Le cas des moteurs couples à arbre creux

Le concepteur de machines d'aujourd'hui doit évaluer plus de facteurs que jamais lorsqu'il aborde un nouveau projet. De même, l'intégrateur et l'ingénieur de mise à niveau ont étendu leurs options, non seulement en raison des nouvelles technologies, mais également en raison de domaines d'intérêt critiques tels que la réduction de la consommation d'énergie, le temps d'assemblage plus rapide, la réduction des fournisseurs et la réduction de l'encombrement.

Dans le domaine du contrôle de mouvement, un type de moteur avec une histoire relativement courte a fait des progrès significatifs qui nécessitent un nouveau regard sur son potentiel dans de nombreux domaines d'application. Ces applications vont des tables rotatives de machines-outils à diverses machines d'emballage, d'impression, de transformation, d'extrusion, de fabrication de papier, de film plastique et de manutention de matériaux, partout où la direction doit être inversée avec un degré de précision très élevé, sans jeu (hystérésis) et le maintien du mouvement contrôle, contrastant le découplage nécessaire d'un moteur et d'une boîte de vitesses conventionnels.

Entrez dans le moteur à couple synchrone à aimant permanent souvent négligé.

Les moteurs couple sont des entraînements directs conçus pour les axes rotatifs où un couple élevé et une haute précision sont requis à des vitesses relativement faibles. Avec un temps d'installation, des exigences de maintenance, un nombre de composants et un espace alloué considérablement réduits, ces types de moteurs sont souvent des alternatives viables aux motoréducteurs.

Deux variétés populaires de moteurs couple existent aujourd'hui. Il s'agit du moteur couple complet, ne nécessitant qu'un montage direct par bride sur la machine et la connexion du rotor à l'arbre de la machine, et le moteur couple intégré, où le stator et le rotor sont fournis en tant que composants individuels qui sont directement intégrés dans le mécanique des machines.

On trouve souvent des moteurs couple complets sur les entraînements principaux des extrudeuses, les têtes d'alimentation sur les machines de moulage par injection, les entraînements à rouleaux sur les machines à papier, les dispositifs de tréfilage, l'étirage de bandes de machines textiles et les enrouleurs/coupes transversales sur les emballages équipement.

Les moteurs couple intégrés sont généralement utilisés sur les tables rotatives des machines-outils, les axes de pivotement, les tourelles d'outils dynamiques et les broches de tournage, ainsi que les cylindres des presses à imprimer, les rouleaux réfrigérants dans les machines d'étirage de films coulés et de feuilles, les tables d'indexation dans les presses de formage des métaux et tous les autres types d'applications de contrôle de trajectoire et de vitesse hautement dynamiques et de haute précision.

Les deux types de moteurs couple sont dotés d'un arbre creux, qui permet de guider les médias ou les composants mécaniques à travers la cavité du rotor.

Les moteurs couple sont des moteurs synchrones à pôles multiples, dont le fonctionnement est similaire à celui des servomoteurs synchrones rotatifs. Le rotor est équipé d'aimants permanents, tandis que le stator contient les enroulements du moteur. Le nombre élevé de paires de pôles conduit à une conception générant un couple maximal élevé à basse vitesse. Dans le passé, étant donné que les pertes par courants de Foucault augmentaient avec le nombre de paires de pôles et la vitesse de fonctionnement du moteur, les moteurs couple étaient considérés comme applicables uniquement à des vitesses relativement faibles. De nouvelles conceptions refroidies à l'eau ont contré ce principe, permettant une densité de puissance élevée. Les moteurs couple d'aujourd'hui peuvent s'adapter à des vitesses de 1 000 tr/min ou plus.

En raison de ces conceptions de paires de pôles plus élevées et du fait que de nombreux composants de transmission de puissance mécanique qui génèrent du jeu, de la chaleur, des frottements et du bruit sont éliminés, les moteurs couple offrent ces avantages aux concepteurs :

• faible encombrement grâce à une densité de couple élevée ;
• excellente précision de rotation et répétabilité grâce au contrôle direct de la charge ;
• conceptions de machines peu encombrantes, en raison de l'élimination des engrenages et des transmissions par courroie ;
• maintenance réduite résultant directement du fait d'avoir moins de pièces mécaniques dans la transmission ; et,
• efficacité énergétique élevée car les pertes mécaniques dans la transmission sont éliminées.

Bien que plus coûteux que les motoréducteurs, on estime actuellement que les moteurs couple offrent au concepteur un retour sur investissement de trois à quatre ans en économies d'énergie uniquement, ce qui n'inclut pas l'augmentation immédiate des performances et les économies de coûts initiaux, à la fois en matière d'installation et de maintenance. L'utilisation de ces moteurs permet également d'obtenir des avantages évidents en matière de réduction des fournisseurs et d'inventaire.

Sur une ligne typique de film soufflé multicouche, par exemple, l'utilisation de moteurs couple peut réduire de moitié l'encombrement de la section d'extrusion et l'espace de production consommé diminue en conséquence, entraînant une augmentation des taux de production par pied carré.

Les moteurs dynamométriques ont également longtemps été considérés comme sensibles aux produits chimiques et à d'autres contaminations atmosphériques ambiantes, mais de nouvelles conceptions ont été adaptées pour résister aux atmosphères corrosives telles qu'une hotte sèche de papeterie et, étant refroidis à l'eau, fonctionnent de manière satisfaisante dans de nombreux environnements difficiles sans chaleur endommager. Les boîtiers sont disponibles jusqu'à un indice de protection IP54 avec une capacité de surcharge jusqu'à 2,5 fois le couple nominal.

