Dimensionnement moteur et système d'entraînement : éviter le sous- ou sur-dimensionnement pour une performance optimale

Un dimensionnement correct est un aspect crucial de la sélection du moteur. Si un moteur est sous-dimensionné, il ne pourra pas contrôler la charge, entraînant un dépassement et des oscillations.

Le sur-dimensionnement d'un système est aussi mauvais que le sous-dimensionnement – il peut contrôler la charge mais il sera aussi plus grand et plus lourd, ainsi que plus cher en termes de prix et de coûts d'exploitation. Il peut ne pas s'adapter physiquement et coûtera certainement plus. Il utilisera plus d'espace précieux dans une armoire de commande ou sur le plancher d'usine.

Quoi considérer lors de l'achat d'un moteur ?

Trop souvent, les fournisseurs reçoivent simplement un appel demandant un moteur d'une certaine puissance. L'ingénieur peut acheter un moteur de la même taille que celui d'une plateforme précédente. Il peut avoir ajouté une marge de sécurité importante pour compenser les changements. Il peut avoir utilisé un rapport de 10:1 ou 5:1 entre l'inertie de charge et l'inertie du moteur – ou un mélange de ce qui précède.

L'objectif devrait être de spécifier un moteur qui fournit la vitesse, l'accélération et le couple requis pour positionner la charge à l'emplacement désigné et au moment désiré. Cela peut inclure une marge de sécurité conçue pour compenser la variation moteur-à-moteur ou les changements attendus dans les conditions de fonctionnement de la machine. La marge de sécurité devrait être ajoutée sur un calcul informé, cependant.

Une erreur courante est de choisir un moteur avec un couple de service continu égal au couple maximal requis par l'application (généralement vu lors d'accélérations/décélérations extrêmes). Les applications de contrôle de mouvement consistent fréquemment en des mouvements brefs et rapides. Choisir un moteur dimensionné pour générer ce couple en continu signifie essentiellement payer pour plus de moteur que nécessaire.

Dimensionnement moteur-variateur

Pour dimensionner efficacement le moteur, il est nécessaire de calculer l'inertie de charge (JL). Le rapport de l'inertie de charge à l'inertie du moteur (essentiellement, l'inertie du rotor) donne une mesure de la façon dont le moteur peut contrôler la charge efficacement. Un rapport d'inertie élevé indique un système qui aura du mal 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 pour contrôler la charge, mais révèle aussi que le moteur peut être surdimensionné pour le système.

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

Le processus de sélection implique la collecte de données suivie d'une analyse détaillée. Il nécessite la connaissance du système mécanique, des paramètres de fonctionnement et des circonstances dans lesquelles l'équipement sera utilisé. Il doit également inclure les détails de l'environnement de fonctionnement, car s'ils ne sont pas considérés à un stade précoce, le système sélectionné peut ne pas être approprié.

L'inertie – la tendance d'un objet à résister aux changements d'accélération – est l'un des défis principaux dans le contrôle de mouvement. Le moteur doit être capable d'appliquer une force suffisante (dans un système linéaire) ou un couple (dans un système rotatif) pour changer l'accélération de la charge et le faire de manière contrôlée.

Les principales contraintes à considérer lors de la procédure de dimensionnement peuvent être résumées comme suit :

• Couple de pointe
• Couple RMS
• Vitesse maximale
• Caractéristiques vitesse-couple du moteur

De plus, deux régimes d'application doivent être considérés :

• Application à service continu
• Application à 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 vitesse constante sous charge constante ; les entraînements d'axe sont une application à service intermittent, en raison de l'accélération et de la décélération requises pour suivre le chemin d'outil requis.

