Lors de l’utilisation de charges inductives telles que des moteurs ou des relais, la force contre-électromotrice générée au moment de la coupure du courant peut causer de graves dommages à l’alimentation électrique et aux circuits de commande. Il est donc indispensable de prendre des mesures appropriées contre la force contre-électromotrice, en particulier dans les domaines exigeant une fiabilité élevée, tels que les appareils médicaux et les équipements industriels.
En comprenant correctement le principe à l’origine de la force contre-électromotrice et en saisissant ses répercussions concrètes sur les moteurs et les alimentations électriques, vous pouvez intégrer des mesures efficaces dès la phase de conception.
Afin de garantir la conception de produits sûrs et fiables, approfondissons notre compréhension de la force contre-électromotrice.
| Sous la supervision du groupe commercial des composants électroniques de C.I. Takiron Co., Ltd. Nous supervisons la rédaction de cet article en nous appuyant sur les compétences techniques de pointe et l’expertise acquises depuis notre création en 1919 en tant qu’entreprise leader dans le domaine de la transformation des matières plastiques.Au sein de notre département, nous analysons en permanence les tendances du marché et les dernières technologies relatives aux micromoteurs ultra-compacts et de haute précision, et nous nous attachons à fournir des informations à forte valeur ajoutée aux concepteurs et développeurs. En tant qu’équipe d’experts maîtrisant parfaitement les caractéristiques des produits, nous vous accompagnons dans la résolution de vos défis et dans l’innovation technologique grâce à la diffusion de contenus précis et concrets. |
Principe et mécanisme de production de la force contre-électromotrice
Comprendre le mécanisme à l’origine de la force contre-électromotrice constitue la première étape vers une conception de produits sûre.
Le présent article traite à la fois des pics de tension transitoires (coups de courant) qui se produisent lors de la coupure du courant et de la force contre-électromotrice (FCE) qui apparaît en continu pendant la rotation du moteur.
Nous allons maintenant expliquer en détail les mécanismes à l’origine de ces phénomènes sous trois angles différents.
Contenu abordé dans cette section
- L’énergie stockée dans la bobine et le rôle du champ magnétique
- Relation entre la variation du courant et la force contre-électromotrice
- Caractéristiques de la force contre-électromotrice lors de la rotation du moteur
La compréhension de ces éléments vous permet de prévoir l’impact de la force contre-électromotrice sur le produit et d’intégrer des mesures efficaces dès la phase de conception.
L’énergie stockée dans la bobine et le rôle du champ magnétique
Lorsqu’un courant traverse une bobine, un champ magnétique se forme autour de celle-ci et l’énergie électrique est stockée sous forme d’énergie magnétique. C’est lorsque cette énergie stockée est libérée rapidement lors de la coupure du courant que la force contre-électromotrice est générée.
L’intensité du champ magnétique étant proportionnelle au nombre de spires de la bobine et à l’intensité du courant qui la traverse, plus un moteur utilise un courant élevé, plus l’énergie accumulée est importante, ce qui entraîne une force contre-électromotrice d’autant plus élevée.
Les moteurs sans noyau de C.I. Takiron, grâce à leur structure dépourvue de noyau de fer, présentent une inductance d’enroulement faible, ce qui peut contribuer à réduire les pics de tension transitoires générés lors d’une coupure de courant. Cela permet d’alléger la charge pesant sur les circuits de protection et de concevoir des produits plus sûrs.
Relation entre la variation du courant et la force contre-électromotrice
L’intensité de la force contre-électromotrice peut être exprimée par une formule mathématique.
Formule de calcul de la force contre-électromotrice : V = -L × (dI/dt)
| Symbole | Signification | Unité |
| V | Intensité de la force contre-électromotrice | V (volts) |
| L | Inductance de la bobine | H (henry) |
| dI/dt | Variation du courant par unité de temps | A/s (ampères par seconde) |
Cette formule montre que plus la variation de courant est brusque et plus l’inductance est élevée, plus la force contre-électromotrice générée est importante.
Lors d’une opération de commutation, le courant varie en un temps extrêmement court, de l’ordre de quelques microsecondes, ce qui entraîne une valeur très élevée de dI/dt et, par conséquent, la génération d’une force contre-électromotrice de haute tension.
À partir de cette relation V = -L × (dI/dt), on constate qu’il existe deux approches pour limiter les pics de tension transitoires qui se produisent lors de la coupure du courant : « réduire l’inductance » ou « atténuer la variation du courant ».
L’utilisation de moteurs à faible inductance, tels que les moteurs sans noyau, permet de réduire plus facilement les pics de tension transitoires qui surviennent lors d’une coupure de courant.
Caractéristiques de la force contre-électromotrice lors de la rotation du moteur
Lorsque le moteur à courant continu tourne, une « force contre-électromotrice de rotation » est générée en continu dans la bobine.
Cette force contre-électromotrice de rotation est une tension induite dans la bobine par la rotation du moteur ; elle agit dans le sens opposé à la tension appliquée et permet ainsi de limiter le courant du moteur.
