Sur la température des brushless

Aujourd'hui ça chauffe!

Je profite d'un test de moteur pour faire une expérience sur la montée en température des moteurs électriques. Le moteur en question est un brushless "outrunner", toujours de la marque EMP dont j'ai un petit stock. Le Kv est annoncé à 1200 (mesuré à 1226 avec le contrôleur en "low timing") et le poids à 52 g (pesé à 49,7 g, comme quoi...).

Par monté en température, j'entends la facheuse habitude qu'ont les systèmes électriques à chauffer lorsqu'ils sont soumis à un certain courant... Le sujet m'intéresse déjà comme modéliste soucieux de ne pas faire tout cramer, mais également pour la mise au point de mon logiciel Tetacalc qui donne une estimation de la température atteinte au bout d'un certain temps. Cette indication est certe intéressante, mais malheureusement assez imprécise donc à relativiser fortement. 

J'avais déjà fait une première approche de ce sujet, il y a quelques temps, et publié un petit résumé sur l'expérience et la méthode que j'utilise pour les prédictions de monté en température. J'avoue ne pas m'être beaucoup soucié de comment faisaient les autres concepteurs de calculateurs de propulsion...

Mon précédent article est disponible ici:  Dossier : Quelques expériences sur la température des moteurs brushless.

Je ne suis pas un scientifique, ces recherches sont donc très pragmatiques et peut-être peu rigoureuses, enfin bon...

Pour résumer la méthode de prédiction, disont qu'elle se base sur le principe simple de l'effet Joule, qui fait donc que le moteur chauffe, ainsi que sur l'utilisation de deux coefficients, plus ou moins "à ma sauce". 

On a donc le coefficient "massique", prenant en compte le fait que la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température du moteur dépendra de sa masse.

Et le coefficient "de convection", prenant en compte que dans le même temps où le moteur chauffe, et donc que sa température devient supérieure à celle de l'air ambiant, il va perdre de cette chaleur par convection.

Le but de l'expérience du jour est de re-calibrer le coefficient de masse. Bien sûr, ce coefficient est simpliste puisque basé sur le poids total du moteur, alors que les moteurs ne sont pas des objets uniformes dans leur composition.

Un autre but de l'expérience est moins en rapport direct avec les questions de températures. J'ai déjà exposé ma méthode pour tester les moteurs et établir les paramètres permettant leur modélisation. Cette méthode est proche de celle du logiciel Drivecalc et part du principe que lorsqu'un moteur brushless est mis en rotation par l'application d'une tension, on observe une chute de tension, qui ne peut pas être imputée aux résistances dans le circuit (résistance du bobinage, des fils et connexions, et du contrôleur). Cette chute de tension peut néanmoins être modélisée en incluant dans le circuit une résistance "dynamique" proportionnelle à la vitesse de rotation du moteur.

Drivecalc suppose que ce phénomène est lié aux pertes inductives. Le MIT, interroger sur le sujet (je plaisante, j'ai juste soumis le problème à un diplomé du MIT qui est également blogueur), ne donne pas de réponse définitive mais quelques pistes. Voici un extrait de la conversation:

Guillaume:

The model I use for the motor is very simple,

V = Ke*w + I.R

From my data (and from many others), R is then in very close linear relation with w. That's why I thought there was in fact a resistive and an inductive component. But many people told me to forget about inductive effects.

Mr Colton:

Interesting, then it could be an effect of inductance. If the ESC uses "fixed" timing, the current may go out of phase with back EMF at high speeds. That is one of the effects that F.O.C. tries to minimize. Do you have a graph of data? Also can you try different timing settings on the ESC and see how it affects the data?

Guillaume:

I've made some tests as you suggested, you can find it here:

http://g.rouby.free.fr/timing_test.htm

Interesting experiment !

Mr Colton:

Interesting results. I thought of another possibility: At high speeds, the diode commutation period is longer (when the phase turns off and the inductance causes current to keep flowing through the MOSFET body diode). That is more "lossy" than commutation through the FET itself because of the diode drop, so maybe when that is averaged it it looks like a resistance that increases with speed.

