comment utiliser un moteur à courant continu comme générateur : applications pratiques, sélection, performances

Quelque part dans un tiroir se trouve un petit moteur à courant continu en attente de travail, sauvé d'un jouet cassé, d'un éventail ou d'une vieille imprimante. Vous avez lu qu'il peut également fonctionner à rebours en tant que générateur, et vous voulez maintenant savoir si cela est vraiment vrai et comment le faire correctement.

Réponse courte : oui, et il n’y a aucune astuce. Un moteur à courant continu à aimant permanent et un générateur à courant continu à aimant permanent sont la même machine, décrite uniquement par des extrémités opposées. Nous construisons des micro-moteurs à courant continu à Yuyao depuis 1988, et la question du générateur revient constamment, des étudiants câblant une petite éolienne aux ingénieurs ajoutant une option de chargement à manivelle. Voici ce qui compte réellement.

Pourquoi un moteur à courant continu peut être utilisé comme générateur

La conversion d'énergie à l'intérieur d'une machine à courant continu est symétrique. Poussez le courant à travers une bobine située dans un champ magnétique et la bobine est poussée latéralement, de sorte que le rotor tourne. Tournez plutôt ce même rotor et la bobine balaie le champ, le flux magnétique qui la relie change et une tension apparaît aux bornes. C'est la loi de Faraday sur l'induction qui fait exactement ce qu'elle fait dans chaque générateur jamais construit.

Ce qui rend un moteur à courant continu à balais si pratique, c'est son collecteur. A l'intérieur de l'induit la tension induite est alternative, car chaque bobine passe sous un pôle nord puis un pôle sud. Le commutateur échange la connexion avec le monde extérieur précisément au bon moment, de sorte que les deux bornes conservent une polarité fixe. Il s'agit d'un redresseur mécanique, et c'est la raison pour laquelle un moteur à balais vous fournit du courant continu sans un seul composant électronique.

Ce qui est intéressant, c'est qu'un numéro fait deux tâches. La constante de tension qui vous indique la vitesse à laquelle un moteur tourne par volt vous indique également la quantité de tension qu'il produit par tour. Un moteur évalué à 12 V et 6 000 tr/min à vide générera environ 12 V lorsqu'un autre moteur le fera tourner jusqu'à 6 000 tr/min.

Brossé ou sans balais : ce qui sort des fils

Les deux familles peuvent produire, mais elles vous fournissent une électricité différente, et cette différence détermine la quantité de travail que le reste de votre circuit doit effectuer.

Les moteurs à courant continu à balais fournissent du courant continu

Faites tourner l'arbre et le courant continu apparaît aux bornes, avec une ondulation au-dessus de la commutation. Deux fils, rien d'autre n'est requis, et un multimètre affiche immédiatement une lecture.

Les moteurs CC sans balais fournissent un courant alternatif triphasé

Dans un moteur sans balais, les enroulements se trouvent dans le stator et les aimants tournent, donc la rotation de l'arbre induit une tension triphasée sur les fils du stator, trapézoïdale dans un BLDC typique et sinusoïdale dans un PMSM. Rien ne le corrige mécaniquement, vous avez donc besoin d'un pont triphasé plus un condensateur de lissage, ou d'un contrôleur prenant en charge le redressement actif, avant que cette énergie puisse charger une batterie.

Transformer un moteur en générateur, étape par étape

La plupart des gens commencent avec n’importe quel moteur déjà sur le banc, et c’est une très bonne approche. Les petits moteurs à balais utilisés dans les jouets et les appareils portatifs sont le choix classique pour une première expérience d'éolienne ou de manivelle, car ils contiennent des aimants permanents et produisent une tension lisible à seulement quelques centaines de tr/min.

