Choix d`une motorisation - Accueil site electrotechnique du lycee

Choix d’une motorisation
Bernard SCHNOERING
14 juillet 2008
Table des matières
1 Présentation de la problématique
2
2 Guide de choix
2.1 Micromoteur courant continu - Faulhaber (0,12 W à 30 W)
2.1.1 Données d’application . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Préselection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Optimisation des points de travail . . . . . . . . . .
2.1.4 Caractéristiques à tension nominale . . . . . . . . .
2.1.5 Durée de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Moteur courant continu - mdp (1 W à 215 W) . . . . . . . .
2.2.1 Critères de choix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Descriptif de l’application . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Entraînement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Transmission utilisée . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5 Caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.6 Cycle de fonctionnement : . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.7 Caractéristiques du fonctionnement . . . . . . . . . .
2.2.8 Environnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.9 Implantation mécanique (espace disponible) . . . . .
2.2.10 Alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.11 Accessoires souhaités . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.12 Nombre de pièces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5
5
5
5
5
3 Caractéristiques techniques
3.1 Micromoteur courant continu - Faulhaber (0,12 W à 30 W) . . . .
3.1.1 1 - Critères en lien à l’énergie électrique . . . . . . . . . . .
3.1.2 2 - Critères en lien à l’énergie mécanique . . . . . . . . . . .
3.1.3 3 - Critères en lien à la transformation . . . . . . . . . . . .
3.1.4 4 - Critères en lien à la constitution technologique . . . . .
3.1.5 5 - Critères en lien à l’environnement . . . . . . . . . . . . .
3.1.6 Valeurs maximales recommandées . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Moteur courant continu - mdp (1 W à 215 W) . . . . . . . . . . . .
3.3 Moteur asynchrone - Leroy Somer (0,09 kW à 200 kW en triphasé)
3.3.1 1 - Critères en lien à l’énergie électrique . . . . . . . . . . .
3.3.2 2 - Critères en lien à l’énergie mécanique . . . . . . . . . . .
3.3.3 3 - Critères en lien à la transformation . . . . . . . . . . . .
3.3.4 4 - Critères en lien à la constitution technologique . . . . .
3.3.5 5 - Critères en lien à l’environnement . . . . . . . . . . . . .
3.4 Réducteur pour moteur asynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8
8
4 Outil d’aide au choix
4.1 Nécessité du dialogue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Tableau de choix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9
9
1
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1
Présentation de la problématique
Choisir une motorisation électrique se situe à la rencontre et à l’intersection de deux disciplines :
le génie mécanique et le génie électrique. L’actigramme fonctionnel du moteur électrique décrit bien la
situation de la problématique.
Fig. 1 – Actigramme motorisation électrique
L’application élabore une valeur ajoutée au niveau d’un système technologique constitué d’une partie
opérative et d’une partie commande. La problématique de la motorisation se pose au niveau de la partie
opérative. Le technicien supérieur en Conception de Produits Industriels (CPI) conçoit les pièces, les
assemblages ... et la motorisation anime ces pièces en vue de réaliser la valeur ajoutée.
La motorisation est au service de l’application pour élaborer une valeur ajoutée. C’est un
point important à garder à l’esprit à toutes les phases du choix.
Lorsque la phase de prédétermination est terminée le choix s’effectue avec des catalogues constructeurs. Intégrer un produit existant coûte moins cher que de projeter de le fabriquer. La suite de l’étude
s’appuie essentiellement sur les informations fournis par les constructeurs de moteur. Ils connaissent leur
métier et ils se situent dans une dynamique d’innovation continue.
L’objet du présent document est d’identifier les données et de les structurer pour en faire
un outil d’aide au choix.
Il existe souvent deux types d’informations dans les catalogues constructeurs : un guide plus ou moins
succinct sur «Comment choisir ?»et les caractéristiques techniques du produit. Les caractéristiques techniques sont autant de critères de choix à questionner par rapport à l’application. Chaque critère a son
importance du fait même que le constructeur donne l’information. Ne pas respecter la valeur d’un critère
conduit au dysfonctionnement du produit, réalisé selon une idée et des contraintes spécifiques.
Les catalogues des constructeurs Nord, Sermes, Leroy Somer, Sew Usocome, ebmpapst, Maxon, mdp
et Faulhaber sont utilisés pour élaborer l’outil d’aide au choix.
