Pourquoi de nombreux outils électriques utilisent encore des moteurs à collecteur plutôt que des moteurs sans balais

La plupart des outils électriques fonctionnent toujours commutateur moteurs pour une raison très simple : ils permettent de mieux clôturer la feuille de calcul. Ils sont peu coûteux à fabriquer à grande échelle, se branchent directement sur une prise murale ou un simple bloc d'alimentation CC, offrent un couple de démarrage élevé dans un boîtier compact et bénéficient d'un modèle de service que tous les ateliers de réparation de la planète connaissent déjà. Les moteurs sans balais offrent une meilleure efficacité, un meilleur contrôle et une plus grande durabilité, mais ils nécessitent des aimants, du silicium, des micrologiciels et de nouveaux modes de défaillance, et de nombreux utilisateurs ne sont pas prêts à payer ce supplément de complexité juste pour percer quelques trous le week-end ou utiliser une meuleuse filaire qui ne fonctionne que par courtes rafales.

Ce que cet article suppose

Vous savez déjà comment fonctionne un moteur à courant continu universel ou à balais, à quoi ressemble un rotor BLDC et pourquoi tout le monde parle sans cesse du néodyme. Vous avez vu les diapositives marketing qui affirment que “ sans balais = plus d'autonomie et de puissance ” et vous avez probablement lu au moins un livre blanc qui compare les schémas de commutation et les courbes d'efficacité.

Au lieu de répéter cela, il s'agit plutôt de comprendre pourquoi, après tout cela, les pages des catalogues consacrées aux perceuses, meuleuses, scies et ponceuses regorgent encore de moteurs à collecteur. Ce n'est pas parce que les ingénieurs ignorent l'existence des moteurs sans balais. C'est parce que la réalité des produits est complexe.

L'économie tenace des moteurs à collecteur

D'un point de vue purement composant, les moteurs sans balais peuvent même être plus simples à assembler : pas de commutateur, pas de balais, souvent moins de pièces d'usure mécaniques. Plusieurs fournisseurs de moteurs soulignent que le rotor et le stator d'un BLDC peuvent être très faciles à produire.

Mais les outils ne se limitent pas aux moteurs. Ils comprennent également les nomenclatures, les bancs d'essai, les manuels de réparation et les prix de commercialisation. Et lorsque l'on considère l'ensemble du système d'entraînement, l'équation s'inverse. Les moteurs sans balais nécessitent un contrôleur avec des semi-conducteurs de puissance, des pilotes de grille, des algorithmes sophistiqués avec ou sans capteurs, une logique de protection et généralement un microcontrôleur. Ce bloc électronique coûte souvent plus cher que l'acier et le cuivre du moteur dans un outil bas de gamme. Les comparaisons industrielles montrent toujours que, dans les segments grand public traditionnels, une perceuse ou une visseuse sans balais coûte environ un quart à un tiers plus cher au détail qu'un modèle à balais équivalent.

Les moteurs à collecteur, en revanche, s'appuient sur plus de 80 ans de perfectionnement industriel. Le bobinage, l'empilage, l'assemblage du collecteur et l'imprégnation sont optimisés à l'extrême. La technologie est si mature que plusieurs sources décrivent les moteurs à balais comme une option “ très économique ”, non pas parce qu'ils sont intelligents, mais parce que toutes les astuces possibles pour réduire les coûts ont déjà été exploitées.

Cette maturité se répercute dans toute l'entreprise. Les équipements, les procédures de test, les contrats avec les fournisseurs, la gestion des rejets, le matériel de formation pour les centres de réparation : tout est conçu pour les machines à commutateur. Changer cela ne consiste pas simplement à remplacer un moteur par un autre, mais à réinvestir une décennie de savoir-faire accumulé.

Outils filaires CA : le moteur universel s'adapte toujours au mur

Perceuses filaires, meuleuses, scies circulaires, ponceuses filaires : la plupart d'entre elles utilisent des moteurs universels à collecteur. La question “ pourquoi pas sans balais ? ” prend une autre dimension dès lors que l'on admet la présence d'une prise murale dans la pièce.