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1. Commencez avec la bonne machine. Il doit avoir des aimants permanents. Un moteur à aimant permanent brossé provenant d'un jouet, d'un ventilateur ou d'une imprimante est admissible, tout comme un moteur sans balais. Les machines à induction et à champ enroulé ne fonctionnent pas de la même manière.
2. Débranchez l'électronique. Si le moteur est livré avec une carte pilote, un contrôleur de vitesse ou une batterie, isolez-le. Vous voulez les bornes du moteur brut.
3. Accouplez l’arbre à un moteur principal. Une manivelle, une hélice, une roue hydraulique ou une turbine feront l'affaire, à condition qu'elles fassent tourner l'arbre de manière constante.
4. Mesurez la tension en circuit ouvert. Réglez un multimètre sur les volts CC pour un moteur avec balais et sur les volts CA pour un moteur sans balais, puis faites tourner à la main et regardez la lecture suivre votre vitesse.
5. Notez les volts par tr/min. Faites tourner à une vitesse connue, enregistrez la tension et vous obtenez la constante dont vous avez besoin pour dimensionner tout le reste.
6. Rectifier si nécessaire. Pont triphasé et condensateur pour moteur brushless ; un condensateur aux bornes est généralement suffisant pour un condensateur à balais, plus une diode de blocage si vous alimentez une batterie.
7. Ajoutez une charge et mesurez à nouveau. Attendez-vous à ce que la tension baisse, car le courant circulant à travers la résistance de l'enroulement vous coûte toujours des volts.
8. Surveillez la chaleur et les arcs de brosse. Si le moteur chauffe, vous consommez plus de courant qu’il ne peut en émettre.

Quelle quantité de tension et de puissance pouvez-vous obtenir de manière réaliste ?

La tension évolue avec la vitesse de manière presque linéaire, ce qui facilite le calcul. Divisez la tension nominale par la vitesse à vide et vous obtenez la constante du générateur. Pour un micromoteur typique qui atterrit constamment entre un et trois volts par millier de tr/min, c'est pourquoi une manivelle paresseuse produit un volt ou deux tandis qu'une turbine tournant à quelques milliers de tr/min peut atteindre la tension nominale du moteur.

La tension en circuit ouvert est le nombre optimiste. Dès que le courant circule, la tension aux bornes chute du courant multiplié par la résistance de l'enroulement. Sur un petit moteur, la résistance d'induit peut être de quelques ohms, donc tirer un ampère peut vous coûter plusieurs volts. Mesurez à nouveau avec la charge connectée ; c'est le chiffre que votre circuit voit réellement.

La puissance suit le couple. Le courant délivré par un générateur est proportionnel au couple appliqué à l'arbre, donc un moteur principal faible à basse vitesse vous donne une tension avec presque aucun courant derrière lui. À titre indicatif, un petit moteur à balais entraîné à une fraction décente de sa vitesse nominale restitue entre la moitié et les trois quarts de la puissance mécanique que vous fournissez, la résistance d'enroulement, la chute des balais, la friction des roulements et les pertes de fer prenant le reste.

Choisir un moteur pour le service générateur

Si vous choisissez un moteur spécifiquement à générer, regardez au-delà du numéro sur l’étiquette et vérifiez plutôt quelques caractéristiques.

• Aimants permanents, sans exception. Les aimants en ferrite ou en terres rares vous fournissent gratuitement le champ d'excitation, ce qui rend la génération possible dans une machine aussi petite.
• Faible résistance d'enroulement, donc moins de votre apport mécanique se transforme en chaleur dans le cuivre.
• Faible courant à vide et crémaillère douce, car les armatures lisses commencent à tourner avec moins d'effort lorsqu'une légère brise ou une manivelle est votre moteur principal.
• Un indice de vitesse adapté à votre conduite. Étant donné que la tension augmente avec le régime, un moteur plus rapide a besoin de moins de tours pour atteindre une sortie utile.
• Une boîte de vitesses, utilisée à bon escient. En fonctionnement normal, un motoréducteur échange la vitesse contre le couple ; en génération, vous pouvez le faire fonctionner dans l'autre sens, en laissant une roue hydraulique lente faire tourner l'arbre du moteur beaucoup plus rapidement, à condition que vous acceptiez la friction et les pertes supplémentaires.

