Roulements à bille et fabrication des brushless

Depuis le premier moteur électrique inventé au 19e qui ressemblait à une tige tournant à l’intérieur d’un bobinage bipole, les brushless sont apparus. En 1962. L’arrivée de l’électronique permit de remplacer le couple balai / collecteur par un système électronique : le contrôleur. Un autre bond technologique fut effectué en 1980 grâce à l’apparition des aimants permanents.

Les roulements et parties mécaniques sont aussi des éléments primordiaux. Accorde t-on assez d’importance à tous les matériaux d’un moteur par exemple ?

Voici une vidéo élaborée par Graupner. Avoir le bon goût de fabriquer soi même ses moteurs est l’apanage des plus grands fabricants. Cette vidéo est une initiative plus pédagogique que commerciale, je la partage donc dans ce sens.

La fabricant allemand propose d’ailleurs une très large gamme de moteurs, ici.

 

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De nos jours

Qu’importe la marque, un moteur triphasé est toujours fabriqué de la même manière. Seules les formes, les dimensions et le bobinage (nombre de pôles ) changent. Varie également la qualité des matériaux qui supportent plus ou moins bien la montée en température. C’est à cela, entre autres, qu’on différencie un bon moteur d’un moins bon.

Un moteur de qualité résistera à des températures plus élevées qu’un moteur de moyenne gamme. Or, il faut éviter que les aimants chauffent afin qu’ils ne se démagnétisent pas. Le bobinage lui aussi craint la chaleur. Et pour un bon rendement, c’est idem. Le moteur doit rester sous une certaine limite de température. Sinon il surconsommera.

Vient ensuite le problème de la résistance des éléments mécaniques. Ils encaisseront un nombre de tour minute maximum au delà duquel l’huile qui lubrifie les roulements va cramer ( Plus d’info sur les brushless ici et ici, dans la série des Tout, vous saurez tout sur les multis. où je reprends tous les éléments d’un multirotor ).

Justement, voici un point sur un composant essentiel du moteur. On insiste pas assez sur leur importance.

Car depuis l’air mode, les roulements sont encore plus stratégiques. Puisque les hélices vont davantage être en autorotation. Meilleurs seront les roulements, plus longtemps l’hélice tournera sur elle même. La moindre résistance à l’élan occasionne un effet anticouple ( Brad Pitt aussi ).

Je vais d’ailleurs bientôt vous concoctez un article sur les

Roulements à bille

Du roulement classique, ici comme le 608 ZZ au plus haut de gamme voyons déjà à quoi correspond la dénomination : 

  • Le 6 correspond à la distance en mm entre les faces externes des deux anneaux métalliques du roulement.
  • Le 8 correspond au diamètre intérieur (alésage) du plus petit anneau du roulement.
  • Les lettres correspondent à la qualité des flasques (membranes de protection) des roulements. Z une membrane, ZZ deux membranes

Si je ne dis pas d’anerie, les roulements utilisés dans nos brushless sont de type : une rangée de billes à gorge profonde ( oui oui, je sais.. ). Vous trouverez chez SNK beaucoup de roulements d’excellente qualités. Voici leur catalogue.  

Rien ne vous empêche de changer vos roulements si vous trouvez la bonne dimension. Sur un skate cela fait une grosse différence, alors pourquoi pas sur un quad ?

ABEC (  Annular Bearing Engineering Council. ) Cet acronyme désigne la sphéricité des billes, validée par le haut conseil des roulements. Plus le chiffre est haut, mieux c’est. Il vaut pourtant mieux se fier à la norme ISO :

roul

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Fabrication d’un moteur triphasé

Voici un petit extrait de l’article suscité et qui traite du fonctionnement des moteurs et ESC, en lien avec la vidéo sur la fabrication :

( …) La Fréquence

Le PWM ca vous parle ? Si vous aller à une soirée PWM, vous allez pulser et moduler votre corps. Je crois ne pas dire de bêtise en affirmant que la fréquence joue sur la réactivité du moteur mais pas sur la puissance.

Un signal PWM est défini par son rapport cyclique (le temps au niveau haut par rapport à la période totale) mais aussi par sa fréquence ( source )

Il y a deux types de fréquences, en quelques sortes interconnectées.

  1. La fréquence à laquelle le processeur et l’ESC communiquent ( 50 pour les anciens ou  400 Hhz sur les plus récents ). Sur un multi, elle est très importante car elle définit le nombre de fois que le moteur peut recevoir d’ordres en un temps donné. Elle joue donc sur la réactivité du vol. ( voir vidéo )
  2. La fréquence de hachage qui sert à moduler la puissance du moteur.,

Attention ! Nous sommes dans un domaine compliqué. Il se peut que ces infos soient incomplètes ou mal expliquées par moi. Prière de me le signaler et je corrige aussitôt. Mais qui ne tente rien…

1000 à 2000 µs, très vite en somme : cette unité vous est familière. Je le sais, je le sens…
Quand vous calibrez vos ESC ou quand la naze vous demande le min throttle, c’est de ça qu’il s’agit. Cette fréquence est gérée par l’ESC. Ce dernier effectue en outre plusieurs opérations :

  1. Avant tout il doit savoir où est le pôle. Où en est la rotation / position du champs magnétique si vous préférez.
  2. Puis il doit lancer le processus selon le réglage du timing. Je vulgarise un peu mais c’est ça.
  3. Enfin, il recommence.

