Bobinage bizarre des Outrunners.


J’avoue avoir halluciné en regardant le nombre de pas rotor/stator des moteurs outrunners.

Un peu comme si on me demandait de renier tout ce que j’ai appris dans le domaine , et que j’ai vu fonctionner avec succès depuis des décennies.

Un moteur synchrone basique est constitué de deux aimants, qui crée un vecteur champ, et de trois bobines stator à 120 ° , qui créent un autre vecteur champ, qui tourne à la vitesse oméga, selon la fréquence d’alimentation.

Puis on a augmenté le nombre de pôles cad :

– deux paires de pôles

4 aimants donc 2 vecteurs champ rotor à 90 °
6 bobines à 60° qui créent le champ stator, qui tourne deux fois moins vite que la fréquence d’alimentation .

– six paires de pôles

12 aimants donc six vecteurs champ décalés de 60 °
18 bobines décalées de 20 ° qui alimentées en triphasé donnent un champ tournant qui tourne six fois moins vite que la fréquence d’alimentation.

En divisant la vitesse par le nombre de paires de pôles, on augmente le couple du moteur, pour la même puissance absorbée à la même fréquence de l’alimentation..

Ca fonctionne comme un réducteur « électrique »

Chaque fois on est restés dans le rapport 2/3 : Deux aimants pour trois bobines.

Les moteurs moyeux ayant un grand diamètre peuvent avoir 72 bobines stator , donc 24 paires de pôles, et devraient avoir 48 aimants..

Les moteurs d’avion plus petits ont généralement un stator avec 12, 15 ou 18 encoches. ce qui correspond à 4, 5 ou 6 paires de pôles, et devraient donc avoir 8, 10 et 12 aimants répartis autour de la cloche du rotor.

Jusque là on reste dans le moteur triphasé traditionnel.

Mais pour les Outrunners on trouve différentes largeurs d’aimants.

L’idéal est que l’aimant choisi recouvre le pôle stator correspondant.

ce qui donnera une fcem sinusoidale.

parce qu ‘en tournant , il y aura une augmentation de flux dans la bobine jusqu ‘au maximum ( quand les deux sont bien en face ) , et qui décroitra pendant la deuxième partie.

Si l’aimant est trop petit on aura une fcem trapézoidale, idem s’il est trop gros.

Si on l’alimente avec un système de tension triphasé sinusoïdal, et si P est le nombre de paires de pôles, on aura P vecteurs champs stator , tournant à la vitesse « oméga », avec une vitesse de rotation uniforme , vecteurs champs stator qui correspondent à P vecteurs champ rotor ( nombre d’aimants = 2 x P , avec 3 X P bobines ).

Chaque vecteur champ du rotor, va s’accrocher à un vecteur champ du stator , et entrainer le rotor, avec une force qui dépend de la valeur de ces champs. Couplage magnétique .

Exactement comme si on faisait tourner un aimant, qui entrainerait un autre aimant placé juste en face : un pole N en face d’un pole Sud.

Dans la réalité , comme on part d’une tension fixe continue fournie par la batterie, on ne dispose pas de source triphasée sinusoïdale. On ne peut jouer que sur le courant dont on peut faire varier la valeur moyenne, avec la largeur et la fréquence des commandes PWM… fréquence très supérieure à la fréquence de rotation du moteur.

Pour reproduire les mêmes effets, qu ‘une alimentation sinusoïdale, on va distribuer les impulsions de courant de façon non uniforme pendant chaque demie période : plus espacées au début et à la fin de la demie alternance et plus concentrées au centre, vers le sommet de la sinusoïde.

Puisque c’est le courant dans les bobines qui crée le champ, le champ dans chaque bobine sera sinusoïdal et en combinant trois bobines à 120 ° (sur le plan électrique ) on créera un vecteur champ tournant de valeur constante, qui tournera à la vitesse correspondant à la fréquence de l’alimentation.

