Maintenir les moteurs à courant continu à balais à faible coût

Peu coûteux et faciles à utiliser, les moteurs CC à balais offrent l'équilibre idéal de performances au juste prix dans des secteurs tels que l'automobile, l'aérospatiale, le médical et l'industrie. En conséquence, des milliards sont fabriqués chaque année dans le monde - un chiffre qui devrait augmenter au cours des 10 prochaines années.

Cependant, les exigences croissantes en matière de compatibilité électromagnétique (CEM) ainsi que des environnements électroniques plus encombrés et "bruyants" menacent de bouleverser l'équilibre en faisant grimper le coût de ces solutions bas de gamme à un niveau comparable à celui des alternatives sans balais plus coûteuses.

Le problème est l'interférence électromagnétique (EMI) générée par les balais lorsqu'ils frottent le collecteur - un inconvénient inhérent à la conception. Pour contrer le bruit généré, une combinaison de composants de blindage et de filtrage est nécessaire. Cela augmente non seulement le coût, mais de nombreuses solutions de filtrage EMI/RF pour les moteurs CC à balais sur le marché ne sont pas non plus satisfaisantes pour répondre aux exigences CEM plus élevées d'aujourd'hui.

"De nombreuses solutions de filtrage EMI ne filtrent pas toutes les formes de bruit générées et beaucoup ne peuvent pas gérer des courants continus plus élevés sans une augmentation correspondante des coûts", explique Christophe Cambrelin de Johanson Dielectrics, une société qui fabrique une variété de céramiques multicouches. condensateurs et filtres EMI.

Pour répondre à ces préoccupations, des sociétés telles que Johanson Dielectrics proposent désormais des solutions de filtrage EMI plus avancées qui augmentent légèrement les coûts des moteurs à courant continu à balais, tout en répondant aux exigences CEM en constante évolution.

Lorsque les appareils électroniques reçoivent de fortes ondes électromagnétiques, des courants électriques indésirables peuvent être induits dans le circuit et interférer avec les opérations prévues. Les EMI peuvent même causer des dommages physiques à l'équipement opérationnel.

Le problème est exacerbé par l'augmentation de la fréquence du circuit de fonctionnement, les bruits de fréquences plus élevées qui élargissent la plage de fréquences affectée et la miniaturisation des appareils électroniques qui réduit la distance entre la source et la victime. Si cela ne suffisait pas, de nombreux appareils électroniques sont plus facilement affectés par le bruit, même avec moins d'énergie, en raison des circuits qui fonctionnent aujourd'hui à des tensions plus basses.

En conséquence, des industries telles que le secteur automobile se tournent de plus en plus vers les moteurs à courant continu sans balais. Avec ces moteurs, la commutation se fait électroniquement. Il y a donc nettement moins de génération de bruit (pas de bruit généré par la commutation mécanique), mais la complexité et le coût de mise en œuvre sont augmentés.

Ainsi, s'ils avaient le choix, les équipementiers préféreraient des solutions qui maintiendraient le prix relativement bas des moteurs à courant continu à balais compte tenu des quantités impliquées.

Les interférences EMI/RFI sont rayonnées ou conduites dans une large gamme de fréquences allant de plusieurs centaines de hertz à plusieurs gigahertz. Le bruit rayonné se produit lorsque la tension est appliquée à différents niveaux au câblage. Pour garder les rayonnements confinés dans le carter du moteur, plusieurs précautions doivent être prises par les constructeurs de moteurs à courant continu à balais. Le plus important est le matériau utilisé pour le boîtier du moteur, qui doit être en métal, ainsi qu'un capuchon en métal (pas en plastique) sur le dessus. Lorsque le capot est en plastique, l'utilisateur doit le recouvrir d'un blindage métallique (qui peut être un PCB métallisé).

Lorsque EMI/RFI est conduit, le bruit généré se déplace le long des fils d'alimentation électrique et est ensuite rayonné. Le blindage est inefficace contre les bruits conduits, un filtrage est donc nécessaire avec un appareil séparé.

Les approches traditionnelles de filtrage en mode commun comprennent des filtres passe-bas constitués de condensateurs qui laissent passer des signaux avec une fréquence inférieure à une fréquence de coupure sélectionnée et atténuent les signaux avec des fréquences supérieures à la fréquence de coupure.

Parmi les options pour les OEM figurent un différentiel à deux condensateurs, un condensateur à trois condensateurs (un X-cap et 2 Y-caps), des filtres de traversée, des selfs de mode commun, des filtres LC ou des combinaisons de ceux-ci.

Cependant, pour répondre aux exigences CEM croissantes, les solutions à faible coût telles que les filtres différentiels à deux condensateurs sont insuffisantes car des condensateurs non adaptés génèrent un filtrage différent de chaque ligne, et donc une conversion de mode (c'est-à-dire qu'une partie du bruit de mode commun est transformée en bruit de mode différentiel). , et vice versa). Les filtres traditionnels à trois condensateurs sont adéquats, à condition que les exigences CEM ne concernent que des fréquences relativement basses (c'est-à-dire <150 MHz, comme les radios AM/FM dans l'automobile).