Un moteur universel est essentiellement une machine à commutateur à bobinage en série qui fonctionne directement sur courant alternatif ou continu. Il se connecte presque directement au réseau électrique via un déclencheur, par exemple un triac ou un simple contrôle d'angle de phase pour la vitesse. Il peut tourner à des dizaines de milliers de tours par minute, a un couple de démarrage élevé par rapport à sa taille et s'intègre bien dans des boîtiers compacts.

Pour faire fonctionner un moteur sans balais à partir d'une prise murale, vous avez besoin au minimum d'un redresseur. Dans les classes de puissance supérieures, vous devrez probablement ajouter une correction du facteur de puissance, des condensateurs de liaison CC, une isolation appropriée, un circuit d'attaque de grille, un capteur de courant, un micrologiciel et des correctifs CEM pour toutes ces commutations rapides. Le “ choix du moteur ” s'est alors discrètement transformé en un projet complet d'électronique de puissance.

Pour un outil filaire utilisé par intermittence et placé à proximité d'un aspirateur ou d'un compresseur bruyant, la perte d'efficacité d'un moteur universel (qui peut être assez importante dans la partie inférieure de la plage de puissance) n'a tout simplement pas d'impact suffisant sur l'activité pour justifier le coût de cet ensemble électronique.

Il existe également une inertie en matière de certification. Une catégorie d'outils à moteur universel présente des caractéristiques de sécurité et de compatibilité électromagnétique bien connues des organismes de réglementation et des laboratoires d'essai. Un onduleur haute fréquence alimentant un moteur BLDC ajoute un autre type de bruit conduit et rayonné, d'autres modes de défaillance et d'autres essais. Il est tout à fait possible de contourner ces problèmes sur le plan technique ; de nombreux outils filaires haut de gamme le font déjà. Mais pour les gammes moyenne et basse, c'est une raison supplémentaire de s'en tenir à ce que l'on connaît déjà.

Outils sans fil : pourquoi les modèles à balais survivent en bas de gamme

C'est dans le domaine des outils sans fil que la technologie sans balais a fait une entrée remarquée. Son efficacité et sa maniabilité accrues prolongent directement l'autonomie et vous permettent de vendre plus de “ travail par charge ”. Les sources soulignent régulièrement que les outils électriques sans balais offrent une durée de vie de batterie nettement plus longue, une meilleure densité de couple et un fonctionnement plus froid.

Alors pourquoi le rayon des outils sans fil regorge-t-il encore de perceuses et visseuses à brosses ?

Parce que tous les acheteurs n'utilisent pas ces outils toute la journée. Un propriétaire qui visse quelques vis une fois par mois se moque de savoir si la charge dure trente ou quarante minutes. Ce qui l'intéresse, c'est que le kit soit vingt dollars moins cher en magasin. Pour cet acheteur, le coût combiné d'un moteur BLDC, d'aimants et d'une carte de commande est une dépense pure et simple qu'il ne voit jamais.

De plus, les moteurs à courant continu à balais utilisés dans les outils sans fil sont souvent des unités à bobinage en série ou à aimants permanents, qui sont déjà très compactes et puissantes. Leur couple à basse vitesse et leur tolérance à la surcharge sont assez bons si vous ne les utilisez que pour des tâches courtes et rapides.

Il existe également une stratégie de segmentation. Les marques réservent délibérément les fonctionnalités sans balais et de contrôle “ intelligent ” aux gammes de prix supérieures : gammes axées sur le commerce, kits haut de gamme et produits phares. Les outils à balais d'entrée de gamme servent de relais vers l'écosystème : même support de batterie, mêmes chargeurs, prix d'achat beaucoup plus bas. Le passage des gammes inférieures au sans balais brouillerait cette structure, et les équipes marketing n'apprécient guère de perdre leur échelle.

Fiabilité : pas aussi unilatérale que le suggèrent les brochures

Les moteurs sans balais éliminent l'usure des balais ; pas de poussière de carbone, pas d'érosion du commutateur. Les articles techniques et les fiches techniques indiquent systématiquement que les moteurs sans balais peuvent atteindre une durée de vie plus longue, en particulier en service continu, par rapport aux modèles à balais limités par l'usure des contacts mécaniques.

Mais ce n'est là qu'une partie du problème auquel doit faire face un concepteur d'outils.