Plus la vitesse de rotation augmente, plus la force contre-électromotrice de rotation est importante ; la différence avec la tension appliquée diminuant, le courant circulant dans le moteur diminue.
Il en résulte une stabilisation naturelle de la vitesse de rotation, ce qui contribue au contrôle de la vitesse du moteur à courant continu et au maintien d’une rotation stable.
Selon les spécifications du produit, les moteurs sans noyau peuvent présenter une inductance de bobinage faible, ce qui peut contribuer à réduire les pics de tension transitoires lors de la coupure. Toutefois, l’ampleur réelle de cette atténuation dépendant des constantes du moteur et du circuit d’entraînement (méthode de limitation), une vérification est nécessaire dès la phase de conception.
La réduction des pics de tension transitoires permet d’alléger la charge pesant sur les circuits de commande et d’assurer une commande stable, même lors d’opérations de démarrage et d’arrêt à grande vitesse. Cette caractéristique contribue directement à améliorer la fiabilité du produit, en particulier dans les applications impliquant des cycles fréquents de démarrage et d’arrêt.
L’influence de la force contre-électromotrice sur le moteur et l’alimentation électrique
La survenue d’une force contre-électromotrice peut causer des dommages graves au circuit de commande et au système d’alimentation.
Dans ce qui suit, nous allons expliquer les effets concrets de la force contre-électromotrice sous trois angles différents.
Contenu abordé dans cette section
- Dommages causés aux transistors et aux FET
- Retour de courant vers le circuit d’alimentation et hausse de tension
- Dysfonctionnements du circuit de commande et apparition de bruit
En prévenant ces effets, vous pouvez garantir la fiabilité à long terme de vos produits.
Dommages causés aux transistors et aux FET
Les composants de commutation des circuits d’entraînement des moteurs risquent d’être endommagés par une surtension due à une force contre-électromotrice.
Si une tension supérieure à la tension de claquage collecteur-émetteur d’un transistor ou à la tension de claquage drain-source d’un FET est appliquée, le composant entre instantanément en état de claquage, ce qui peut entraîner la circulation d’un courant important et provoquer une destruction thermique.
Une utilisation dépassant les spécifications de pression admissible réduit considérablement la durée de vie du composant et, dans le pire des cas, peut entraîner une défaillance immédiate dès la première mise en service, ce qui risque de compromettre la fiabilité de l’ensemble du produit.
Retour de courant vers le circuit d’alimentation et hausse de tension
Si un courant de retour circule vers l’alimentation en raison d’une force contre-électromotrice, la tension d’alimentation peut augmenter, ce qui peut déclencher le circuit de protection contre les surtensions. En particulier, lorsque vous utilisez un circuit en pont, un chemin de retour est susceptible de se former, ce qui peut entraîner une baisse de la puissance de sortie de l’alimentation, voire l’arrêt de l’ensemble du système.
Les mesures de protection contre les retours de courant sont indispensables pour assurer la protection de l’alimentation électrique, mais l’ajout de circuits de protection entraîne une augmentation des coûts et une complexification des circuits.
L’utilisation d’un moteur à faible inductance permet de réduire le courant de retour dû à la force contre-électromotrice, ce qui rend possible une conception d’alimentation simple et fiable.
Dysfonctionnements du circuit de commande et génération de bruit
Les pics de tension transitoires dus à la force contre-électromotrice constituent un bruit électrique et ont des effets néfastes sur les circuits environnants.
Il s’agit d’un facteur susceptible de provoquer des erreurs de lecture des signaux des capteurs ou des dysfonctionnements du microcontrôleur de commande, ce qui nuit à la fiabilité de l’ensemble du système.
Les moteurs sans noyau permettent de réduire la source de bruit elle-même en atténuant les pics de tension transitoires générés lors de la coupure du courant, ce qui minimise leur impact sur les circuits environnants.
Mesures efficaces pour lutter contre la force contre-électromotrice
Afin d’éviter que la force contre-électromotrice n’affecte le circuit, il est indispensable de concevoir un circuit de protection adapté.
Il existe plusieurs méthodes de protection, telles que les diodes, les diodes Zener, les circuits de suppression CR et les varistances, qui présentent chacune leurs propres caractéristiques. Par ailleurs, des mesures fondamentales liées à la conception même du moteur s’avèrent également efficaces.
Dans ce qui suit, nous allons vous présenter des mesures efficaces pouvant être mises en œuvre dans la pratique, sous trois angles différents.
Contenu abordé dans cette section
- Assurer la protection à l’aide d’une seule diode
- Utiliser une diode de Zener pour permettre un retour rapide
- Utilisation d’un circuit CR Snaba et d’un varistor
Le choix de la méthode de protection la mieux adaptée en fonction de l’utilisation prévue et des exigences en matière de temps de rétablissement permet de concevoir des produits d’une grande fiabilité.
Assurer la protection à l’aide d’une seule diode
La connexion d’une diode en parallèle avec une bobine constitue la mesure la plus élémentaire et la plus couramment utilisée.
