Chez Rotero, nous fournissons principalement des petits moteurs et des entraînements. Les informations ci-dessous doivent être considérées dans cette optique. Les valeurs indiquées ne s’appliquent pas aux entraînements plus puissants, car leur conception est très différente (notamment en raison du prix final du produit).
Lorsque des machines anciennes doivent être modernisées, on nous demande régulièrement si nous pouvons proposer une alternative aux anciens moteurs à courant continu ou alternatif. Bien sûr, il faut un moteur sans balais de charbon pour des raisons de durée de vie. Et, oh oui, il doit être plus précis et réagir plus rapidement. Car la puissance de la machine doit être légèrement augmentée. Un tel moteur sans balais a en effet un rendement beaucoup plus élevé.
La surprise est généralement grande lorsqu’un servomoteur ou un moteur BLDC deux à trois fois plus puissant que le moteur actuel est recommandé. Sans parler de la surprise concernant le coût!
Lorsque la situation ci-dessus se produit, la cause réside généralement dans l’inertie de la pièce entraînée. Un moteur sans régulation ni rétroaction est généralement très efficace pour entraîner des masses importantes sans que l’utilisateur ne remarque les variations de vitesse qui se produisent ou une température légèrement plus élevée du moteur. Dans le cas des moteurs à courant continu, on entend souvent dire que « le moteur est beaucoup trop lourd, car il ne chauffe pratiquement pas ».
Moteur à courant continu sans balais
Un moteur sans balais est généralement équipé de capteurs à effet Hall pour surveiller la position du rotor et donc la vitesse de rotation. Dans le cas des servomoteurs, un codeur angulaire est monté sur l’arbre du moteur afin de pouvoir surveiller le mouvement avec encore plus de précision. Il existe également des systèmes qui combinent ces deux technologies. Un composant électronique est nécessaire pour faire fonctionner le moteur. Celui-ci est nécessaire pour alimenter les bobines du stator au bon moment afin que les aimants permanents rotatifs situés dans le rotor restent en mouvement. La position du rotor est donc surveillée en permanence pendant le mouvement. Et c’est là que les difficultés commencent…
En principe, cela fonctionne comme suit : dès que la charge change légèrement, la vitesse du rotor change également et devance ou retarde l’excitation des bobines. Si l’écart de la position du rotor devient trop important, le moteur ne pourra plus fonctionner correctement. Pour éviter cela, le système électronique intervient immédiatement et tente de freiner ou d’accélérer le rotor. Cependant, l’écart doit être corrigé avant que le pôle magnétique suivant ne passe, ce qui laisse peu de temps pour effectuer la correction. Les bobines doivent donc être fortement alimentées. Malheureusement, la puissance pouvant être fournie pour cette action est limitée. Pour une inertie donnée, l’accélération ou la décélération que le moteur peut réaliser est donc également limitée. En d’autres termes, pour un moteur donné, l’inertie maximale qu’un moteur sans balais peut « gérer » est limitée.
Moteur à courant continu avec balais
Dans ce cas, un moteur à courant continu avec balais tournera pendant un certain temps à une vitesse inférieure ou supérieure à la vitesse souhaitée (ou réglée) et, après un certain temps, l’écart sera corrigé. En effet, ce type de moteur atteint toujours la vitesse correspondant à la tension appliquée. En cas de variation de la charge, la vitesse change légèrement et le moteur fournit plus ou moins de couple pour finalement revenir à la vitesse correcte. Voir également l’article Comment lire les caractéristiques d’un moteur à courant continu?. Dans la pratique, cette augmentation ou cette diminution du couple peut prendre plusieurs tours du moteur. Il en résulte généralement un changement minime de la température du moteur.
Le point mentionné précédemment concernant la durée de vie plus longue d’un moteur sans balais (par rapport à un moteur à balais) est tout à fait vrai. La durée de vie d’un moteur sans balais est certainement plus longue que celle d’un moteur à balais. Cette durée de vie dépend entièrement (à condition d’une utilisation correcte) de la durée de vie des roulements à billes utilisés. La durée de vie des roulements à billes est déterminée par la dégradation de la graisse utilisée. Et celle-ci est fortement influencée par la température. En général, la durée de vie des roulements dans un moteur sans balais est d’environ 30 000 heures. La durée de vie varie en fonction de la température, comme le montre le graphique suivant.
Comme vous pouvez le voir sur le graphique, une légère augmentation de la température de 15 degrés suffit à réduire de moitié la durée de vie. L’inverse est également vrai. Il est donc tout à fait judicieux de refroidir!
Cependant, lorsqu’il est nécessaire d’utiliser un réducteur, c’est généralement sa durée de vie qui sera déterminante. En général, la durée de vie des réducteurs est de 5 000 ou 10 000 heures. Si la courroie dentée qui se trouve sur l’arbre du moteur est un peu (trop) tendue, il ne restera qu’une partie de cette durée de vie.
En partant d’une durée de vie des balais de charbon d’un moteur à courant continu de 3 000 à 5 000 heures (ce qui est approximativement atteint par les moteurs de bonne qualité), on peut donc se demander quel est l’intérêt d’un moteur sans balais. D’autant plus que de nombreuses applications mettent plusieurs années à atteindre 3 000 heures de fonctionnement.
Pour illustrer ce qui précède concernant le dimensionnement lié à l’inertie de masse, prenons l’exemple suivant :
Un petit convoyeur est utilisé pour acheminer des pots de colle vers un poste de travail où ceux-ci sont munis d’un couvercle. Jusqu’à présent, ce convoyeur était entraîné par un moteur à courant continu à balais assez standard.
- Le diamètre des rouleaux de circulation est de 50 mm.
- La vitesse requise est de 1 m/sec (soit une vitesse de rotation d’environ 382 tr/min).
- Fonctionnement marche/arrêt
- La charge maximale lorsque le pneu est rempli de pots est de 10 kg.
Après quelques calculs, nous obtenons les chiffres clés pour l’application suivants:
- Inertie sur l’arbre moteur (ou sur l’arbre du réducteur) = 90 Kgcm2
- Couple nécessaire pour démarrer en 0,2 seconde = 2,3 Nm
- Le couple nécessaire pour tourner est de 1,4 Nm.
Pour ce type d’exigences, un moteur à courant continu d’environ 60 W – 3 000 tr/min avec un réducteur à engrenages avec un rapport de 1:7 ou 1:8 pourrait déjà suffire (données moteur Kählig M63x60).
Lorsque nous choisissons un moteur sans balais (BLDC), nous constatons dans le catalogue d’Oriental Motor (série BLH) indique qu’un tel moteur ne peut supporter qu’une inertie de masse d’environ 22 Kgcm2. Nous devons alors nous tourner vers un moteur de 200 W avec réducteur de la série BLV. Cette combinaison est toutefois environ 3 fois plus grande que le moteur à balais.
Il existe bien sûr sur le marché un moteur BLDC plus petit capable d’entraîner correctement ce convoyeur, mais le fait est qu’il n’est pas possible de remplacer simplement un moteur à balais par un moteur sans balais. Cela nécessite souvent toute une série d’adaptations de l’installation.
Texte : Gerrit Minnée
Illustrations : Oriental Motor