Les moteurs couple réduisent les pertes d'efficacité mécanique à un minimum absolu car ils éliminent la transmission mécanique dans la transmission. Par rapport aux solutions de motoréducteur, le gain d'efficacité est généralement de l'ordre de 10 %, tandis que le gain est plus proche de 70 % lorsque les moteurs hydrauliques sont remplacés dans des applications telles que les machines de moulage par injection. De plus, grâce au contrôle direct et constant de l'arbre de charge sur les moteurs couple, sans jeu ni découplage, une précision de mouvement nettement plus élevée est obtenue, ce qui n'est pas possible dans une solution à engrenage ou à courroie.

Par exemple, dans la production de film étiré, l'application de moteurs à couple sur des rouleaux réfrigérants, des rouleaux de traction, des rouleaux étirables et des enrouleurs a entraîné une amélioration spectaculaire de la qualité de la production. Le contrôle plus précis de la vitesse des rouleaux à entraînement direct permet des démarrages plus rapides lors du passage d'un film à un autre, car la probabilité de fissures dans la bande est minimisée. De plus, la précision de contrôle plus élevée permet la production d'un film plus fin qui est 10 fois plus homogène dans son épaisseur. De même, la configuration rigide de la transmission obtenue avec les moteurs couple permet une montée et une descente plus rapides dans les applications cycliques, conduisant à des cycles plus courts et à une production accrue de produit dans la même période. Dans de nombreuses applications avec des temps cycliques très courts, telles que les tables d'indexation ou les machines de moulage par injection, le passage des entraînements conventionnels aux solutions à entraînement direct a entraîné des augmentations de production de 25 à 30 pour cent en général. Ces résultats indiquent qu'un nombre inférieur de composants signifie désormais un coût de cycle de vie du produit inférieur, ainsi que des taux de défaillance potentiels réduits sur le terrain.

Les autres caractéristiques des moteurs couple d'aujourd'hui qui les rendent plus attrayants pour le concepteur de la machine incluent :

• encodeurs ou résolveurs à valeur absolue ou incrémentale pour un contrôle de mouvement
  amélioré
• plaque signalétique électronique pour une mise en service plus rapide
• options de montage horizontal ou vertical
• options de roulement pour les applications de poussée axiale
• Résistances PTC dans chaque phase, en plus des thermistances KTY standard pour une surveillance optimale de la température

La science émergente de la mécatronique est également essentielle pour les entraînements directs tels que les moteurs à couple et linéaires dans le processus d'intégration, car les protocoles de commande électronique des machines sont essentiels pour surveiller et exécuter les mouvements électromécaniques. Une connaissance approfondie de trois disciplines (ingénierie mécanique, électrique et électronique) est fondamentale pour déterminer l'unité appropriée à la charge. La mécatronique aborde des sujets tels que l'emplacement approprié du codeur, les calculs de réaction par rapport à la force dynamique et la meilleure façon d'intégrer mécaniquement un entraînement direct à haute dynamique dans la machine.

De plus, grâce à diverses techniques avancées de simulation informatisée, les performances mécatroniques peuvent être validées et le dépannage de la conception peut être effectué avant la construction de la première machine. Même sur le terrain, avant et après une mise à niveau ou une reconstruction, les services mécatroniques actuellement disponibles peuvent être utilisés pour la détermination de l'application du produit, l'analyse complète des performances et la compatibilité des contrôles. Alors que les performances d'un nouveau moteur ou d'un nouveau variateur peuvent être jugées satisfaisantes par l'analyse mécatronique, d'autres composants mécaniques, électriques ou électroniques peuvent faire défaut. C'est précisément cette approche globale et intégrée qui permet à la mécatronique de gagner rapidement sa place dans le schéma global de développement et d'utilisation des machines.

En conclusion, avec l'accent mis aujourd'hui sur la maîtrise des coûts, l'efficacité énergétique et une productivité accrue sur chaque type de conception de machine, il est impératif que toutes les options viables soient explorées. Lors de la conception de la transmission sur de nombreuses machines, les avantages des moteurs couple décrits dans cet article auront un impact positif sur les résultats globaux du projet. Les moteurs couple peuvent offrir une grande flexibilité dans les applications de conception, de modernisation et de reconstruction, et ils ont des capacités étendues qui font pression pour leur mise en œuvre sur plus de types de machines.

Pour plus d'informations sur les moteurs couple, contactez Siemens Industry Inc., Drive Technologies – Motion Control, par téléphone (847-640-1595), par e-mail [email protected] ou sur le Web (www.usa.siemens.com /contrôle de mouvement).

Quatre photos ci-dessus :les moteurs couple à arbre creux offrent diverses options d'intégration de conception associées à des fonctionnalités de performances avancées pour une meilleure efficacité énergétique, une réduction substantielle des composants et des empreintes nettement plus petites dans les transmissions des machines d'aujourd'hui.

Quatre photos ci-dessous :les applications typiques des moteurs couple avancés d'aujourd'hui incluent a) les machines de coulée de film plastique, b) les presses à imprimer, c) l'équipement de conversion et d) les tables rotatives des machines-outils.