La constante du moteur est un critère important pour le choix des moteurs à courant continu dans les applications de commande de mouvement. Les moteurs à courant continu à balais et sans balais sont un excellent choix pour les applications exigeant une faible consommation d'énergie ou un rendement élevé.

Bien souvent, la fiche technique d'un moteur ou d'une génératrice à courant continu mentionne la constante moteur Km, qui correspond à la sensibilité au couple divisée par la racine carrée de la résistance de l'enroulement. La plupart des concepteurs considèrent cette propriété intrinsèque du moteur comme un critère de performance ésotérique, utile uniquement au concepteur, et sans intérêt pratique pour le choix d'un moteur à courant continu.

Le coefficient de transfert de charge (Km) peut contribuer à simplifier le processus de sélection d'un moteur à courant continu, car il est généralement indépendant du bobinage pour un moteur donné, quel que soit son boîtier ou sa taille. Même pour les moteurs à courant continu sans fer, où le Km dépend du bobinage (en raison des variations du facteur de remplissage en cuivre), il demeure un outil précieux dans le processus de sélection.

Comme le coefficient Km ne tient pas compte des pertes dans un dispositif électromécanique en toutes circonstances, sa valeur minimale doit être supérieure à la valeur calculée pour compenser ces pertes. Cette méthode constitue également un bon indicateur de réalisme, car elle oblige l'utilisateur à calculer à la fois la puissance d'entrée et la puissance de sortie.

La constante du moteur décrit la nature électromécanique fondamentale d'un moteur ou d'une génératrice. Le choix d'un enroulement approprié est simple une fois déterminé un boîtier ou un châssis suffisamment puissant.

La constante du moteur Km est définie comme suit :

Km = KT/R0,5

Dans une application de moteur à courant continu avec une puissance disponible limitée et un couple requis connu sur l'arbre du moteur, le Km minimum sera défini.

Pour une application moteur donnée, le Km minimum sera de :

Km = T / (PIN – POUT)0,5

L'alimentation du moteur sera positive. PIN correspond simplement au produit du courant et de la tension, en supposant l'absence de déphasage entre eux.

NIP = VXI

La puissance fournie par le moteur sera positive, puisqu'elle fournit une puissance mécanique et qu'elle est simplement le produit de la vitesse de rotation et du couple.

POUT = ω XT

Un exemple de commande de mouvement comprend un mécanisme d'entraînement de type portique. Il utilise un moteur à courant continu sans noyau de 38 mm de diamètre. Il est décidé de doubler la vitesse de rotation sans modifier l'amplificateur. Le point de fonctionnement actuel est de 33,9 mN·m (4,8 oz·po) à 2 000 tr/min (209,44 rad/s) et la puissance d'entrée est de 24 V à 1 A. De plus, aucune augmentation de la taille du moteur n'est acceptable.

Le nouveau point de fonctionnement correspondra à une vitesse deux fois supérieure et au même couple. Le temps d'accélération représente un pourcentage négligeable du temps de déplacement, et la vitesse de rotation est le paramètre critique.

Calcul du km minimum

Km = T / (PIN – POUT)0,5

Km = 33,9 × 10⁻³ Nm / (24 V × 1 A -

418,88 rad/s × 33,9 × 10⁻³ Nm) 0,5

Km = 33,9 × 10⁻³ Nm / (24 W – 14,2 W) 0,5

Km = 10,83 × 10⁻³ Nm/√W

Tenez compte des tolérances de la constante de couple et de la résistance d'enroulement. Par exemple, si la constante de couple et la résistance d'enroulement ont des tolérances de ±12 %, la valeur de Km dans le pire des cas sera :

KMWC = 0,88 KT/√(RX 1,12) = 0,832 km

ou près de 17 % en dessous des valeurs nominales avec un enroulement froid.

L'échauffement des enroulements réduira davantage l'aimantation (Km) car la résistivité du cuivre augmente de près de 0,4 %/°C. De plus, le champ magnétique s'atténue avec la température. Selon le matériau de l'aimant permanent, cette atténuation peut atteindre 20 % pour une augmentation de température de 100 °C. Cette atténuation de 20 % pour une augmentation de température de 100 °C concerne les aimants en ferrite. L'atténuation est de 11 % pour les aimants en néodyme-bore-fer et d'environ 4 % pour les aimants en samarium-cobalt.

Il est intéressant de noter que, pour une même puissance mécanique d'entrée, si l'objectif est un rendement de 88 %, le couple minimal Km passerait de 1,863 Nm/√W à 2,406 Nm/√W. Cela équivaut à une résistance d'enroulement identique, mais avec une constante de couple supérieure de 29 %. Plus le rendement souhaité est élevé, plus le couple Km requis est important.

Si, dans le cas d'une application moteur, le courant maximal disponible et la charge de couple maximale sont connus, calculez la constante de couple minimale acceptable en utilisant

KT = T/I

Après avoir sélectionné une famille de moteurs avec un Km suffisant, choisissez un enroulement dont la constante de couple dépasse légèrement le minimum. Ensuite, vérifiez si cet enroulement fonctionnera de manière satisfaisante, quelles que soient les tolérances et les contraintes d'application.

Il est clair que, pour les moteurs sensibles à la puissance et les générateurs exigeant un rendement élevé, le choix d'un moteur ou d'un générateur peut s'avérer plus rapide si l'on détermine d'abord le Km minimal. L'étape suivante consiste à sélectionner un enroulement adapté et à s'assurer que tous les paramètres d'application et les limitations du moteur/générateur sont acceptables, y compris les tolérances d'enroulement.

En raison des tolérances de fabrication, des effets thermiques et des pertes internes, il est toujours conseillé de choisir un Km légèrement supérieur aux exigences de l'application. Une certaine marge de manœuvre est nécessaire, car le nombre de configurations d'enroulement possibles est limité en pratique. Plus le Km est élevé, plus il est facile de satisfaire aux exigences d'une application donnée.

En général, des rendements pratiques supérieurs à 90 % sont pratiquement inatteignables. Les moteurs et générateurs de grande taille présentent des pertes mécaniques plus importantes, dues aux roulements, à la ventilation et aux pertes électromécaniques telles que l'hystérésis et les courants de Foucault. Les moteurs à balais subissent également des pertes liées au système de commutation mécanique. Dans le cas de la commutation par métaux précieux, courante pour les moteurs sans noyau, les pertes peuvent être extrêmement faibles, inférieures aux pertes dues aux roulements.

Les moteurs et générateurs à courant continu sans fer présentent des pertes par hystérésis et par courants de Foucault quasi nulles dans leur version à balais. Dans les versions sans balais, ces pertes, bien que faibles, existent. Cela s'explique par la rotation de l'aimant par rapport au noyau magnétique du circuit magnétique, ce qui induit des pertes par courants de Foucault et par hystérésis. Il existe cependant des versions sans balais où l'aimant et le noyau magnétique se déplacent de concert. Dans ces cas, les pertes sont généralement faibles.