Un ESC doit donc être super rapide et vachement observateur.

Cela fait trois phases. En fait, ( le rotor la cage tournante ) passe son temps à courir après le champs magnétique. Il ne le rattrape jamais vraiment puisqu’ils courent à une vitesse identique. Le timing joue sur la distance entre les deux coureurs et la fréquence sur le nombre de foulées. ( comparaison avec deux coureurs humains qui se poursuivent ).

L’aimant permanent du rotor cherche à s’orienter dans le sens du champs ( Nord Sud ). Pour que le moteur brushless tourne, les tensions d’alimentation doivent être orientées pour que le champ soit décalé  » d’un cran  » sur la position du rotor, et ainsi créer le couple. Le réglage de ce décalage, c ‘est le timing.

normal

Vous avez vu que sur les ESC ou sur la notice le taux de rafraîchissement est indiqué. Le temps passant et le matériel évoluant ce taux augmente.

Puis un nouveau protocole est venu bousculer un peu les choses. Serait-ce le Oneshot 125 ? (…) 

Reprenons

Tous ces paramètres comme les matériaux ou la solidité de la cage tournante sont à prendre en compte au moment de la conception. Et, bien sûr, de la fabrication. Certains bobinages sont faits à la main. Dans la vidéo qui suit vous verrez des moteurs multipôles. Bobinés à la main avec un compteur pour que le technicien ne se trompe pas dans le nombre de tours.

Les dénominations numéraires utilisées par Graupner pour ses moteurs ne correspondent pas à celles dont nous avons l’habitude. Ne me demandez pas à quoi correspondent ces numéros, ni même ceux comme 2204 ou 1806… Je n’en ai pas la moindre idéé. Si vous le savez, je serai ravi de l’apprendre.

Mon moment préféré : vers 0.51 mn vous verrez le technicien faire cuire les brushless. Pour une recette réussie et un moteur croustillant, ne dépassez pas les 30 secondes de cuisson !

 

Les moteurs brushless de Graupner équipent de nombreux drones, mais aussi des avions, des hélicoptères et des bateaux; voici comment ils sont fabriqués…

Publiée par Franck Masselaert sur Lundi 18 janvier 2016

 

Cette vidéo met en valeur les principales étapes de fabrication du constructeur allemand mais elles ne diffèrent pas beaucoup d’une marque à l’autre.

Sources : 

Skate Story : le site

SNK : le site

Graupner  : le site 

22 commentaires Ajoutez les votres
  1. Super, on avance dans les moteurs et hélices Fred grâce à ton savoir, merci 🙂
    Mais j’aimerai savoir à quoi correspond aussi :

    2204 ou 1806 le Kv c’est claire mais 2204 par exemple à quoi cela correspond tout comme pour un autre exemple le 1806, comme ce sont des taille courantes, merci.

    1. Ce sont les dimensions du stator du moteur: c’est le cylindre (à l’intérieur de la coque du moteur) sur lequel est enroulé le câble de cuivre. Les deux premiers chiffres donnent le diamètre, les deux derniers la hauteurs.
      Donc un 1806 a un stator de 18mm de diamètre par 06mm de hauteur.

      1. Merci Julien pour ton intervention car avec Fred on chercher cette info de puis longtemps surtout moi !
        J’ai pris un pied a coulisse et mesuré un moteur 1806 sans jamais trouver d’ou cela venait, idem pour un 2204, maintenant je comprends mieux pourquoi.

        J’ai une autre question bête :

        Pour avoir les dimensions d’un moteur lors de l’achat ces références 1806 par exemple ou 2204 ne correspondent donc à rien avec la taille, les dimensions plutôt.
        Cela donne juste des infos sur le stator.
        Mais en rien la taille.
        Comment fait on ?

        Mais aussi pourquoi les moteurs sont exprimé ainsi ( par taille du stator) ?

      2. Pas de problème, content que cela ait aidé !

        Le 1806 donne au final un ordre d’idée de la taille, mais oui du coup ça ne correspond pas aux dimensions réelles de la coque. Pour les trouver le ‘plus simple’ c’est de chercher la fiche technique du moteur avec toute ses dimensions, en tapant « 2204 xnova 2300kv » sur google par exemple.

        Après c’est vrai qu’on donne rarement les dimensions de la coque parce qu’au final ça ne sert pas: les moteurs ont toujours largement assez de place autour d’eux pour qu’on puisse les poser. On a plutôt tendance à donner l’espacement entre les vis et le type de vis qu’on va utiliser pour les fixer.

