Types de moteurs dans le contrôle du mouvement

Nous pourrions ne pas fabriquer de moteurs à ADVANCED Motion Controls, mais nous travaillons avec eux tous les jours et construisons des servomoteurs pour les faire fonctionner, on peut donc dire que nous nous y connaissons. Nous sommes très fiers de pouvoir répondre à toutes les applications, ce qui signifie que nous avons un variateur pour pratiquement tous les types de moteurs que vous pouvez trouver. Quels types de moteurs existe-t-il et où sont-ils utilisés ?

Servomoteurs

En général, tous les servomoteurs font partie des moteurs à aimants permanents, qui ont des aimants permanents dans le stator (la partie qui reste immobile) et le rotor (la partie qui tourne au milieu du stator). Au fil du temps, cependant, les limites entre ce qui est un servomoteur et ce qui ne l'est pas sont devenues un peu floues. Cette ambiguïté est en partie due à l'élargissement des utilisations des servomoteurs au-delà de la servocommande.

Il y a plusieurs dizaines d'années, les servomoteurs ne faisaient guère plus qu'amplifier un signal de commande, d'où leur nom alternatif de servoamplificateurs. Avec l'évolution de la technologie du contrôle du mouvement, les ingénieurs ont découvert que les amplificateurs servo pouvaient être modifiés et configurés pour contrôler d'autres types de moteurs de la même manière que les servomoteurs. Les variateurs servo d'aujourd'hui sont beaucoup plus polyvalents et peuvent facilement être configurés pour une grande variété de types de moteurs, tout en conservant le terme "servo" dans leur appellation.

Les servomoteurs sont utilisés dans des millions d'applications, des véhicules télécommandés aux fraiseuses CNC en passant par les robots chirurgicaux. Les servomoteurs sont populaires pour un certain nombre de raisons, notamment leur efficacité énergétique et leur petite taille. Mais surtout, ils peuvent offrir un contrôle très précis lorsqu'ils sont dotés d'un dispositif de rétroaction et d'un servomoteur.  ADVANCED Les variateurs de Motion Controls sont capables de contrôler à peu près tous les servomoteurs que vous pouvez trouver.

CC brossé (monophasé)

Les moteurs à courant continu à balais sont peut-être le type de moteur le plus simple qui existe. Vous avez des aimants permanents fixés dans le stator et des bobines de fil bouclées dans le rotor. Lorsque le courant électrique passe dans les bobines, le champ magnétique crée une force qui fait bouger le rotor. La question est la suivante : comment faire passer en permanence un courant continu à un objet en rotation sans que les fils ne s'emmêlent ? La réponse est : des balais conducteurs et un collecteur.

Le collecteur est une pièce ronde avec des points de contact métalliques reliés à chacune des boucles de la bobine du rotor. Les balais conducteurs ne sont pas comme des brosses à cheveux ; il s'agit généralement de morceaux d'un mélange de graphite qui sont chargés par ressort pour établir un contact électrique avec le collecteur du moteur lorsqu'il tourne pour fournir le courant électrique. Elles offrent d'excellentes performances à un prix économique. Cependant, l'un de leurs inconvénients est que le contact physique entre les balais et le collecteur crée une friction, ce qui use les balais et crée de nombreuses particules de poussière au fil du temps. Pour cette raison, les moteurs à balais sont plus susceptibles d'entraîner des coûts de maintenance sur une longue période que leurs homologues sans balais, malgré un coût initial plus faible. Pour les applications à faible coût, les applications à courte durée de vie ou les applications où le moteur est facilement accessible pour être réparé ou remplacé, un moteur à balais CC peut faire l'affaire.

La commande de servo-moteurs est notre jeu, c'est pourquoi chaque ADVANCED Le servomoteur Motion Controls peut faire fonctionner un moteur DC à balais, à condition qu'il soit dans la gamme de puissance appropriée bien sûr.

CC sans balais (triphasé)

Les moteurs sans balais adoptent l'approche inverse des moteurs à balais. Ils placent les aimants permanents dans le rotor et font passer l'électricité par le stator. Il n'y a plus de commutateur mécanique. Au lieu de cela, les trois phases du moteur du stator sont alimentées par un courant continu et leurs bobines interagissent avec le champ magnétique des aimants du rotor. En alternant de manière contrôlée les deux phases du moteur qui sont actives en même temps, les champs magnétiques font tourner le rotor.

Les moteurs DC Brushless sont généralement plus chers à l'achat que leurs homologues à balais. Cependant, la réduction des contacts mécaniques (c'est-à-dire l'absence de balais) dans les moteurs CC sans balais permet une excellente dissipation de la chaleur, un besoin d'entretien moindre et une meilleure efficacité électrique, ce qui peut réduire les coûts à long terme.