Un moteur à collecteur comporte des éléments physiques soumis à une usure évidente. Lorsque les balais atteignent leur limite, les performances diminuent de manière très visible, et un centre de service peut les remplacer en quelques minutes. Les pièces de rechange sont bon marché, les diagnostics sont simples. Pour de nombreux utilisateurs professionnels, cette prévisibilité est rassurante : ils savent à quoi ressemble une panne et ce qu'elle coûte.

Les outils sans balais déplacent les points faibles. Le moteur lui-même peut fonctionner presque indéfiniment, mais les composants électroniques sont désormais exposés aux surtensions, à la pénétration de poussière, à la condensation, aux générateurs mal câblés, aux phénomènes statiques et aux utilisateurs occasionnels qui introduisent de la poussière de maçonnerie dans chaque évent de l'outil. Un MOSFET grillé ne se manifeste pas progressivement. Il meurt, emportant souvent avec lui le circuit intégré du pilote et une ou deux pistes.

Dans les régions où les réseaux de service sont peu denses, cette différence est importante. Le remplacement des balais est une opération que même un petit atelier de réparation peut effectuer avec des outils de base. Le diagnostic et la remise en état de circuits imprimés multicouches à l'intérieur de boîtiers scellés sont une tout autre affaire. Ainsi, une meuleuse à balais peut officiellement “ s'user plus rapidement ”, mais rester en service plus longtemps simplement parce que les techniciens locaux peuvent la remettre en état à plusieurs reprises.

Matériaux, aimants et risques liés à la chaîne d'approvisionnement

Les moteurs sans balais reposent généralement sur des aimants permanents puissants, très souvent à base de matériaux rares tels que le néodyme. Les commentaires de l'industrie concernant les produits industriels et de contrôle du mouvement soulignent fréquemment que cela lie le coût et la disponibilité des moteurs BLDC à un marché des matériaux quelque peu volatil.

En revanche, plusieurs gammes de moteurs à balais utilisés dans des applications exigeantes sont explicitement commercialisées comme étant exemptes de terres rares : elles utilisent uniquement du cuivre, de l'acier et des matériaux magnétiques courants, tout en répondant aux exigences en matière de couple. Cela est pratique si vous fabriquez des millions d'unités et que vous ne souhaitez pas exposer votre base de coûts à des chocs géopolitiques ou miniers.

Dans un outil à batterie, une fois que vous avez opté pour une architecture BLDC, les aimants représentent un coût inhérent à l'activité et vous l'acceptez. Dans une meuleuse d'angle filaire qui est censée rester peu coûteuse au fil des saisons et des devises, le fait de ne pas avoir besoin de néodyme est discrètement attrayant.

Il y a également l'écosystème des fournisseurs. Les moteurs à collecteur sont des produits courants. Des centaines d'usines peuvent les proposer ; les modifications de conception peuvent souvent être réalisées par différents fournisseurs avec un effort modeste. Les moteurs BLDC et les cartes de contrôleurs adaptées aux outils sont encore moins interchangeables. Cette dépendance vis-à-vis de fournisseurs spécifiques peut devenir un autre argument caché pour conserver les moteurs à balais dans certaines gammes de produits.

Comportement au niveau du système : couple, vitesse et mauvais usage

Du point de vue physique, les moteurs à balais universels et à bobinage en série présentent trois caractéristiques qui conviennent très bien aux outils électriques : un couple de démarrage élevé, une capacité à fonctionner à très haute vitesse et une tolérance aux surcharges de courte durée.

Vous le ressentez avec une scie circulaire filaire qui s'attaque sans hésitation à la charge, ou une meuleuse qui creuse joyeusement dans une coupe jusqu'à ce que l'opérateur recule, et non la boucle de contrôle. Les outils sans balais peuvent tout à fait égaler ou dépasser ces performances, mais uniquement si le micrologiciel le permet et si l'électronique peut supporter les pics. Il faut choisir entre un profil doux et protecteur qui préserve le silicium et un profil plus agressif qui semble “ plus violent ” dans la main.

Avec les outils à balais, le fonctionnement est plus simple. Aucun microcontrôleur ne prend de décision. Le moteur consomme tout ce que le réseau électrique, l'armature et le câblage lui permettent, et le maillon faible est généralement le cuivre ou la limite thermique de l'isolation. Pour certaines catégories, ce comportement brut de décoffrage correspond mieux aux attentes des utilisateurs qu'une réponse intelligente limitant le courant.