Toutefois, pour obtenir le couple maximum, ces deux champs doivent être parfaitement calés l’un par rapport à l’autre ce qui nécessite un contrôleur plus sophistiqué et ce type de commande s’appelle FOC : Field Oriented Control.

Les contrôleurs des moteurs de modélisme sont beaucoup plus simples.

Ils règlent la valeur du courant de faon uniforme sur la demie alternance de façon à avoir le courant moyen nécessaire pour avoir le couple désiré.

C’est une commande trapézoidale

Si le courant moyen augmente, le couple moteur augmente le rotor accélère, jusqu ‘à ce que les deux couples moteurs et résistant ( résistance de l’hélice qui augmente avec la vitesse de rotation ), et le contrôleur commute les bobines de façon synchrone avec le passage des pôles du rotor devant les bobines..

Mais cette commutation de phases est brutale : le champ stator tourne par saccades.

Quelles sont les conséquences :

Le rotor et ce qu ‘il entraine ont une certaine inertie et la position du rotor ne tourne pas par saccades..

Aussi l’angle entre un vecteur champ du stator et le vecteur champ du rotor varie en permanence.

Le couple qui dépend de l’angle entre ces deux champs ( angle interne « téta » )

illustration

varie en permanence et sa valeur moyenne n’est pas optimale comme dans la commande FOC, qui régule l’angle interne à sa valeur optimale .

Sa valeur moyenne sera proche de rac de 2 / 2 = 0, 707 le couple max théorique, alors qu ‘avec une cde FOC en gardant un peu de marge pour ne pas décrocher on peut atteindre 0, 95 fois le Couple max théorique.

Cette commande dite trapézoïdale et que j’appelle barbare, provoque des oscillations de couple.

illustration

C’est très gênant sur un VAE pour les démarrages en cote, que le couple ne soit pas constant.

A basse vitesse le moteur se comporte comme le pédalier, qui en fonction de sa position ne permet pas au cycliste debout sur les pédales de donner un couple régulier.

illustration

Ça facilite le décrochage du moteur, et entraine des vibrations.

L’autre inconvénient de la commande trapézoïdale est qu ‘elle génère des harmoniques :

Harmoniques qui entrainent également de variations de couple

Et comme ce sont des fréquences multiples de la fréquence de rotation, donc très élevées, elles entrainent plus de pertes fer dans le stator, une autre cause de la baisse de rendement..

Aussi certains ont eu l’idée de faire un moteur boiteux .

Oublions les moteurs qui n’ont qu ‘une dent sur deux équipée de bobines. c’est une facilité de bobinage pour les débutants, on divise par deux le nombre de pas et donc on divise le couple par deux,. bien sur on peut compenser en mettant plus de tours sur les dents bobinées, on est pas génés par la bobine d’à coté, mais mais le flux est moins bien distribué.

..

Avec un moteur 15 bobines on devrait avoir 10 aimants. et à la fréquence maxi du contröleur ( limitée par les capacités de commutation des MosFETs ) , ce moteur tournerait 5 fois moins vite qu ‘un moteur à 3 bobines et 2 aimants.

Dans le modélisme, ils utilisent des hélices, qui doivent tourner à une certaine vitesse et nécessitent plus ou moins de couple moteur..

On aura pas ce problème avec un VAE, car on choisira le réducteur en conséquence.

Puis on se trouve avec un stator de 15 dents et 15 encoches, dans les mains et si les « aviateurs » Ont besoin d’un moteur qui tourne plus vite ou moins vite… Avec la règle des 2/3 on est très limités.

Par exemple pour diviser la vitesse par deux , sur un moteur 12P 15N , il faut rajouter 12 aimants..

Le problème est qu ‘il n ‘y a pas la place : le choix des dimensions d’aimants est assez limité.

Pour multiplier la vitesse par deux, il faut seulement six aimants.. mais il faudrait qu’ils aient le double de largeur pour couvrir le pôle ( deux dents ) et on ne trouve pas toujours..

Autre inconvénient s’ils sont plats, l’entrefer va varier fortement entre les bords et le milieu de la bobine, le flux va diminuer et ce moteur aura moins de couple.

