Moteur brushless : principe, capteurs Hall et électronique de commande

Un moteur brushless est un moteur sans balais : il n’a ni balais ni collecteur, et c’est l’électronique de commande qui inverse le courant dans les bobinages au bon moment. Au fond, c’est un moteur synchrone à aimants permanents, avec des aimants sur le rotor et un stator bobiné. Sans variateur adapté, il ne tourne pas.

Sans balais : la commutation se fait par l’électronique, pas par un collecteur

Dans un moteur à courant continu classique, des balais frottent sur un collecteur et inversent le courant dans le rotor à chaque demi-tour. Le moteur brushless supprime ce contact mécanique. La commutation, c’est-à-dire le choix de la phase du stator à alimenter à un instant donné, est confiée à un circuit électronique. Le nom anglais dit la même chose : « brush » désigne le balai, « less » son absence.

Cette électronique a donc un travail précis : savoir où se trouve le rotor, puis alimenter les bonnes bobines pour l’entraîner. Les deux sections qui suivent détaillent d’abord ce qu’est le moteur, puis comment il se repère.

Un moteur synchrone à aimants permanents : rotor à aimants, stator bobiné

Le rotor porte des aimants permanents. Le stator, lui, porte les bobinages que l’électronique alimente tour à tour pour créer un champ qui entraîne le rotor. C’est exactement l’architecture d’un moteur synchrone à aimants permanents, et un moteur brushless de type BLDC en est un cas particulier. Pour situer cette famille parmi les autres machines, la page moteur synchrone ou asynchrone pose les différences de principe. Pour l’autre grande famille de moteurs alimentés en triphasé, voyez le moteur asynchrone triphasé.

Détecter la position du rotor : capteurs à effet Hall ou commutation sans capteur

Pour commuter au bon moment, l’électronique doit connaître la position du rotor. Deux méthodes existent.

La première utilise des capteurs à effet Hall placés dans le stator. Ils détectent le passage des pôles magnétiques du rotor. Comme il y a trois capteurs, la combinaison de leurs trois signaux donne directement la séquence de commutation à appliquer. Selon le fabricant, ces capteurs sont décalés de 60° ou de 120°. Les capteurs Hall conviennent aux moteurs à faible nombre de pôles, donc à grande vitesse et à faible couple.

La seconde méthode se passe de capteur. L’électronique déduit alors la position du rotor de la force contre-électromotrice qui apparaît dans les phases qui ne sont pas alimentées à cet instant.

La séquence complète, avec capteurs Hall, se lit ainsi :

Commande trapézoïdale (BLDC) et commande sinusoïdale (BLAC)

Deux modes de commande se rencontrent. En commande trapézoïdale, dite BLDC, deux phases sur trois sont alimentées à chaque instant. L’électronique reste relativement simple. En commande sinusoïdale, dite BLAC (le moteur est alors appelé PMSM), les courants suivent une forme sinusoïdale : le couple est plus précis, au prix d’une électronique plus complexe.

Les deux termes BLDC et PMSM sont voisins mais ne décrivent pas la même commande. La frontière exacte entre BLDC, PMSM et servomoteur varie selon les constructeurs , et elle n’est pas tranchée ici.

Comparé au moteur à courant continu à balais

Le moteur à balais commute mécaniquement, par frottement des balais sur le collecteur. Le brushless commute électroniquement : il n’y a donc pas d’usure de collecteur. En contrepartie, il ne peut pas être alimenté « tel quel » : là où un moteur à balais tourne dès qu’il reçoit une tension continue, le brushless exige son électronique. Pour le fonctionnement du moteur à balais, voyez la page moteur à courant continu. Cette absence d’usure du collecteur ne vaut pas promesse de durée de vie : le moteur reste soumis à ses autres organes.

Sans variateur adapté, il ne tourne pas

Un moteur brushless ne se branche pas directement sur le réseau. Il fonctionne uniquement avec un variateur compatible, exception faite des moteurs à aimants dits « line-start », conçus pour démarrer sur le réseau. Brancher un brushless ordinaire sur le secteur ne le fait pas tourner. Pour replacer ce point dans l’ensemble des moteurs, le principe général est décrit dans qu’est-ce qu’un moteur électrique, et l’intérêt de ces machines dans pourquoi utiliser un moteur électrique.

Usages : à préciser avec le constructeur

Les usages précis du moteur brushless dépendent du modèle : la documentation du constructeur les précise.