Utiliser des moteurs DC comme générateurs

Les moteurs DC, avec et sans balais, peuvent servir de générateurs. Certains aspects importants doivent cependant être pris en compte lors de la conception de l'entraînement.

On m'interroge de temps en temps sur la capacité des moteurs maxon DC à être utilisés comme générateurs. Et l'efficacité de nos moteurs demeure lorsqu'ils sont utilisés générateurs. Les calculs de base sont très simples, que ce soit entre la vitesse et la tension ou entre le courant et le couple. Voici quelques règles permettant à la sélection d'être un succès.

Tension DC ou AC?

Règle nº 1: Pour générer une tension DC, sélectionnez un moteur DC à balais ou un moteur EC sans balais (BLDC) avec un redresseur de tension. Pour générer une tension AC, sélectionnez un moteur EC sans balais et raccordez 2 phases seulement. Les capteurs à effet Hall sont superflus avec les moteurs sans balais.

Constante de vitesse kn

De nombreux générateurs fonctionnent à des vitesses ne dépassant pas 1000 tr/min. Une vitesse assez lente pour de petits moteurs. Une constante maximum de vitesse de 100 tr/min/V est nécessaire pour générer 10 V ou plus à 1000 tr/min. De tels bobinages sont rares dans le catalogue maxon. Seuls quelques bobinages à grande résistance sur des moteurs plus gros répondent à ce critère. Les moteurs plus petits présentent des constantes de vitesse supérieures.

Le tableau 1 représente une sélection de moteurs à faible constante de vitesse (ou une constante de générateur élevée = tension générée par la vitesse). Normalement, seul le bobinage de moteur à résistance maximum procure une constante de vitesse inférieure à 100 tr/min/V.

Règle nº 2: Sans prendre la charge en compte, le bobinage doit avoir une constante de vitesse de kn < n/u ou moins. Ou alors, il est possible d'augmenter la vitesse du moteur en utilisant un réducteur (voir ci-dessous).

Résistance

La règle nº 2 exige des moteurs à constante de générateur élevées. Malheureusement, la résistance de ces bobinages est très élevée elle aussi. Une résistance élevée réduit la tension de sortie sous charge, tension qui devient très sensible au courant de charge.

Règle nº 3: Pour obtenir une tension de sortie stable sur une certaine plage de charge, sélectionnez plutôt un moteur de plus grandes dimensions, la résistance étant inférieure même sur les moteurs à constante de générateur élevée.

Les moteurs EC-i 40 High Torque sont très intéressants de ce point de vue.

Restrictions de puissance

Ne limitez pas vos considérations à la puissance pour sélectionner le moteur-générateur. Pour répondre aux exigences en matière de couple, un moteur à puissance bien supérieure à la puissance générée peut être requis; surtout si la vitesse du générateur est plutôt faible comparée aux vitesses typiques des moteurs.

Limitation du couple et de la vitesse

L'importance du couple sur le générateur détermine la taille et le type du moteur-générateur. Sélectionnez un type de moteur à couple continu supérieur au couple du générateur. Lors du calcul du couple ou de la charge actuelle, tenez compte du type de fonctionnement utilisé. Le générateur va-t-il fonctionner en continu pendant des périodes prolongées ou par cycles de fonctionnement intermittents, ou bien uniquement pendant de courtes périodes? La taille du moteur à couple ou courant suffisant doit être choisie en conséquence. Tenez également compte de la vitesse maximum du type de moteur concerné. Cependant, ce facteur entre rarement en ligne de compte car la vitesse est faible en général.

Limitation de courant et de tension

Le bobinage le mieux adapté d'un certain type de moteur répond aux exigences de courant et de tension produite. Sélectionnez un bobinage capable de générer la tension nécessaire U, même en charge. Considérant une vitesse n de générateur fixe, la tension de bobinage générée Ut est supérieure à U

Sans tenir compte de la charge, sélectionnez la constante de vitesse conformément à la Règle nº 2, c'est à dire avec une résistance suffisamment élevée. La capacité de courant diminuant avec l'augmentation de la résistance, vérifiez que le courant continu demeure suffisant.

U_t = n/k_n – R_mot · I_L > U

Le graphique illustre bien les effets ambivalents des différents bobinages.

• Plus la résistance du bobinage est élevée, plus la tension générée (à vide) est importante.
• Par conséquent, plus la résistance du bobinage est élevée, plus la tension générée est sensible aux variations du courant de charge.

Il est possible d'éliminer une certaine partie de ces effets contradictoires en sélectionnant des moteurs de plus grandes dimensions à résistances inférieures pour la même constante de générateur (conformément à la Règle nº 3).

Les courbes tension-courant des différents bobinages du RE 40 à balais en métal précieux, à 500 tr/min. Tenez compte des différentes boucles de chaque bobinage.

Combinaisons moteur-réducteur

Règle nº 4: Utilisez des réducteurs pour augmenter les vitesses très faibles. En revanche, les réducteurs maxon ne sont pas très adaptés au pilotage par la sortie. Utilisez des réducteurs pouvant être inversés, c'est-à-dire des réducteurs planétaires à deux étages au maximum ou des réducteurs à pignon droit (ou des réducteurs spécialement conçus).

Le mécanisme de commande très lent des générateurs justifie parfois d'utiliser des combinaisons réducteur-moteur; par exemple entraînées par le vent ou une turbine hydraulique, voire à la main. Quelques remarques et recommandations:

• Dans ces cas de figure, il est nécessaire que le réducteur puisse fonctionner dans le sens inverse. Cependant, les réducteurs maxon ne sont pas véritablement conçus pour le fonctionnement inverse et ils sont donc peu efficaces.
• Les réducteurs à haute réduction (3 étages et plus) ne sont pas inversables; ils ne tourneront donc pas lorsqu'ils seront entraînés depuis la sortie au couple maximum admis. Il est donc possible d'utiliser des réducteurs planétaires à 1 ou 2 étages, qui peuvent être entraînés depuis la sortie.
• Utilisez plutôt des réducteurs à pignon droit que des réducteurs planétaires. Les réducteurs à pignon droit sont plus faciles à inverser et l'efficacité de l'entraînement inverse est généralement supérieure.

Cas particulier: moteur DC servant de génératrice DC

Règle nº 5: Utilisez un moteur DC à balais en métal précieux mieux adaptée aux courants faibles comme génératrice DC. Sélectionnez le bobinage en fonction de la tension de génératrice requise et de la plage de vitesse de votre application. Ne vous préoccupez pas de la résistance du bobinage, vérifiez simplement qu'une résistance de charge de quelques kΩ est disponible pour maintenir le courant à un faible niveau.