Dimensionnement d'un moteur et d'un système d'entraînement

Le dimensionnement approprié est un aspect crucial de la sélection du moteur . Si un moteur est sous-dimensionné, il ne pourra pas contrôler la charge, ce qui entraînera un dépassement et une sonnerie.

Le surdimensionnement d'un système est aussi mauvais que le sous-dimensionnement - il peut contrôler la charge, mais il sera également plus gros et plus lourd, ainsi que plus coûteux en termes de prix et de coût d'exploitation. Il peut ne pas être en bonne forme physique et cela coûtera certainement plus cher. Il utilisera plus d'espace précieux dans une armoire de commande ou dans l'atelier.

Que faut-il considérer lors de l'achat d'un moteur ?

Trop souvent, les vendeurs reçoivent simplement un appel leur demandant un moteur d'une certaine puissance. L'ingénieur peut acheter un moteur de la même taille que celui d'une plate-forme précédente. Ils ont peut-être ajouté une marge de sécurité importante pour compenser les changements. Ils ont peut-être utilisé un rapport de charge et d'inertie de 10:1 ou 5:1 sur l'inertie du moteur - ou un mélange de ce qui précède.

L'objectif doit être de spécifier un moteur qui fournit la vitesse, l'accélération et le couple nécessaires pour positionner la charge à l'emplacement désigné et au moment souhaité. Il peut inclure une marge de sécurité conçue pour compenser la variation moteur-deux-moteurs ou les changements attendus dans l'état de fonctionnement de la machine. Cependant, la marge de sécurité doit être ajoutée en plus d'un calcul éclairé.

Une erreur courante consiste à choisir un moteur avec un couple en service continu égal au couple maximal requis de l'application (généralement observé lors d'accélérations/décélérations extrêmes ). Applications de contrôle de mouvement consistent souvent en des mouvements brefs et rapides. Choisir un moteur conçu pour générer ce couple en continu signifie essentiellement payer plus de moteur que nécessaire.

Dimensionnement du moteur-variateur

Pour dimensionner efficacement le moteur, il est nécessaire de calculer l'inertie de la charge (JL). Le rapport entre l'inertie de la charge et l'inertie du moteur (essentiellement, l'inertie du rotor ) donne une mesure de l'efficacité avec laquelle le moteur peut contrôler la charge. Un rapport d'inertie élevé indique le système qui aura des difficultés à contrôler la charge. Un faible rapport d'inertie (par exemple 4:1 ou 1:1) indique que le moteur fera un travail très efficace de contrôle de la charge, mais cela révèle également que le moteur peut être surdimensionné pour le système

Souvent, les concepteurs incluent la charge réelle, la boîte de vitesses et le moteur, mais laissent les courroies, les poulies et autres éléments mécaniques hors de l'équation. Ils passent simplement à la taille majeure suivante ou utilisent la même taille de cadre mais celle qui produit plus de couple. C'est de là que vient toute l'approche des 10 % de surdimensionnement.

Le processus de sélection implique la collecte de données suivie d'une analyse détaillée. Elle nécessite une connaissance du système mécanique, des paramètres de fonctionnement et des circonstances dans lesquelles l'équipement sera utilisé. Il doit également inclure des détails sur l'environnement d'exploitation, car si ceux-ci ne sont pas pris en compte à un stade précoce, le système sélectionné peut ne pas convenir.

Inertie - la tendance d'un objet à résister aux changements d'accélération - est l'un des principaux défis du contrôle du mouvement . Le moteur doit pouvoir appliquer une force (dans un système linéaire) ou un couple (dans un système rotatif) suffisant pour modifier l'accélération de la charge et le faire de manière contrôlée.

Les principales contraintes à prendre en compte lors de la procédure de dimensionnement peuvent être résumées comme suit :

• Couple maximal
• Couple efficace
• Vitesse maximale
• Caractéristiques vitesse-couple du moteur

En outre, deux régimes d'application doivent être pris en compte :

• Application en service continu
• Application de service intermittent

La différence entre ces deux régimes d'application peut être illustrée par un tour. L'entraînement de broche d'un tour est une application à service continu, car il fonctionne à une vitesse constante sous une charge constante; les entraînements d'axe sont une application à service intermittent, en raison de l'accélération et de la décélération nécessaires pour suivre la trajectoire d'outil requise.

Vitesse et moteurs

Les entraînements des robots et des machines-outils changent continuellement de vitesse pour générer le profil de mouvement requis. La sélection du rapport de démultiplication et sa relation avec le couple généré par le moteur doivent être pleinement prises en compte. Si la charge doit fonctionner à une vitesse ou à un couple constant, le rapport d'engrenage optimal peut être déterminé. En pratique, les cas à considérer incluent l'accélération avec et sans couple de charge appliqué de l'extérieur et les effets des inerties de charge variables.

Une connaissance de la plage de vitesse requise de la charge et une estimation initiale des rapports de réduction nécessaires permettront d'estimer la vitesse maximale du moteur. Pour éviter que le moteur n'atteigne sa vitesse requise, en raison des fluctuations de la tension d'alimentation, la vitesse maximale requise doit être augmentée d'un facteur de 1,2. Ce facteur est satisfaisant pour la plupart des applications industrielles , mais peut être affiné pour une application spéciale, par exemple lorsque le système doit fonctionner à partir d'un approvisionnement restreint comme on le trouve dans des applications aussi diverses que les avions et les plates-formes pétrolières offshore.

