fixez-les (fil, vernis ou colle).
  • Après chaque phase, mesurez la résistance du début à la fin. Les trois phases doivent être identiques.
  • Pour finir, contrôlez l’isolement : aucune continuité entre bobinage et tôles du stator.
  • Au premier essai, surveillez le courant à vide. S’il est nettement plus élevé que d’habitude, une bobine est généralement bobinée à l’envers.

Raccordement : étoile ou triangle

Voici comment relier les trois phases terminées. Le couplage choisi plus haut en section 3 est mis en évidence.

Étoile (Y) · choisi
U1U2V1V2W1W2Point neutre
Étoile (Y) : fins ensemble, débuts vers l’extérieur.

Reliez les fins U2, V2 et W2 entre elles et isolez-les : c’est le point neutre, il n’est pas raccordé. Les débuts U1, V1 et W1 vont aux trois fils du contrôleur (ESC). L’ordre est indifférent ; inverser deux fils inverse le sens de rotation.

Triangle (Δ)
U1 · W2V1 · U2W1 · V2
Triangle (Δ) : chaque début relié à la fin de la phase précédente.

Reliez U1 à W2, V1 à U2 et W1 à V2, comme les barrettes d’une plaque à bornes de moteur selon IEC 60034-8. Chacun des trois points de liaison reçoit un fil du contrôleur (ESC). D’autres combinaisons (U1 avec V2 …) donnent aussi un triangle ; seul le sens de rotation peut différer.

2. Bonnes combinaisons

Nombres d’aimants équilibrés pour 12 encoches avec un facteur de bobinage d’au moins 0,7, les meilleurs d’abord. Les combinaisons éprouvées ont un facteur de bobinage d’au moins 0,93 et des forces radiales équilibrées.

CombinaisonFacteur de bobinageCrans/tourForces radialesq
12N14P0,93384équilibrées0,286
12N10P0,93360équilibrées0,400
12N16P0,86648équilibrées0,250
12N8P0,86624équilibrées0,500

3. Caractéristiques du moteur à partir des spires et des aimants

À partir du bobinage et des dimensions, l’outil estime Kv, la constante de couple et la résistance. Utile pour planifier avant de bobiner et comparer des variantes.

Bobines
Étoile (Y)
mm
mm
Aimants et entrefer
mm
mm
T
Fonctionnement
V
A
Kv
304
tr/min par volt
Kt
31,4
mN·m/A
Résistance entre deux bornes
210 mΩ
par phase 105 mΩ · 20 °C
Spires en série par phase
40
Cuivre environ 25,3 g
Vitesse à vide sous 12 V3 653 tr/min
Couple à 3 A0,0941 N·m
Densité de courant dans le fil7,64 A/mm²
Pertes cuivre à 3 A2,84 W
Fondamental de l’induction d’entrefer B₁0,867 T

Estimation, typiquement ±20 %. Les fuites, la saturation et la forme des aimants dépendent de la construction. Le Kv exact se mesure sur le moteur terminé (voir remarques).

4. Fréquences et résonance

À quelle vitesse quelle fréquence rencontre-t-elle une fréquence propre ? Les valeurs s’appliquent à la vitesse de la section 3.

µH
nF
Hz
à 3 653 tr/min
Fréquence de rotation (mécanique)60,9 Hz
Fréquence électrique426 Hz
Commutations par seconde2,56 kHz
Fréquence de crantage5,11 kHz

Mesurer et raccorder : bobine, condensateur, Kv

Pour toutes les mesures, le moteur est débranché du contrôleur (ESC). « Deux bornes du moteur » signifie : deux des trois fils, p. ex. U1 et V1 ; le troisième reste libre.

Mesurer le circuit résonant série
G ~RLCVdeux bornes du moteur
G = générateur de fonctions, R = résistance de mesure, L = moteur entre deux bornes, C = condensateur, V = oscilloscope.

Générateur (sinus, 1–5 V) → résistance R (p. ex. 100 Ω) → borne moteur U1 → à travers le bobinage → borne moteur V1 → condensateur → retour au générateur. L’oscilloscope mesure aux bornes de R. Balayez lentement la fréquence : là où la tension sur R est maximale se trouve f₀.

Mesurer le circuit résonant parallèle
G ~RLCV
Condensateur directement sur les deux bornes du moteur, alimenté via R.

Soudez le condensateur directement sur deux bornes du moteur (p. ex. U1 et V1). Reliez ce circuit résonant au générateur via R (p. ex. 1 kΩ). L’oscilloscope mesure sur les deux bornes du moteur : à f₀ la tension y est maximale. Sans condensateur, vous trouvez ainsi l’auto-résonance du bobinage.

Mesurer le Kv
M3~U1V1W1Ventraîner de l’extérieurTension crête
Entraînez le moteur de l’extérieur, mesurez la tension entre deux bornes.

Faites tourner l’arbre régulièrement avec une perceuse ou une visseuse sans fil. L’oscilloscope entre deux bornes affiche la tension crête et la fréquence f. Vitesse = 60 × f ÷ paires de pôles (ou avec un tachymètre). Kv = vitesse ÷ tension crête. Un multimètre affiche la valeur efficace : alors Kv = vitesse ÷ (valeur efficace × 1,41).