Lorsque une force contre-électromotrice apparaît, le courant est renvoyé vers l’alimentation via une diode, ce qui permet de limiter l’augmentation de tension.
Caractéristiques du circuit de protection à diodes
| Rubrique | Contenu |
| Avantages | Structure de circuit simple, faible coût, nombre réduit de composants |
| Inconvénients | Temps de retour à l’état initial plus long ; ne convient pas à une commutation à haute vitesse |
| Critères de sélection | Choisissez une tension supérieure à la tension d’alimentation, en prévoyant une marge suffisante pour les pics de tension et les variations. |
| Dans le cas des circuits à basse tension | Peut être utilisé même avec une tension inverse d’environ trois fois la tension d’alimentation |
Cette méthode est largement utilisée dans des domaines exigeant une grande fiabilité, tels que les appareils médicaux et les équipements industriels.
Il est important de choisir une diode dont la tension de tenue inverse soit au moins égale à la tension d’alimentation et de prévoir une marge suffisante pour tenir compte des pics de tension et des marges de conception.
Utiliser une diode de Zener pour permettre un retour à l’état normal plus rapide
En connectant une diode Zener en série avec une diode classique, il est possible d’augmenter la tension de verrouillage et de réduire le temps de retour. La tension inverse appliquée à la bobine étant plus élevée, la convergence du courant s’accélère, ce qui convient aux applications nécessitant une commutation à haute vitesse.
Si la tension de la diode Zener n’est pas correctement choisie, non seulement les composants de commutation ne seront pas protégés, mais la diode Zener elle-même risque également d’être endommagée ; il est donc nécessaire de procéder à une vérification approfondie.
Utilisation d’un circuit CR-snubber et d’un varistor
Le circuit d’amortissement CR, qui combine un condensateur et une résistance, constitue une solution pouvant également être utilisée dans les circuits à courant alternatif.
Le condensateur absorbe les variations brusques de tension, tandis que la résistance dissipe l’énergie sous forme de chaleur, ce qui permet de limiter les pics de tension transitoires dus à la force contre-électromotrice.
Caractéristiques du circuit CR-Snaba et du varistor
| Méthodes de résolution | Circuits concernés | Caractéristiques principales |
| Circuit CR-snubber | Compatible CA/CC | Atténue les variations de tension et limite les pics |
| Barista | Compatible CA/CC | La valeur de la résistance chute brusquement à partir d’une tension donnée, ce qui permet d’absorber les surtensions |
Un varistor est un composant dont la résistance diminue brusquement au-delà d’une tension donnée, ce qui lui permet d’absorber efficacement les surtensions.
Dans le domaine des équipements industriels et des dispositifs de sécurité, ce mécanisme permet d’obtenir une protection plus efficace grâce à la combinaison de plusieurs éléments de protection.
Le circuit CR-snubber, bien qu’il se traduise par une complexité accrue en raison du nombre plus élevé de composants, offre une grande efficacité en matière de suppression du bruit et permet de réduire au minimum son impact sur les circuits environnants.
Le Barista offre une vitesse de réponse élevée et réagit instantanément aux surtensions soudaines ; il est donc efficace pour lutter contre les perturbations externes, telles que les surtensions dues à la foudre.
Résumé
La force contre-électromotrice est un phénomène qui se produit lorsque le courant circulant dans la bobine varie ; lors de l’arrêt du moteur, elle peut se traduire par un pic de tension transitoire dépassant largement la tension appliquée (sa valeur dépend de L, de la vitesse de coupure et du circuit de blocage).
Étant donné que cela peut entraîner des conséquences graves, telles que la destruction des transistors ou des FET du circuit de commande, une augmentation de la tension due à un retour de courant vers l’alimentation ou un dysfonctionnement du circuit de commande, il est indispensable de mettre en place des mesures appropriées, telles qu’un circuit de protection à diodes, un circuit associant des diodes Zener ou un circuit d’amortissement CR.
Lors du choix d’un circuit de protection, il est important de sélectionner la solution la plus adaptée en tenant compte du temps de réarmement et du coût en fonction de l’application. De plus, en prenant en compte la force contre-électromotrice dès la phase de sélection du moteur, il est possible de simplifier le circuit de protection et de concevoir un produit plus sûr et plus fiable.
Informations sur les produits et demandes de renseignements
Pour plus d’informations sur les micromoteurs de C.I. Takiron, veuillez consulter le site Web suivant.
- Site du produit : https://cik-ele.com/
- Moteurs sans noyau : https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Moteur sans balais : https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Moteurs à engrenages : https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Codeur : https://cik-ele.com/products/list/encoder/
Si vous rencontrez des difficultés pour choisir un petit moteur dans le cadre du développement de vos produits, n’hésitez pas à nous contacter via le formulaire de contact. Nos techniciens vous écouteront pour comprendre votre application et vos exigences, puis vous proposeront la solution la mieux adaptée.
- Contact : https://cik-ele.com/contact/
