Moteur à réluctance

Le moteur à réluctance variable est basé sur le principe qu'un morceau de fer non retenu se déplacera pour compléter un chemin de flux magnétique avec une réticence minimale , l'analogue magnétique de la résistance électrique.

Réticence synchrone

Si le champ tournant d'un gros moteur synchrone à pôles saillants est désactivé, il développera tout de même 10 ou 15 % de couple synchrone. Ceci est dû à une réluctance variable tout au long d'une révolution du rotor. Il n'y a pas d'application pratique pour un grand moteur synchrone à réluctance. Cependant, il est pratique dans les petites tailles.

Si des fentes sont découpées dans le rotor sans conducteur d'un moteur à induction, correspondant aux fentes du stator, un moteur à réluctance synchrone résultats.

Il démarre comme un moteur à induction mais fonctionne avec une petite quantité de couple synchrone. Le couple synchrone est dû aux changements d'une réticence du chemin magnétique du stator à travers le rotor lorsque les fentes s'alignent.

Ce moteur est un moyen peu coûteux de développer un couple synchrone modéré. Un faible facteur de puissance, un faible couple d'arrachement et un faible rendement sont des caractéristiques du moteur à réluctance variable entraîné par ligne électrique directe. Tel était le statut du moteur à réluctance variable pendant un siècle avant le développement du contrôle de puissance à semi-conducteur.

Réticence commutée

Si un rotor en fer avec des pôles, mais sans aucun conducteur, est monté sur un stator polyphasé, un moteur à réluctance commuté , capable de se synchroniser avec le champ du stator, en résulte. Lorsqu'une paire de pôles de bobine de stator est alimentée, le rotor se déplace vers le chemin de réluctance magnétique le plus bas (figure ci-dessous).

Un moteur à réluctance commutée est également connu sous le nom de moteur à réluctance variable. La réticence du rotor au chemin du flux du stator varie avec la position du rotor.

La réluctance est une fonction de la position du rotor dans un moteur à réluctance variable

La commutation séquentielle (figure ci-dessous) des phases du stator déplace le rotor d'une position à l'autre. Le flux magnétique recherche le chemin de moindre réluctance. Vous trouverez ci-dessous un rotor simplifié à l'extrême et des formes d'onde illustrant le fonctionnement.

Moteur à réluctance variable, fonctionnement trop simplifié

Si une extrémité de chaque enroulement triphasé du moteur à réluctance commutée est sortie via un fil conducteur commun, nous pouvons expliquer le fonctionnement comme s'il s'agissait d'un moteur pas à pas (figure ci-dessus). Les autres connexions de bobine sont successivement mises à la terre, une à la fois, dans un entraînement par ondes schéma. Cela attire le rotor vers le champ magnétique tournant dans le sens des aiguilles d'une montre à 60° incréments.

Diverses formes d'onde peuvent entraîner des moteurs à réluctance variable (figure ci-dessous). Wave Drive (a) est simple, ne nécessitant qu'un commutateur unipolaire asymétrique. C'est celui qui ne bascule que dans un sens. Plus de couple est fourni par l'entraînement bipolaire (b) mais nécessite un interrupteur bipolaire.

Le conducteur de puissance doit tirer alternativement haut et bas. Les formes d'onde (a et b) sont applicables à la version moteur pas à pas du moteur à réluctance variable. Pour un fonctionnement fluide et sans vibration, l'approximation en 6 étapes d'une onde sinusoïdale (c) est souhaitable et facile à générer.

La commande d'onde sinusoïdale (d) peut être générée par un modulateur de largeur d'impulsion (PWM) ou tirée de la ligne électrique.

Formes d'onde d'entraînement du moteur à réluctance variable :(a) entraînement d'onde unipolaire, (b) onde complète bipolaire (c) onde sinusoïdale (d) bipolaire à 6 étapes

Doubler le nombre de pôles du stator diminue la vitesse de rotation et augmente le couple. Cela pourrait éliminer un entraînement de réduction de vitesse. Un moteur à réluctance variable destiné à se déplacer par étapes discrètes, à s'arrêter et à démarrer est un moteur pas à pas à réluctance variable.