L’étude porte essentiellement sur les moteurs courant continu (faible puissance) et les moteurs asynchrones
(80% d’applications industrielles). Pour les autres types de moteurs : brushless, pas-à-pas et linéaire, la
méthodologie reste valable. Chaque type de moteur est caractérisé par des critères propres en lien au
principe de fonctionnement.
2
Guide de choix
2.1
Micromoteur courant continu - Faulhaber (0,12 W à 30 W)
Faulhaber est l’inventeur du bobinage oblique autoportant1 . Dans son catalogue il propose la démarche ci-dessous :
Le concepteur s’appuyant sur les éléments du cahier des charges fonctionnel a défini les données de l’application. Ces données sont le point de départ pour le constructeur.
1 Site
: http ://www.minimotor.ch/
2
2.1.1
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–
–
–
–
–
–
Données d’application
Couple demandé (mNm)
Vitesse requise (rpm ou tr/min)
Cycle de service (%)
Tension d’alimentation max. (V DC)
Courant d’alimentation max. (A)
Dimensions demandées : diamètre et longueur (mm)
Charge sur l’arbre : radiale et axiale (N)
2.1.2
Préselection
Calcul de la puissance mécanique du moteur avec la relation :
P = T ∗ Ω avec T = couple et Ω = vitesse angulaire.
Sélectionner dans le catalogue un moteur avec une puissance max. égale à 1,5 à 2 fois la puissance calculée.
Le constructeur ne donne aucune information sur ce coefficient multiplicateur.
Si la tension d’alimentation disponible est inférieure à la tension nominale du moteur choisi, la puissance
utile max. doit être calculée comme suit :
Pmax = R4 ∗ ( URN − I0 )2 avec R = résistance d’induit, UN = tension nominale et I0 = courant à vide.
2.1.3
Optimisation des points de travail
Pour optimiser le fonctionnement du moteur et sa durée de vie, la vitesse demandée [n] doit être
supérieure à la moitié de la vitesse à vide [n0 ] à la tension nominale et le couple demandé [M] doit être
inférieur à la moitié du couple de démarrage [MH ], soit les relations :
n ≥ n20 et M ≤ M2H
La vérification de ces conditions peut amener à remettre en cause la première sélection. Le choix d’un
réducteur peut s’avérer nécessaire.
2.1.4
Caractéristiques à tension nominale
Une représentation graphique des caractéristiques du moteur peut être obtenu
√ en calculant le courant
de démarrage I = URN et le couple au point maximum de rendement Mopt = MH ∗ MR avec MH =
couple de démarrage et MR = couple de frottement.
2.1.5
Durée de vie
La durée de vie dépend principalement de :
– Point de fonctionnement : couple, vitesse. D’où l’importance de la notion du point de fonctionnement de l’application. Vitesse élevée = usure mécanique accélérée.
– Condition de rotation : continu, réversible, intermittent, très court. D’où la bonne connaissance
de l’application.
– Conditions ambiantes : environnement, chocs, vibrations.
– Méthode d’intégration dans d’autres systèmes.
Ces différentes considérations montrent la réflexion à mener pour adapter au mieux le moteur à la
situation. Des situations d’étude seront traitées en formation.
2.2
Moteur courant continu - mdp (1 W à 215 W)
Le constructeur mdp 2 propose une fiche d’élaboration d’un cahier des charges. Ci-dessous les données
à renseigner :
2.2.1
Critères de choix
Les critères de choix d’un moteur électrique sont dépendants :
– des masses à entraîner (genre, inertie)
2 Site
: http ://www.mdpmotor.fr/produits-mdp-2/catalogue/index.asp
3
– du cycle de fonctionnement (continu, intermittent). Dans le cas du fonctionnement intermittent il
faut déterminer le Couple thermique r
ouP
Couple effectif.
n
Son expression générique est : Tth =
2
T ∗ti
i=1 i
P
avec ti la durée pendant laquelle le couple Ti est
n
t
i=1
–
–
–
–
2.2.2
i
appliqué.
du milieu ambiant (température, humidité, ...)
de l’alimentation (batterie, secteur)
du mode d’asservissement (position, vitesse, mixte)
des contraintes dimensionnelles.