Contrôler la résistance et le bobinage
M3~U1V1W1ΩRésistance
Mesurez entre les trois paires : U–V, V–W, W–U.

Mesurez la résistance entre les trois paires ; les valeurs doivent être égales, sinon une bobine a une spire en court-circuit ou une soudure est mauvaise. Pour des valeurs inférieures à 1 Ω, mettez d’abord les cordons de mesure en contact et retranchez cette valeur, ou plus précisément : injectez 1 A et mesurez la tension directement aux bornes (mesure à quatre fils, Kelvin).

Comment trouver la résonance

  1. Électriquement avec un condensateur : mesurez l’inductance L entre deux bornes, choisissez un condensateur. f₀ = 1 ÷ (2π √(L·C)) est indiquée ci-dessus, de même que la vitesse à laquelle la fréquence électrique atteint f₀.
  2. Confirmez par une mesure (schémas ci-dessus) : dans le circuit résonant série, la tension aux bornes de la résistance R est maximale à f₀ ; dans le circuit résonant parallèle, c’est la tension aux bornes du circuit lui-même. Balayez lentement la fréquence du générateur et cherchez le maximum.
  3. Auto-résonance de la bobine : même sans condensateur, chaque bobinage résonne avec sa propre capacité, généralement entre 100 kHz et quelques MHz. Mesurez comme pour le circuit résonant parallèle, mais sans condensateur ; cette fréquence limite la vitesse de commutation à viser.
  4. Mécaniquement : la fréquence de crantage et la fréquence de rotation peuvent exciter le carter, le support ou le mât. Mesurez la fréquence propre en tapotant et avec un micro (application de spectre), saisissez-la ci-dessus et évitez la vitesse affichée.
  5. Ce qui déplace la résonance : plus de spires augmentent L (à peu près au carré), plus de capacité abaisse f₀, plus de paires de pôles augmentent la fréquence électrique à vitesse égale, un support plus rigide augmente la fréquence propre mécanique.

5. En générateur

Pour éolienne et dynamo de vélo : tension à vide à la vitesse de la section 3, sans charge.

à 3 653 tr/min
Tension crête entre deux bornes12 V
Valeur efficace8,49 V
Tension continue après pont redresseur10,1 V

6. Rebobinage

Même moteur, autre nombre de spires ou autre couplage : voici comment Kv change. Valable à remplissage de cuivre des encoches identique.

Étoile (Y)
Étoile (Y)
833 tr/min par volt
La résistance change d’un facteur 1,44 (même remplissage de cuivre).

Formule

Étoile des encoches : la bobine k a l’angle θk = k · p · 360° ÷ N. Facteur de bobinage kw = kp · kd avec kp = sin(p · 180° ÷ N). Crantage : PPCM(N, 2p). Force contre-électromotrice par phase : Ke = N_phase · kw · B₁ · D · L avec B₁ = 4/π · B · sin(α · 90°) ; étoile : Ke(ligne) = √3 · Ke. Kv = 60 ÷ (2π · Ke(ligne)), Kt ≈ 60 ÷ (2π · Kv). f_el = tr/min ÷ 60 · p. R = ρ · l ÷ A. LC : f₀ = 1 ÷ (2π √(L · C)).

Exemple

12 encoches, 14 aimants, double couche : schéma AabBCcaABbcC, facteur de bobinage 0,933, 84 crans par tour. Avec 10 spires par dent en étoile, Ø 28 mm × 20 mm et 0,7 T, on obtient environ 300 tr/min par volt ; deux fils de 0,5 mm en parallèle donnent 0,105 Ω par phase. Sous 12 V, le moteur tourne à vide à environ 3650 tr/min, la fréquence électrique est alors de 426 Hz.

Remarques

  • L’outil calcule des bobinages concentrés (chaque bobine autour d’une dent, q ≤ 0,5). Il ne calcule pas les bobinages répartis des grands moteurs industriels.
  • Le Kv déduit de la géométrie est une estimation (environ ±20 %). Mesure exacte : faire tourner le moteur avec une perceuse, mesurer la vitesse et la tension crête entre deux bornes. Kv = vitesse ÷ tension crête.
  • La résistance s’entend à 20 °C, sans les fils de raccordement. Le cuivre chaud a 0,39 % de résistance en plus par degré.
  • Les aimants néodyme perdent définitivement de leur force au-delà de leur limite de température (souvent 80 °C pour les nuances N). Au montage, ils pincent les doigts ; tenez les outils à distance.
  • Le schéma, l’animation et la courbe de FCEM sont idéalisés (trapèze, commutation par blocs). La commande vectorielle (FOC) travaille avec des courants sinusoïdaux, mais la combinaison et le facteur de bobinage s’appliquent de la même façon.
  • Au-delà de 60 V en continu et avec des rotors en rotation, il existe un risque de blessure. Les générateurs produisent une tension dès qu’ils tournent, même débranchés.