Bien qu'ils offrent de bonnes performances de filtrage, les filtres à trois condensateurs sont généralement inefficaces pour filtrer le bruit dans les bandes de fréquences des télécommunications. D'autres solutions, comme les filtres traversants, offrent une bonne réjection sur une large bande de fréquence, mais deviennent coûteuses lorsque la ligne électrique doit véhiculer un courant de plusieurs Ampères. De plus, les filtres de traversée sont des dispositifs asymétriques et peuvent donc introduire des conversions de mode (comme les filtres à deux capuchons). "Indépendamment du bruit généré, si un courant continu élevé est requis, vous aurez besoin d'un filtre de traversée très grand et coûteux, qui élimine le moteur à courant continu à balais comme solution peu coûteuse", explique Cambrelin. Pour les moteurs à courant continu à balais, une alternative possible au filtre passe-bas est une self de mode commun.

Lorsqu'un signal de mode commun (même courant alternatif) traverse chaque enroulement de la self de mode commun, le champ magnétique provenant de chaque enroulement s'additionne et, par conséquent, l'impédance augmente considérablement. D'autre part, lorsqu'un signal différentiel (courant alternatif opposé) traverse chaque enroulement, le champ magnétique provenant de chaque enroulement se soustrait l'un à l'autre et donc l'impédance diminue considérablement.

C'est pourquoi les selfs de mode commun bloquent le bruit de mode commun, mais laissent passer un signal différentiel. Semblable aux filtres traversants, une bobine d'arrêt commune plus grande et plus chère est nécessaire pour pouvoir transporter un courant significatif (c'est-à-dire plus de 1A rms). Malgré la popularité des bobines d'arrêt en mode commun, une meilleure alternative peut être les filtres EMI monolithiques.

Par rapport aux bobines d'arrêt en mode commun, les filtres EMI monolithiques offrent une suppression RFI nettement supérieure dans un boîtier nettement plus petit. Un filtre EMI monolithique rejette également une bande de fréquences beaucoup plus large et n'est pas affecté par la quantité de courant continu nécessaire car il est monté en shunt (entre les lignes et la «terre»).

Les filtres EMI combinent deux condensateurs shunt équilibrés dans un seul boîtier, avec une annulation d'inductance mutuelle et un effet de blindage. Ces filtres de Johanson Dielectrics utilisent deux voies électriques distinctes dans un seul appareil relié à quatre connexions externes.

Comme les autres filtres EMI, les filtres EMI monolithiques atténuent toute l'énergie au-dessus d'une fréquence de coupure spécifiée, ne sélectionnant que le passage de l'énergie du signal requise tout en détournant les bruits indésirables vers la "masse". La clé, cependant, est la très faible inductance et l'impédance adaptée. Avec les filtres EMI monolithiques, les terminaisons se connectent en interne à une électrode de référence commune (blindage) à l'intérieur du dispositif, et les plaques sont séparées par l'électrode de référence.

Les filtres EMI monolithiques peuvent être efficaces de 50 KHz à 6 GHz et filtrent à la fois le bruit en mode commun et en mode différentiel. Le filtre n'a également pratiquement aucune limite à la quantité de courant continu, car il est conçu pour fonctionner en parallèle avec le moteur et aucun courant continu ne le traverse.

Quel que soit le type de filtre, un facteur souvent négligé est le fait que de nombreux moteurs à courant continu à balais sont contrôlés par un signal modulé en largeur d'impulsion (PWM). Avec le signal PWM, la tension est activée et désactivée à un rythme très rapide entre quelques kilohertz (kHz) et des dizaines de kHz. La puissance totale fournie est basée sur le temps pendant lequel l'interrupteur est allumé par rapport aux périodes d'arrêt. Le signal PWM est particulièrement adapté aux moteurs car la constante de temps d'un moteur est très longue par rapport à la période d'un signal PWM. C'est pourquoi le moteur à courant continu à balais agit comme si la moyenne du signal PWM était appliquée sur les câbles d'alimentation.

"Lorsque vous testez le moteur pour la première fois en laboratoire, le filtre EMI peut bien fonctionner, mais tout change lorsque vous appliquez un signal PWM sur les câbles d'alimentation", explique Cambrelin. "Vous voulez filtrer le bruit, mais pas [involontairement] filtrer le signal PWM. Si vous ne choisissez pas le bon filtre, le moteur peut même ne pas démarrer." Cela peut être un problème pour les utilisateurs qui ne sont pas habitués à développer des filtres LC différentiels.

Avec les filtres EMI monolithiques, il n'y a pas besoin de compétences particulières en filtrage : la réponse du filtre (c'est-à-dire la réjection du bruit de mode commun en fonction de la fréquence) est fournie directement par le fabricant. Cambrelin dit que Johanson Dielectrics travaille également sur une solution intégrée pour les moteurs à courant continu à balais qui permettra de monter le filtre EMI monolithique directement sur le boîtier sans avoir besoin de fabriquer un PCB.

"Les problèmes EMI vont simplement devenir plus problématiques avec les fréquences plus élevées avec les appareils Bluetooth, Wi-Fi et maintenant 5G. Cela signifie que les filtres EMI devront gérer des plages de fréquences plus larges tout en permettant aux signaux appropriés de passer. Cela aide également Les équipementiers respectent les normes réglementaires qui existent dans la plupart des pays et qui limitent la quantité de bruit pouvant être émise."