Descriptif de l’application
Quelques lignes présentant le contexte.
2.2.3
–
–
–
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–
–
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2.2.4
–
–
–
–
2.2.5
–
–
–
–
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–
–
–
–
–
2.2.6
Entraînement
Entraînement simple
Asservissement de vitesse
Asservissement de position
Asservissement de vitesse et de position
1 sens de marche
2 sens de marche
Horaire
Anti-horaire
Transmission utilisée
Traction horizontale type enrouleur-dérouleur
Système vis-écrou
Système engrenages
Système poulie + courroie
Caractéristiques
Vitesse souhaitée au moteur [tr/min]
Masse à entraîner [kg] ou couple d’entraînement [Nm]
Couple de démarrage [Nm]
Inertie ramenée au moteur [gcm2 ]
Frottement statique Force [N] ou couple [Nm]
Frottement dynamique Force [N] ou couple [Nm]
Effort de rappel Force [N] ou couple [Nm]
Charge radiale max. [N]
Charge axiale max. [N]
Plage de vitesse [tr/min]
Cycle de fonctionnement :
vitesse=f(t) et couple=f(t)
2.2.7
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Caractéristiques du fonctionnement
Nombre de cycles souhaités
Temps d’arrêt entre chaque cycle [s]
Temps maxi. d’un cycle [s]
Distance à parcourir [mm]
Précision de positionnement [%]
Précision de vitesse [%]
Durée de vie souhaitée [h]
Le moteur peut-il être bloqué sous tension ?
Si oui : combien de temps ? [s]
4
2.2.8
Environnement
– Gamme de température [o C]
– Altitude [m]
– Milieu ambiant
2.2.9
–
–
–
–
–
–
Implantation mécanique (espace disponible)
Longueur [mm]
Largeur [mm]
Hauteur [mm]
Longueur axe avant [mm]
Longueur axe arrière [mm]
Diamètre [mm]
2.2.10
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Tension [V]
Limitation de courant [A]
Courant max. possible [A]
Courant continu
Redressé filtré
Taux d’ondulation
Batterie
Courant alternatif
Fréquence [Hz]
2.2.11
–
–
–
–
–
–
Alimentation
Accessoires souhaités
Génératrice tachymétrique
Codeur incrémental
Frein
Electronique de commande
Alimentation de puissance
Câblage
2.2.12
Nombre de pièces
– Prototype
– Pré-série
– Série
Nota
Plusieurs moteurs peuvent répondre au besoin d’une application.
3
Caractéristiques techniques
Le décodage du document constructeur est mis en forme selon le modèle de l’actigramme.
3.1
Micromoteur courant continu - Faulhaber (0,12 W à 30 W)
Les différents critères permettent, selon la vision du constructeur, d’ajuster au mieux le moteur à
l’application. La compréhension de ces données techniques est travaillée en formation à travers
la théorie et la technologie du moteur courant continu.
3.1.1
1 - Critères en lien à l’énergie électrique
– Tension nominale UN [V]
– Courant à vide I0 à ±50% [A]. Influencé par la température.
5
Fig. 2 – Actigramme de décodage
3.1.2
2 - Critères en lien à l’énergie mécanique
Puissance utile Pmax [W]. Pmax = R4 ∗ ( URN − I0 )2
Vitesse à vide n0 à ±12% [rpm]. Moteur sans charge. n0 = (UN − I0 ∗ R) ∗ 1000
kE
Couple de démarrage MH [mNm]. MH = kM ∗ ( URN − I0 ) fortement influencé par la température.
Couple de frottement MR [mNm]. MR = kM ∗ I0 . Couple de pertes causées par le frottement des
balais-collecteurs et des paliers. Influencé par la température.
– Pente de la courbe n/M [rpm/mNm]. Variation de vitesse du moteur sous une variation de charge.
Plus cette valeur est faible et meilleure est la performance du moteur. n/M = 30000
∗ kR2
π
–
–
–
–
M
– Accélération angulaire αmax [103 rad/s2 ]. Accélération du moteur au démarrage sans charge. αmax =
MH ∗10
.
J
– Charge max. sur l’arbre [N]. Durée de vie supérieure à 1000 heures. Charge radiale à 3000 rpm (1,5
mm du palier), charge axiale à 3000 rpm, charge axiale à l’arrêt.