Pour les applications où le moteur n'est pas facilement accessible pour la maintenance ou si l'on souhaite un rendement supérieur à celui d'un moteur à balais, un moteur à courant continu sans balais triphasé peut être la solution.

La commande de servomoteurs sans balais est facile avec nos produits. A quelques exceptions près, tous nos servomoteurs commercialisés activement peuvent piloter des moteurs DC brushless.

CA sans balais

Également connus sous le nom de moteurs synchrones à aimants permanents ou PMAC, les servomoteurs AC brushless sont incroyablement efficaces. Comme les moteurs CC sans balais, le courant électrique passe par le stator et les aimants permanents se trouvent dans le rotor.

De nos jours, la distinction porte moins sur les moteurs eux-mêmes lorsque l'on compare les moteurs AC sans balais avec les moteurs DC sans balais, mais plutôt sur la façon dont ils sont pilotés par le servomoteur. Dans le cas du courant alternatif sans balais, le courant circule constamment dans les trois phases, mais il alterne d'avant en arrière de manière sinusoïdale, comme vous le verriez dans l'alimentation en courant alternatif sortant du mur. Ce phénomène crée un champ magnétique rotatif net, qui tourne de manière beaucoup plus régulière que le champ magnétique obtenu en allumant et en éteignant les phases du moteur dans un moteur CC sans balais.

Tout comme les moteurs brushless DC, ils nécessitent rarement une maintenance en raison de l'absence de balais mécaniques. L'inconvénient des moteurs AC brushless par rapport aux moteurs DC brushless (et aux moteurs AC induction qui seront abordés plus loin) est leur coût initial encore plus élevé. Toutefois, leur efficacité en termes de performances et leur coût d'entretien minimal compensent ce coût à long terme.

Les servovariateurs AMC DigiFlex Performance et FlexPro peuvent être configurés pour faire fonctionner des moteurs CA sans balais, à condition qu'il y ait un dispositif de retour.

Autres moteurs rotatifs

Stepper

Les moteurs pas à pas sont similaires aux moteurs sans balais, mais le mouvement est défini en "étapes" incrémentielles. Comment cela est-il réalisé ? Le rotor et le stator sont formés avec des "dents", mais contrairement aux engrenages, les dents ne s'engrènent pas - elles sont utilisées pour l'alignement magnétique. Il y a moins de dents dans le stator que dans le rotor, donc toutes les dents ne peuvent pas être alignées en même temps. En magnétisant différentes phases du stator comme étant le nord ou le sud, le rotor se déplacera très légèrement pour s'aligner ou se contre-aligner avec les phases actives.

Même avec seulement deux ou trois phases de moteur, les moteurs pas à pas peuvent se déplacer par incréments très étroitement contrôlés à chaque pas, ce qui peut représenter moins d'un degré de mouvement. Avec le demi-pas (alternance entre l'utilisation de 1 et 2 phases alignées à la fois) et le micropas (activation et désactivation des phases plus graduelles), la résolution peut être doublée au détriment du couple. Les moteurs pas à pas sont donc parfaits pour les applications de haute précision.

Les moteurs pas à pas sont utilisés dans les imprimantes (2D et 3D), les optiques, les machines CNC de bureau bas de gamme, les composants informatiques, les objectifs d'appareils photo et d'autres dispositifs nécessitant un contrôle précis de la position. ADVANCED Les servomoteurs FlexPro et DigiFlexPerformance de Motion Controls peuvent faire fonctionner des moteurs pas à pas en boucle fermée. Cela signifie que les moteurs ont besoin d'un retour codeur pour que les servovariateurs puissent les faire fonctionner comme des servomoteurs.

Induction AC

Inventés par Nikola Tesla, les moteurs à induction sont probablement le type de moteur le plus courant au monde. Contrairement aux autres moteurs rotatifs dont nous avons parlé, les moteurs à induction AC n'utilisent pas d'aimants permanents dans le stator ou le rotor.

Comme les servomoteurs AC sans balais, ils reposent sur une structure de boucle AC triphasée, qui produit un champ magnétique rotatif net. Cependant, au lieu d'utiliser ce champ pour déplacer des aimants permanents dans le rotor, le flux magnétique induit un courant dans le rotor, qui est construit avec une conception en cage d'écureuil. Ce courant produit alors un champ magnétique qui interagit avec le champ magnétique du stator et fait tourner le rotor. En un sens, le rotor essaie constamment de rattraper le champ magnétique rotatif du stator. La différence de vitesse est appelée glissement.