Le bruit et les interférences électromagnétiques sont également des aspects intéressants. Des articles classiques soulignent que les machines à commutateur génèrent du bruit mécanique et électrique en raison du contact des balais et des étincelles. Les entraînements sans balais sont souvent plus silencieux, tant sur le plan acoustique qu'électrique, en particulier à vitesse constante. Cependant, dans les environnements de construction ou de métallurgie, la différence est souvent insignifiante par rapport au matériau coupé ou meulé. Les constructeurs ne choisissent pas un marteau de démolition pour son mode silencieux.

Ainsi, dans la pratique, les avantages du comportement sans balais sont particulièrement évidents lorsque les utilisateurs passent de longues périodes à charge partielle ou qu'ils recherchent un contrôle précis, par exemple avec des visseuses à chocs haut de gamme et des tournevis de précision. Dans les outils à usage intensif et à courte durée, le comportement grossier mais prévisible d'un moteur universel reste tout à fait satisfaisant.

Une comparaison concise

Pour rester concret, il est utile de résumer les compromis du système tels qu'une équipe de conception pourrait les percevoir.

Comment l'historique des produits influence chaque nouvelle conception

Même si un fabricant souhaitait passer dès demain à des outils sans balais pour toute une gamme, ceux-ci ont une histoire.

Il existe des manuels d'entretien consacrés aux armatures et aux commutateurs. Il existe des entrepôts remplis de bobines de remplacement et de jeux de balais. Il existe des partenaires régionaux dont le modèle commercial repose sur la réparation rapide de ces machines. Il existe des équipements dans les usines adaptés à des empilements de stators et à des longueurs de rotors spécifiques.

Chaque nouvelle variante sans balais devient, dans un premier temps, une exception : scripts de test différents, pannes sur le terrain différentes, processus de pièces de rechange différents. Au fil du temps, l'équilibre change : de nombreuses marques en sont déjà au point où leurs systèmes sans fil phares sont presque entièrement sans balais. Mais la longue traîne des conceptions existantes signifie que les moteurs à collecteur continuent d'apparaître dans les rayons, même si l“” avenir » est largement présenté comme étant sans balais.

La réalité n'est pas une transition nette. C'est un chevauchement dense.

Quand le sans balais change vraiment la donne

Il serait injuste de prétendre que les moteurs à collecteur sont identiques partout. Les domaines dans lesquels les moteurs sans balais sont incontestablement avantageux sont de plus en plus évidents : outils fonctionnant toute la journée sur batterie, applications nécessitant un contrôle précis du couple, environnements où le bruit est une contrainte réelle ou encore où l'accès pour l'entretien est difficile et où chaque heure de vie supplémentaire compte. Les comparaisons techniques mentionnent systématiquement une efficacité supérieure, une durée de vie plus longue et un fonctionnement plus silencieux comme étant les principaux avantages des moteurs sans balais.

À mesure que les circuits intégrés de commande et les modules de commande intégrés deviennent moins chers et plus performants, le coût des composants électroniques diminue. La question des aimants pourrait également s'atténuer si d'autres topologies de moteurs ou de meilleures options d'approvisionnement en aimants arrivaient à maturité. À un moment donné, la question “ pourquoi ne pas passer au sans balais ? ” l'emportera dans de plus en plus de catégories par simple calcul arithmétique.

Mais aujourd'hui, si vous vous tenez devant un rayon de meuleuses filaires ou de perceuses sans fil bon marché et que vous vous demandez pourquoi elles utilisent encore des moteurs à collecteur, la réponse est assez simple.

Ils sont anciens, mais ils ne sont pas encore obsolètes. Leur rentabilité est toujours d'actualité, leur densité de puissance est déjà bonne, les utilisateurs connaissent leurs points faibles et tous les éléments de l'écosystème qui les entoure, des bobineurs de cuivre aux petits ateliers de réparation, sont adaptés pour les maintenir en état de marche. Les moteurs sans balais sont l'avenir de nombreux outils. Les moteurs à collecteur sont le présent de nombreux autres, et ce présent n'est pas encore terminé.