3.1.3
–
–
–
–
–
–
3.1.4
3 - Critères en lien à la transformation
q
Rendement ηmax [%]. ηmax = (1 − IU0 ∗R
)2 ∗ 100
N
Constante de vitesse kn [rpm/V]. Variation de vitesse par volt appliqué aux bornes du moteur à
charge constante.
Constante FEM kE [mV/rpm].
Constante de couple kM [mNm/A]
Constante de courant kI [A/mNm]. kI = k1M
Sens de rotation : vu côté face avant, + au pôle positif - rotation sens horaire.
4 - Critères en lien à la constitution technologique
– Résistance de l’induit R à ±12% [Ω]
– Inductance L [µH]. Inductance mesurée aux bornes du moteur à 1 kHz.
– Constante de temps mécanique τm [ms]. Temps nécessaire au moteur pour atteindre 63% de la
vitesse finale à vide, à partir d’une position arrêtée.
– Inertie du rotor J [gcm2 ]. Moment d’inertie dynamique du rotor. Voir le principe fondamental de
la dynamique.
– Résistances thermiques Rth1 /Rth2 [K/W]. Rth1 donne la différence des températures entre bobinage
et boîtier par Watt dissipé, Rth2 celle entre boîtier et air ambiante. Avec un radiateur ou une
ventilation on peut réduire Rth2 .
6
– Constante de temps thermiques τw1 /τw2 [s]. Temps nécessaire au rotor, respectivement au stator,
pour atteindre 63% de la température finale.
– Paliers de l’arbre. Type de paliers.
– Jeu de l’arbre [mm] mesuré en sortie de paliers.
– Matériau du boîtier et sa surface de protection.
– Poids total [g]
3.1.5
5 - Critères en lien à l’environnement
– Température d’utilisation [o C]. Températures min. et max. autorisées pour le rotor et le stator.
3.1.6
Valeurs maximales recommandées
Valeurs maximales recommandées, en régime continu, sans refroidissement forcé, pour une performance de vie optimale. Les valeurs sont indépendantes les unes des autres.
– Vitesse nemax. [rpm]
– Couple Memax. [mNm]
– Courant Iemax. [A]
Nota
Lors du choix chacun de ces critères peut être déterminant. Tout dépend de l’application.
Les valeurs à tous ces critères sont données sur un exemple, à l’adresse :
http ://www.minimotor.ch/minicatalog/pdf/DCMicromotors/M1024_FR.pdf.
3.2
Moteur courant continu - mdp (1 W à 215 W)
Les données techniques sont analogues à celles du constructeur Faulhaber.
Voir une fiche technique à l’adresse :
http ://www.mdpmotor.fr/produits-mdp-2/catalogue/liste.asp ?idGamme=3.
3.3
Moteur asynchrone - Leroy Somer (0,09 kW à 200 kW en triphasé)
Les caractéristiques techniques sont :
3.3.1
–
–
–
–
3.3.2
–
–
–
–
3.3.3
1 - Critères en lien à l’énergie électrique
Tension d’alimentation.
Type de réseau : monophasé, triphasé.
Intensité sous 400 V [A]
Courant démarrage/Courant nominal
2 - Critères en lien à l’énergie mécanique
Puissance nominale à 50 Hz [kW]
Vitesse nominale [min-1 ]
Couple démarrage/Couple nominal
Couple maximal/Couple nominal
3 - Critères en lien à la transformation
– Rendement [%]
3.3.4
–
–
–
–
–
–
–
4 - Critères en lien à la constitution technologique
Indice de protection IP (corps solides et liquides) et IK (chocs mécaniques).
Imprégnation et protection renforcée du bobinage.
Classe d’isolation.
Raccordement au réseau : position de la boîte à bornes, couplage étoile ou triangle.
Facteur de puissance
Moment d’inertie [kg.m2 ]
Protection thermique incorporée dans le bobinage.
7
3.3.5
5 - Critères en lien à l’environnement
– Contraintes liées à l’environnement : altitude, température ambiante, humidité.
Nota :
Observez que les informations données pour le moteur asynchrone diffèrent de celles pour le moteur
courant continu. Ces informations sont intimement liées au principe de fonctionnement du moteur, d’où
son étude en formation.