Mettre deux aimants cote à cote NN et PP, ça ne passe pas toujours.

Ils ont osé essayer avec un nombre d’aimants qui ne respecte pas la règle des 2/3

C’est aussi une façon de modifier le Kv , pour adapter tension et courant et vitesse à un modèle d’hélice.

Puisque le champ progresse par saccades, par pas, sur un moteur conventionnel, comme tous les aimants sont bien répartis selon les pôles stator, ils sont tous en mauvaise position angulaire en même temps. On a des variations de couple très importantes, et un faible couple moyen.

Sur un moteur « boiteux », qui ne respecte pas la règle des 2/3, les aimants subissent le même effet du au champ saccadé, ils sont tous plus ou moins mal calés, mais comme ils sont répartis autrement , sur le tas il y en a toujours deux ou trois qui sont bien calés, ce qui atténue les variations de couple.

Mais ce genre de moteur n’est pas apte à la commande FOC , la seule qui permette d’atteindre 90 % du couple théorique maximum.

Dans le vaste choix des moteurs Scorpio, destinés à des hélices et avec des contrôleurs a cde trapézoidale, on trouve très peu de bobinages normaux, qui respectent la règle des 2/3 pour les utiliser en cde sinusoïdale : FOC..

No. of Stator Arms 12 donc douze dents. normalement 4 pôles stator

Magnet Poles 14 donc 7 pôles rotor

illustration

Ainsi le couple global subit des variations de moins grande amplitude.

Confirmé par cette étude.

Mais on arrive jamais au point optimal où tous les aimants seraient bien calés comme dans la commande FOC, vu leur décalage mécanique. Le couple sera bien inférieur à un moteur normal, qui respecte la règle des 2/3, en cde FOC.

Autre bizzarerie , mais on en est plus à ça prêt :

Le nombre de pôles stator avec le nombre d’encoches ( ou de dents ).

dans un moteur normal avec trois dents on fait un pôle stator

avec 15 dents on en ferait 5 , avec 18 on en ferait 6.

Reprenons le même moteur :

No. of Stator Arms 12 donc douze dents. normalement 4 pôles stator

Magnet Poles 14 donc 7 pôles rotor

Motor Wind 15 Turn Delta

Ca tient de la sorcellerie.. de faire 5 poles stator avec un moteur prévu pour 4..

Une astuce pour baisser la vitesse de rotation de ce moteur , abaisser le Kv sans trop augmenter le courant stator.???

C’est le plus faible Kv obtenu dans cette gamme avec le même stator.

Le 330 kv est encore plus bizarre 12 dents 14 bobines

No. of Stator Arms 12
Magnet Poles 10
Motor Wind 14 Turn Delta
Motor Wire 20-Strand 0.25mm
Motor Kv 330 RPM / Volt
No-Load Current (Io) @ 10 v 1.41 Amps
Motor Resistance (Rm) 0.031 Ohms
Max Continuous Current 65 Amps
Max Continuous Power 2400 Watts

Le 380 Kv a le bobinage qui correspond au nombre d’encoches.

No. of Stator Arms 12
Magnet Poles 10
Motor Wind 12 Turn Delta
Motor Wire 22-Strand 0.25mm
Motor Kv 380 RPM / Volt
No-Load Current (Io) @ 10 v 1.52 Amps
Motor Resistance (Rm) 0.025 Ohms
Max Continuous Current 70 Amps
Max Continuous Power 2600 Watts.

N’oublions pas que la petite taille empêche d’augmenter le nombre de pôles.

Montés sur un VAE , la plupart des réducteurs ne sont pas conçus pour plus de 6 000 tr/mn sur l’arbre d’entrée et que des ratios élevés nécessitent plusieurs étages de trains épicycloïdaux et sont donc plus chers, plus encombrants aussi.

il faut un moteur de 6000 tr/mn / 48 V = 125 Kv.