Je remercie au passage Mr Colton qui a bien voulu répondre à mes questions farfelues, d'une façon très ouverte.

Je suis très (très, très) loin d'atteindre son niveau de compréhension des brushless et surtout de leurs contrôleurs. Néanmoins, j'en retiens qu'il est fort probable que les pertes observées se situent au niveau du contrôleur.

D'où l'idée de faire "chauffer" un moteur sous la même intensité mais à deux vitesses de rotation différentes, et de voir si par hasard le contrôleur ne chaufferait pas de la même manière dans les deux cas.

J'ai donc monté le moteur sur le banc d'essai, fais une mesure de la résistance interne et quelques tests avec des hélices pour pouvoir faire une modélisation du dit moteur.

La température du moteur est prise via un capteur, placé au contact du bobinage:

L'hélice est montée en "propulsive", c'est à dire qu'ici le moteur est en amont du flux d'air généré. Comme le capteur est placé contre la plaque support, les effects "refroidisseurs" du flux d'air sont partiellement diminués.

Outre la température interne du moteur, je mesure à l'aide d'un thermomètre à infrarouges la température de surface de la cage tournante et du contrôleur, avant et après la montée en température. Je mesure aussi la température de l'air ambiant.

L'expérience se déroule comme suit: mesure des températures de surface, puis mise en route du moteur pendant 60 secondes, la température interne est relevée toutes les 5 secondes moteur en route, puis pendant encore 25 secondes à l'arrêt du moteur, enfin les températures de surfaces sont à nouveau relevées.

J'ai donc fait tourner deux hélices de tailles très différentes, une APC 7x6E à la vitesse de 9420 tr/min et une APC 9x6S à 6350 tr/min. Dans les deux cas, l'intensité était à peu près la même (respectivement 8,24 et 8,31 A de moyenne).

Sur le graphe ci-dessus, on voit la montée en température comme perçue par le capteur, dans les deux cas. On note que la pente est plus faible pour la 7x6 que pour la 9x6. Cette différence peut s'expliquer par le fait que la 7x6 tourne beaucoup plus vite et que, le pas étant le même pour les deux hélices, la vitesse de l'air brassé est donc plus grande, d'autant plus que les pales de la 7x6 sont "porteuses" beaucoup plus près de l'axe que chez la 9x6. Néamoins, une fois le moteur arrêté et l'air immobilisé, le capteur n'est plus ventilé et les deux courbes se rejoignent parfaitement.

Dans le même temps, la température du contrôleur est passée, pour la 7x6 à grande vitesse, de 16 °C à 23,7 °C et pour la 9x6 à faible vitesse, de 18,2 °C à 23,1 °C.

Je précise que pour la mesure avec la 7x6, trois briques de lait froides (12 °C) servant de poids pour la stabilité de l'installation (et oui...) et placées à proximité du contrôleur avait baissé sa température à 16 °C alors que la température de la pièce était de l'ordre des 18 °C. Les briques étaient ensuite plus chaudes pour le test avec la 9x6. Cela vient un peu fausser les données, mais ça n'empêche pas, au contraire, de noter que le contrôleur a beaucoup plus chauffé dans le cas de la 7x6.

Tout cela milite bien en faveur de pertes similaires à des pertes résistives, situées au niveau du contrôleur, et directement liées à la vitesse de rotation (donc à la fréquence de commutation).

En dernière remarque, il est intéressant de noter que la résistance "dynamique" du système ne peut pas être utilisée en lieu et place de la résistance de l'armature du moteur pour le calcul de la monté en température du moteur. Les logiciels utilisant un modèle simple, ne prenant pas en compte la résistance "dynamique" mais uniquement la résistance de l'armature sont souvent optimistes quant aux performances du système, amenant parfois l'utilisateur à "tricher" en augmentant la résistance de l'armature pour faire coincider les mesures avec la théorie, dans ce cas il faudra s'attendre à une prédiction de la température moins optimiste, vu que en pratique c'est le contrôleur qui emmagasinera le surplus de chaleur, et non le moteur !