        A l’inverse les 1806, 2204, 2206… donnent tout comme le kV des informations importantes sur le type d’utilisation que l’on peut faire de ce moteur, tout en donnant un aperçu de sa taille. (et puis en plus c’est compact comme notation!)
        Si on donnait les dimensions de la coque on aurait pas directement accès aux capacités du moteur, seulement aux caractéristiques de son enveloppe, ce qui est moins intéressant, et surtout on se retrouverait avec des (18,43mmx6.7mm) au lieu d’un 1806 qui permet de plus rapidement comparer des modèles de moteur.

        J’espère que t’auras plus besoin de pied à coulisse du coup 😉

      3. Merci encore pour tes explications, comme tu le dis pas besoin de pied à coulisse, il faut aller voir la fiche technique du moteur. C’est vrai que cela ne ressemble en rien à quelque chose de pratique. je comprends d’ailleurs mieux que tout le monde et perdu la dedans…

    2. Ce sont les dimensions du stator du moteur: c’est le cylindre (à l’intérieur de la coque du moteur) sur lequel est enroulé le câble de cuivre. Les deux premiers chiffres donnent le diamètre, les deux derniers la hauteur.
      Donc un 1806 a un stator de 18mm de diamètre par 06mm de hauteur.
      Un 2204 a un stator de 22mm de diamètre par 04mm de hauteur, il a donc un plus grand volume que le 1806.
      http://static.rcgroups.net/forums/attachments/3/8/9/3/4/2/a6849262-122-rctimer-1806-2300_vs_rcx-1804-2400kv-001.jpg
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      Avec ça tu devrait pouvoir les reconnaitres maintenant 😉

      Ainsi avec ces dimensions le volume du moteur et la surface exposé à l’air changent. En résulte que les plus gros moteurs (2206, puis 2204) peuvent encaisser de plus grosses variations temporaires de températures (plus de volume donc plus de matière à chauffer, le moteur met donc du temps à chauffer) et sont aussi mieux refroidis (plus de surface exposé au vent comparé à un 1806).

      Ainsi, ils supportent mieux la chaleur, et peuvent donc fournir des couples plus importants (car quand le moteur force, il a tendance a chauffer) donc on les utilisent généralement avec des hélices plus grandes. De plus, vu qu’ils sont mieux refroidis ils ont un meilleur rendement.
      En contrepartie ces moteurs sont plus cher et plus lourd.

      1. Ca par contre je savais mais les gens ont tendance à se fier surtout au kv. Ce qui n est pas tout à fait exact pour determiner le couple. N est ce pas ?

      2. Alors oui. De ce que j’ai lu, et sauf erreur, le couple dépend du kV dans le sens ou plus le kV est grand, plus le couple diminue, donc moins on peut faire tourner de grandes hélices. Car de grandes hélices impliquent une grande inertie donc le moteur devra « forcer » plus pour les mettre en rotation: il a besoin d’un grand couple.

        Et c’est quand le moteur fourni un couple important qu’il chauffe et risque de perdre l’aimantation de ses aimants. Ainsi si le moteur dépasse les 60 ou 80°C (suivant la qualité du moteur), il perdra ses aimants. C’est donc pour ça que les dimensions du moteur jouent également sur le couple qu’il peut fournir. Plus il est grand, plus il est refroidi et peut encaisser de courtes montées en températures, plus il peut encaisser de grands couples!

      3. Ahh cool.
        Je comprend enfin le but.
        Donc si j’ai des 1806 24kv je prend des hélices 5″
        Par contre avec 2206 23kv je pourrais même prendre 7″ ou 8″
        Et avec un 2206 15kv je pourrais prendre du 9 ou 10″

        Les chiffre sont donné au pif mais la logique est bonne ?

      4. Merci pour ces explications ! Et en passant, merci à Fred pour cet article et les autres ! C’est pas ce genres de précisions techniques qu’on améliore notre compréhension globale du sujet.

  2. Il y a quelque erreur sur ton article. Celle qui m’a le plus choqué c’est celle où tu dis que le rotor cours après le champs magnétique. C’est faux pour un moteur brushless. Le moteur brushless est un moteur synchrones, le rotor suis le champs magnétique, c’est dans le moteur asynchrones que le rotor suit le champs magnétique sans le rattraper. Je fais un point un peu plus clair ce soir sur l’ordinateur. Le smartphone c’est pas pratique.

    1. tu veux dire que L’aimant permanent du rotor cherche à s’orienter dans le sens du champs ( Nord Sud ). Pour que le moteur brushless tourne les tensions d’alimentation doivent être orientées pour que le champ soit décalé  » d’un cran  » sur la position du rotor, et ainsi créer le couple. Le réglage de ce décalage, c ‘est le timing.

  3. Petite remarque lorsque tu dis que graupner fabrique ses propres moteur…. c’est l’autocollant mal collé sur la machine chinoise ou le polo qu’il a enfilé pour la vidéo qui te fait dire ça ? 🙂

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