Seul ce moteur 12 N 8P ( à bobiner c’est un kit ) respecte la règle des 2/3

14 encoches = 4 bobines par phases.

http://www.scorpionsystem.com/catalog/bl_motor_kits/hk50_kits_1/HK_5035_Mkit_12N8P/

Caractéristiques de ses aimants :

Temp Rating 200 C (392 F)
Length 36.0 mm
Width 8.5 mm
Thickness 2.3 mm
Inner Curve Diameter 20.4 mm
Outer Curve Diameter 22.85 mm

8 aimants donnent 8 x 8.5 mm = 68 mm sur la circonférence.

Sur un stator de 50 mm de diamètre soit 188.4 mm de circonférence, l’écart serait de 120 mm soit un espace entre les aimants de 15 mm.

On peut doubler les aimants en mettant deux N accolés , suivis de 2S avec un écart par rapport aux deux N voisins. La largeur des aimants serait alors de 17 mm

Soit une circonf d’aimants de 17 x 8 = 136 mm

les aimants seraient espacés de 188.4 – 136 / 8 = 53.4 /8 = 6.67 mm

la largeur d’une dent, plus l’ouverture est de 188.4 /12 = 15.7 mm

le prochain pole stator se trouve à 15. 7 x 3 = 47.1 ou 188.4 / 4 = 47.1

le prochain pole rotor se trouve à 17 + 6.67 = 23. 67 x 2 = 47.3

Une autre possibilité est de mettre des aimants de 7.3 mm de largeur au lieu de 8.5 mm, pour qu ‘il ne couvrent pas plus d’une dent stator..

14.6 mm pour 15.7 au lieu de 17 pour 15.7

l’ espacement serait de 188.4 – (8 X 14.8 ) / 8 = (188.4 – 116.4)/8 = 72 / 8 = 9 mm pour 14.6 d’aimant.

le pas rotor est de 188.4 / 8 = 21.4 mm

taux d’aimant sur le pas rotor :

Avec 2 x 8.5 = 17 => 79 %
Avec 2 x 7.3 = 14.6 => 68 %

le pas stator est de 15.7

Avec 2 x 8.5 = 17 => 108 %
Avec 2 x 7.3 = 14.6 => 93 %

Avec 1 x 8.5 = 8.5 => 54 %

Si l’aimant est trop étroit, pendant le passage de l’aimant sur la surface du pole, il n’y a pas d’augmentation de flux.. on va donc générer une belle FCEM trapézoidale.

idem si l’aimant est trop large.

SpecificationsTemp Rating 200 C (392 F)
Length 35.0 mm
Width 7.2 mm
Thickness 2.3 mm
Inner Curve Diameter 20.35 mm
Outer Curve Diameter 22.85 mm

et on aura un moteur apte à la commande FOC en courant sinusoïdal , moins puissant pour le même encombrement , mais ces moteurs sont surpuissants pour un VAE.

Pour un 4035

où la circonférence stator est de 125.6 mm
et 8 aimants de 8.5 de large = 68 mm
l’espace entre aimants n’est plus que de 57 / 8 = 7 mm au lieu de 15 mm.

Besoin d’un couple de 2 Nm à 6000 tr /mn = soit une puissance de 1250 W ( moteur à fond )
ce qui correspond à 25 A batterie.

Pour avoir la même puissance avec ces moteurs à 6 000 tr/mn on est à 50 A.

Ca vient du couplage en triangle, pour avoir moins de cellules de batterie , quitte à la vider en un quart d’heure lorsqu ‘elle débite dans les 70 A.

28 V 52 A en triangle .49,6 V 30 A

Sur un stator de 40 mm de diam C = 125.6

Scorpion S-4035 12N10P Brushless Motor Kit (8.5mm Magnet)

Circonf des aimants : 85 mm / 125.6

Avec 2 x 8 aimants de 7.3 C = 116.8/125.6

pas stator :

125.6 /12 = 10.4

taux de couverture :

avec 8.5 : 81.7 %

avec 14.6 : 140 % : c’est trop.

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