3.4
Réducteur pour moteur asynchrone
Spécialiste des motoréducteurs Sew Usocome3 et Leroy Somer4 donnent les informations ci-dessous :
– Mode d’exécution : à pattes, à flasque-bride, à arbre creux avec clavette ou frette de serrage, à arbre
plein à gauche, arbre plein à droite, arbre plein à gauche et à droite.
– Position de montage avec indication de l’implantation des bouchons de remplissage et de vidange.
– Rapport de réduction.
– Facteur d’utilisation futotal tient compte :
• de la nature des charges, fonction du rapport du moment d’inertie de la charge ramené à l’arbre
moteur sur le moment d’inertie de la masse du moteur :
Uniforme : convoyeurs à bande, ascenseurs légers, machines d’emballage, ventilateurs, petites
pompes centrifuge, moteur d’avance pour machine outil, mélangeurs pour substance de consistance uniforme, chaîne de montage, petits agitateurs, machines de contrôle.
Irrégulière : Moteur de broche de machine outil, gros ascenseurs, orientation de grue, grosses
pompes centrifuges, mélangeurs pour substances de consistance non uniforme, ventilateurs de
mine, machines à bois, levage, compresseur à piston, extrudeuses, équilibreuses, bétonneuses,
broyeurs, machines à cintrer, pompes à engrenages.
Très irrégulière : Concasseurs, moulins, presses à briques, excavateurs, mélangeurs lourds, cisailles, centrifugeuses, laminoirs, broyeurs à meules, vibreurs, treuils, portes coulissantes,
chaînes à godets.
• de la durée d’utilisation par jour
• de la fréquence de démarrages par heure
• de la température ambiante
• du facteur de marche
– Couple effectif en sortie maximum admissible. Voir la notion de Couple thermique 2.2.1 (page 3).
– Couple de sortie maximal pour un fonctionnement continu sous une charge constante.
– Couple de sortie limite est le couple admit en statique ou sur une courte durée de fonctionnement
sans détruire l’appareil. Cette valeur ne doit pas être dépassée lors d’un choc.
– Puissance thermique donnée pour une température ambiante de 20 o C. Elle est fonction de la
puissance d’entrée qui fait atteindre au réducteur la température maximum admissible par les
joints d’étanchéité.
– Effort radial sur l’arbre d’entrée.
– Effort radial sur l’arbre de sortie.
– Effort axial qui peut être combiné à l’effort radial.
– Rendement dynamique, statique au démarrage et inverse ηinv = 2 − η1
– Réversibilité. Si ηinv <0 le réducteur est dit irréversible.
– Conditions ambiantes : température, ...
Nota :
La chaîne complète de motorisation se compose souvent :
– d’un variateur de vitesse
– d’un moteur
– d’un réducteur
Au détour d’un constructeur non étudié d’autres critères peuvent apparaître. La liste présentée n’est pas
exhaustive.
3 Site
4 Site
: http ://www.sew-usocome.fr/
: http ://www.leroysomer.com/index_fr.php
8
4
4.1
Outil d’aide au choix
Nécessité du dialogue
L’ensemble des critères montrent que le choix d’une motorisation est complexe et multicritères. Aussi
le choix s’inscrit dans un dialogue entre le concepteur et le constructeur. Les étudiants en Section de
Technicien Supérieur l’ont bien compris. Ils téléphonent facilement aux constructeurs pour élaborer avec
eux une solution au cahier des charges fonctionnel, mais cela suppose une connaissance suffisante de
l’application. L’analyse systématique des différents critères est une aide pour définir aussi précisément
que possible l’application. Elle peut aussi être source de créativité par association d’idées.
Fig. 3 – Dialogue Concepteur - Constructeur
4.2
Tableau de choix
Présentation générique du tableau de choix. Il sera pratiqué sur des applications durant la
formation.
Critères
CdCf application
Critères de choix
Exemple pour un moteur courant continu :
Tension alimentation
Décision
Valeur du cahier des
charges pour ce critère
Document
constructeur
Valeur du catalogue
constructeur
20 V
24 V
Ok, mais il faudra recalculer la vitesse pour
20 V
Le critère est-il validé ?
Nota :
Le lecteur pourra personnaliser la présentation du tableau de choix à sa convenance, notamment en
concevant une matrice avec un logiciel Tableur ou un formulaire à renseigner.
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