Vitesse et moteurs

Les entraînements de robots et de machines-outils changent continuellement de vitesse pour générer le profil de mouvement requis. La sélection du rapport de réducteur et sa relation avec le couple généré par le moteur doivent être pleinement considérées. Si la charge doit fonctionner à vitesse constante, ou couple, le rapport de réducteur optimal peut être déterminé. En pratique, les cas à considérer incluent l'accélération avec et sans couple de charge appliqué extérieurement 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 réducteur requis permettront d'estimer la vitesse de pointe du moteur. Pour empêcher le moteur de ne pas atteindre sa vitesse requise, en raison des fluctuations de la tension d'alimentation, la vitesse maximale requise devrait 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'une alimentation restreinte comme dans des applications aussi diverses que l'aéronautique et les plates-formes pétrolières offshore.

Tension

Comme la vitesse de pointe d'un moteur dépend de la tension d'alimentation, les périodes de basse tension doivent être considérées. Comme directive, un variateur est normalement dimensionné pour pouvoir fonctionner à vitesse de pointe à 80 % de la tension d'alimentation nominale. Si un système est alimenté par une source vulnérable aux baisses de tension ou coupures, un soin considérable devra être pris pour garantir que le variateur, son contrôleur et la charge sont protégés contre les dommages ; ceci est particulièrement aigu avec les systèmes à microprocesseur, qui, s'ils ne sont pas correctement configurés, peuvent se verrouiller ou redémarrer sans avertissement, menant à une situation catastrophique possible.

Lorsque la performance d'accélération est primordiale, l'inertie du moteur doit être ajoutée à l'inertie de charge refléchie, et le couple requis pour accélérer cette inertie totale au taux requis doit être déterminé. Une combinaison moteur-variateur 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 de pointe de la combinaison moteur-variateur doit dépasser, par une marge de sécurité d'au moins 15 %, la somme du couple de frottement estimé plus le couple d'accélération plus tout couple de charge continu présent pendant l'accélération. Si cela n'est pas réalisable, un moteur différent ou le rapport de réducteur sera requis.

Sur les machines à très haute performance, la dernière génération de variateurs à auto-réglage peut compenser très efficacement les résonances et vibrations de la machine, soutenant une performance précise 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 dans la procédure de dimensionnement et de sélection. Les éléments fréquemment négligés incluent toute restriction dimensionnelle et d'orientation résultant de la conception mécanique.

Si ceux-ci peuvent être identifiés à un stade précoce, cela peut prévenir une performance insatisfaisante une fois l'équipement installé. En particulier, si le moteur est monté en position verticale, des calages spéciaux ou des précharges de roulement peuvent être requis.

Dans la détermination des exigences de l'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 rotatif, 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.

Réducteurs

Un train d'engrenages conventionnel est composé de deux ou plusieurs engrenages pour changer la vitesse angulaire et le couple entre un arbre d'entrée et de sortie. Les réducteurs fournissent un outil important pour gérer l'inertie. Un réducteur réduit l'inertie par le carré du rapport de réducteur. Le compromis est que les réducteurs réduisent aussi la vitesse du moteur. La plupart des moteurs servo fonctionnent à des vitesses entre 2000 et 6000 tr/min, ce qui leur permet de fonctionner à une vitesse utile même lorsqu'ils sont utilisés avec un réducteur à rapport de réduction élevé.

Des engrenages droits ou hélicoïdaux sont normalement employés 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 donnent un rapport de contact plus élevé par rapport aux engrenages droits pour le même rapport de changement de vitesse, la pénalité étant la charge axiale d'engrenage.

Les facteurs limitants dans la transmission par engrenages sont la rigidité des dents d'engrenage, qui peut être maximisée en sélectionnant le plus grand diamètre de roue d'engrenage pratique pour l'application, conjointement avec la minimisation du jeu ou du mouvement perdu entre les engrenages individuels.

Vis à billes et vis de guidage

Dans une vis de guidage, il y a un contact direct entre la vis et l'écrou, ce qui mène à un frottement relativement élevé et donc 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 en principe à une vis de guidage, mais la puissance est transmise à l'écrou via des roulements à billes linéaires, dans le filet de l'écrou.

Entraînement par courroie

L'utilisation d'une courroie crantée ou d'un entraînement 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 de guidage 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 :
https://www.electricmotors.com/sizing.html