Les moteurs qui tournent facilement et consomment peu de courant à vide ont tendance à constituer les générateurs les plus conviviaux, ce qui explique en partie la raison pour laquelle nous conservons dans notre catalogue des modèles à balais économes en énergie. Ils se comportent de manière prévisible lorsque l'énergie circule dans l'autre sens, et leurs pertes plus faibles laissent une plus grande part de votre effort dans le circuit plutôt que dans les enroulements.

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Des erreurs qui surprennent les gens

• Je m'attends à ce que n'importe quel moteur fonctionne. Un moteur à induction à pôles ombragés ou triphasé ne produira pas de sortie utile sans excitation externe.
• Tourne trop lentement. La tension est proportionnelle à la vitesse, donc une manivelle tranquille ne vous donne presque rien.
• Oublier de rectifier un moteur brushless. Le courant alternatif triphasé injecté dans les bornes de la batterie est un bon moyen d'endommager quelque chose.
• Laisser le contrôleur d'origine connecté. Réalimenter un pilote via son propre étage de sortie se termine rarement bien.
• Ignorer l’usure des brosses. Les balais sont des consommables et leur production continue est plus difficile que l'utilisation occasionnelle d'un moteur.
• Surcharge du moteur principal. Le courant est proportionnel au couple, de sorte qu'un générateur fortement chargé peut faire caler la turbine qui l'entraîne.
• Faire confiance à la tension en circuit ouvert. Ce n'est pas la tension de fonctionnement ; mesurez sous charge avant de concevoir autour d’un nombre.

Là où le moteur en tant que générateur se produit déjà dans de vrais produits

Le freinage régénératif est un moteur en tant que générateur sous forme de production. Lorsqu'un véhicule électrique ralentit, lorsqu'une perceuse sans fil relâche sa gâchette et lorsqu'un bras de robot décélère, le contrôleur laisse la machine agir comme un frein et renvoie l'énergie récupérée dans le pack. En robotique, c'est une routine, et les mêmes articulations qui pilotent le robots industriels nous fournissons des moteurs pour passer une partie de chaque cycle à générer plutôt qu'à consommer.

Des applications comme celle-là nécessitent des moteurs qui tolèrent des milliers de changements de direction sans drame, ce pour quoi les conceptions à balais au fonctionnement fluide de notre gamme de robots sont conçues.

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À plus petite échelle, la production se manifeste sous la forme de lampes de poche et de radios à manivelle, de torches à manivelle, de petites éoliennes, d'installations micro-hydroélectriques, de vélos d'exercice et de récupération d'énergie provenant de portes, de tourniquets et de mécanismes de vente. Aucun d’entre eux n’a besoin d’un générateur spécialement conçu. Ils ont besoin d'un moteur à aimant permanent, d'un rapport de transmission ou d'une correspondance de vitesse raisonnable et d'un redresseur où la sortie doit être en courant continu.

Un dernier mot avant de faire tourner cet arbre

Nous fabriquons des micromoteurs à courant continu depuis 1988, ce qui signifie que nous avons vu un grand nombre d'entre eux se retrouver du côté générateur du circuit, parfois par conception et parfois par accident. Si vous travaillez sur un produit où un moteur doit entraîner et générer, indiquez-nous la tension, la vitesse, le couple et le cycle de service que vous avez en tête et nous vous aiderons à affiner les options, qu'il s'agisse d'un modèle standard avec balais, d'une conception sans balais ou d'un réducteur.

Si vous souhaitez d'abord voir comment ces moteurs se comportent dans des équipements réels, notre aperçu des Applications les plus courantes des moteurs à courant continu à balais est un bon point de départ.