Tension

Comme la vitesse de pointe d'un moteur dépend de la tension d'alimentation, des périodes de basse tension doivent être prises en compte. À titre indicatif, un variateur est normalement dimensionné de manière à pouvoir fonctionner à vitesse maximale à 80 % de la tension d'alimentation nominale. Si un système est alimenté à partir d'une alimentation vulnérable aux baisses de tension ou aux pannes de courant, des précautions considérables doivent être prises pour s'assurer que le variateur, son contrôleur et la charge sont protégés contre les dommages ; cela est particulièrement aigu avec les systèmes à microprocesseur qui, s'ils ne sont pas correctement configurés, peuvent se bloquer ou se réinitialiser sans avertissement, ce qui peut entraîner une situation catastrophique.

Lorsque les performances d'accélération sont primordiales, l'inertie du moteur doit être ajoutée à l'inertie de charge réfléchie, et le couple nécessaire pour accélérer cette inertie totale au taux requis doit être déterminé. Une combinaison moteur-entraînement sera nécessaire avec une capacité de couple de pointe d'au moins 1,5 à 2 fois cette valeur pour assurer une capacité de couple suffisante.

Le couple maximal de la combinaison moteur-entraînement doit dépasser, avec une marge de sécurité d'au moins 15 %, la somme du couple de frottement estimé plus le couple d'accélération plus toute charge de couple continue présente pendant l'accélération. Si cela n'est pas réalisable, un moteur ou un rapport de transmission différent sera nécessaire.

Sur les machines à très hautes performances, la dernière génération de variateurs à réglage automatique peut compenser très efficacement les résonances et les vibrations de la machine, assurant des performances précises même à des vitesses très élevées. La compatibilité électromagnétique a une influence considérable sur la conception et l'application d'un système.

Composants de transmission de puissance

Les exigences mécaniques du moteur doivent être identifiées à un stade précoce de la procédure de dimensionnement et de sélection. Les éléments fréquemment négligés incluent toutes les restrictions dimensionnelles et d'orientation résultant de la conception mécanique.

S'ils peuvent être identifiés à un stade précoce, cela peut empêcher des performances insatisfaisantes une fois l'équipement installé. En particulier, si le moteur est monté en position verticale, des précharges spéciales de calage ou de palier peuvent être nécessaires.

Dans la détermination des exigences d'entraînement, les couples de frottement sont peut-être l'aspect le plus difficile de la procédure de dimensionnement du moteur .

Roulements

Dans le cas d'un arbre tournant, un roulement est la méthode de support la plus largement utilisée. De nombreux types différents sont disponibles, dont le plus courant est le roulement à rouleaux et à billes.

Boîtes de vitesses

Un train d'engrenages conventionnel est composé de deux engrenages ou plus pour modifier la vitesse angulaire et le couple entre un arbre d'entrée et de sortie. Les boîtes de vitesses constituent un outil important pour gérer l'inertie. Une boîte de vitesses réduit l'inertie du carré du rapport de démultiplication. Le compromis est que les boîtes de vitesses réduisent également la vitesse du moteur . La plupart des servomoteurs fonctionnent à des vitesses comprises entre 2000 et 6000 tr/min, ce qui leur permet de fonctionner à une vitesse utile même lorsqu'ils sont utilisés avec une boîte de vitesses à rapport de réduction élevé.

Des roues dentées droites ou hélicoïdales sont normalement utilisées dans les trains d'engrenages conventionnels. L'engrenage droit a l'avantage de produire une force axiale minimale, ce qui réduit le problème de tout mouvement des roulements d'engrenage.

Les engrenages hélicoïdaux sont largement utilisés dans les systèmes robotiques car ils offrent un rapport de contact plus élevé que les engrenages droits pour le même rapport de changement de vitesse, la pénalité étant la charge axiale de l'engrenage.

Les facteurs limitants de la transmission par engrenage sont la rigidité des dents de l'engrenage, qui peut être maximisée en sélectionnant la roue dentée de plus grand diamètre pratique pour l'application, tout en minimisant le jeu ou la perte de mouvement entre les engrenages individuels.

Plomb et vis à billes

Dans une vis mère, il y a un contact direct entre la vis et l'écrou, ce qui conduit à un frottement relativement élevé et donc à un entraînement inefficace. Pour les applications de précision, les vis à billes sont utilisées en raison de leur faible frottement et donc de leur bonne réponse dynamique.

Une vis à billes est identique dans son principe à une vis mère, mais la puissance est transmise à l'écrou via des roulements à billes linéaires, dans le filetage de l'écrou.

Entraînement par courroie

L'utilisation d'une transmission par courroie crantée ou par chaîne est une méthode efficace de transmission de puissance entre le moteur et la charge, tout en conservant le synchronisme

Dans l'application d'entraînement linéaire, les mêmes procédures qui ont été appliquées aux vis-mères et à billes peuvent être appliquées à un entraînement par courroie.

Une très bonne référence sur le dimensionnement des moteurs peut être trouvée sur le Web à :
http://www.electricmotors.com/sizing.html