La vitesse d'un moteur à induction CA peut être ajustée simplement en ajustant la fréquence CA. En outre, l'utilisation du courant alternatif, par opposition au courant continu, peut rendre ces moteurs très attrayants pour les applications à très haute puissance. En conséquence. Les moteurs à induction CA sont couramment utilisés pour les grands appareils tels que les grues, les ascenseurs, les voitures électriques et autres machines lourdes. Tous les ADVANCED Les servomoteurs numériques de Motion Controls peuvent faire fonctionner des moteurs vectoriels en boucle fermée, essentiellement des moteurs à induction CA avec retour d'information par codeur.

Moteurs non rotatifs

Toutes les applications de contrôle du mouvement ne consistent pas à faire tourner un objet ou à articuler des articulations.

Moteurs linéaires

Les moteurs linéaires peuvent être considérés comme des moteurs sans balais à courant continu "déroulés" où le stator et le rotor sont intervertis. Il y a une longue piste d'aimants permanents alternant en polarité et un chariot mobile avec trois phases de bobines. Le sens du courant dans ces bobines magnétise la phase nord ou sud, ce qui la tire ou la pousse respectivement le long de la piste du moteur.

Ces moteurs sont utilisés pour les applications où un mouvement linéaire précis et à grande vitesse est nécessaire, comme les imprimantes 3D industrielles ou les démonstrations de lancer de balle d'AMC. Ils peuvent être orientés horizontalement, verticalement ou en angle. Ces caractéristiques ont toutefois un prix : les moteurs linéaires sont beaucoup plus chers que les autres types de moteurs.

Tous ADVANCED Les servovariateurs numériques DigiFlex Performance et FlexPro de Motion Controls peuvent faire fonctionner des moteurs linéaires.

Actionneur linéaire

Les actionneurs linéaires sont une alternative aux moteurs linéaires. Techniquement, ils ne sont pas vraiment un type de moteur différent. Il s'agit d'un moteur rotatif, tel qu'un servomoteur, un moteur à induction ou un moteur pas à pas, couplé à un mécanisme à billes et à vis pour créer un mouvement linéaire. Comme cette conception est très sensible au jeu, la rétroaction à double boucle est souvent utilisée lorsque la précision est nécessaire. Les boucles utilisent un dispositif de retour sur le moteur rotatif et un dispositif sur le composant à mouvement linéaire.

Les actionneurs linéaires sont présents dans de nombreux appareils, tels que les grandes machines d'atelier, les imprimantes 3D de bureau et les grands systèmes de portique. Ils constituent généralement une alternative moins coûteuse que les moteurs linéaires à courant continu, la contrepartie étant des vitesses de pointe plus lentes et un espace plus important pour l'intégration (en raison du moteur rotatif). Cependant, un système de contrôle de mouvement avec un actionneur linéaire peut être incroyablement efficace et produire des forces plus importantes que ceux utilisant un moteur linéaire.

Bobines de voix

Les bobines vocales sont des moteurs linéaires monophasés dont la course est limitée à moins d'un cycle électrique. Ils sont utiles pour leur vitesse de réponse, leur précision et leur exactitude.

Les bobines mobiles se trouvent le plus souvent dans les haut-parleurs audio. Le mouvement de va-et-vient, associé à la courte portée du mouvement et à la précision, permet aux bobines mobiles de créer les vibrations qui rendent le bruit audible à partir de signaux électriques. Dans les applications de contrôle du mouvement, les moteurs à bobine mobile sont utilisés pour les mouvements linéaires sur une courte distance, comme les machines d'essai de durée de vie accélérée, où les matériaux peuvent être soumis à de nombreux cycles de déformation de manière contrôlée, les dispositifs d'amortissement actif, où un poids peut être déplacé rapidement d'avant en arrière pour neutraliser les vibrations indésirables, ou toute application de positionnement à faible course nécessitant une vitesse et une précision élevées.

L'utilisation d'un servomoteur pour commander une bobine mobile est analogue à la commande d'un servomoteur CC à balais, la principale différence étant que le mouvement est linéaire et non rotatif. Dans le cas de la commande d'un servomoteur, le courant est proportionnel au couple, alors que dans le cas de la commande d'une bobine mobile, le courant est proportionnel à la force. Et comme tous nos servomoteurs peuvent contrôler des moteurs à balais, ils peuvent également contrôler des bobines mobiles.

Réflexions finales

Nous espérons que ce blog vous donnera une idée des différents types de moteurs existants et de la manière dont ils peuvent être utilisés. Si vous n'êtes pas sûr du type de moteur dont vous avez besoin pour votre application de contrôle du mouvement, contactez-nous. Encore une fois, nous ne fabriquons pas de moteurs, mais nous connaissons tous les aspects du contrôle du mouvement et nous sommes plus qu'heureux de faire des recommandations. Nous travaillerons avec vous pour mettre au point une solution de contrôle du mouvement qui répond à tous les besoins de votre application.

par Jackson McKay, ingénieur marketing