Si l'objectif est une rotation douce, il existe une version à commande électronique du moteur à réluctance commutée. Les moteurs pas à pas à réluctance variable utilisent en fait des rotors comme ceux de la figure ci-dessous.

Moteur à réluctance variable à entraînement électronique

Les moteurs à réluctance variable sont peu performants lorsque la ligne électrique directe est entraînée. Cependant, les microprocesseurs et l'entraînement à semi-conducteurs font de ce moteur une solution économique hautes performances dans certaines applications à haut volume.

Bien que difficile à contrôler, ce moteur est facile à faire tourner. La commutation séquentielle des bobines de champ crée un champ magnétique rotatif qui entraîne avec lui le rotor de forme irrégulière tout en cherchant le chemin de réluctance magnétique le plus bas.

La relation entre le couple et le courant statorique est hautement non linéaire—difficile à contrôler.

Moteur électronique à réluctance variable

Un moteur à réluctance variable à entraînement électronique (figure ci-dessous) ressemble à un moteur à courant continu sans balai sans rotor à aimant permanent. Cela rend le moteur simple et peu coûteux. Cependant, cela est compensé par le coût de la commande électronique, qui n'est pas aussi simple que celle d'un moteur à courant continu sans balai.

Alors que le moteur à réluctance variable est simple, encore plus qu'un moteur à induction, il est difficile à contrôler. La commande électronique résout ce problème et permet de piloter le moteur bien au-dessus et en dessous de la fréquence de la ligne électrique. Un moteur à réluctance variable entraîné par un servo , un système de rétroaction électronique, contrôle le couple et la vitesse, minimisant le couple d'ondulation.

Moteur électronique à réluctance variable

C'est l'opposé du couple d'ondulation élevé souhaité dans les moteurs pas à pas. Plutôt qu'un moteur pas à pas, un moteur à réluctance variable est optimisé pour une rotation continue à grande vitesse avec un couple d'ondulation minimum.

Il est nécessaire de mesurer la position du rotor avec un capteur de position rotatif tel qu'un encodeur optique ou magnétique, ou de le dériver de la surveillance de la force contre-électromotrice du stator. Un microprocesseur effectue des calculs complexes pour commuter les enroulements au bon moment avec des dispositifs à semi-conducteurs.

Cela doit être fait avec précision pour minimiser le bruit audible et le couple d'ondulation. Pour un couple d'ondulation le plus faible, le courant d'enroulement doit être surveillé et contrôlé.

Les exigences strictes en matière d'entraînement rendent ce moteur uniquement pratique pour les applications à haut volume telles que les moteurs d'aspirateur, les moteurs de ventilateur ou les moteurs de pompe écoénergétiques. L'un de ces aspirateurs utilise un moteur de ventilateur compact à haute efficacité à entraînement électronique de 100 000 tr/min.

La simplicité du moteur compense le coût de l'électronique d'entraînement. Pas de balais, pas de collecteur, pas d'enroulements de rotor, pas d'aimants permanents, simplifie la fabrication du moteur.

L'efficacité de ce moteur à entraînement électronique peut être élevée. Mais, cela nécessite une optimisation considérable, en utilisant des techniques de conception spécialisées, ce qui ne se justifie que pour de gros volumes de fabrication.

Avantages

• Construction simple :pas de balais, de collecteur ou d'aimants permanents, pas de cuivre ou d'aluminium dans le rotor.
• Rendement et fiabilité élevés par rapport aux moteurs AC ou DC conventionnels.
• Couple de démarrage élevé.
• Économique par rapport au moteur à courant continu sans balai dans les grands volumes.
• Adaptable à très haute température ambiante.
• Un contrôle de vitesse précis et peu coûteux est possible si le volume est suffisamment élevé.

Inconvénients

• Le courant par rapport au couple est hautement non linéaire
• La commutation de phase doit être précise pour minimiser le couple d'ondulation
• Le courant de phase doit être contrôlé pour minimiser le couple d'ondulation
• Bruit acoustique et électrique
• Ne s'applique pas aux faibles volumes en raison de problèmes de contrôle complexes