Les applications dans lesquelles les moteurs électriques sont utilisés peuvent être réparties dans deux grands groupes, ce qui fournit les premiers critères de sélection d’un type de moteur. Le premier groupe concerne les applications d’entraînement, le moteur pouvant mettre et maintenir des systèmes en mouvement comme des convoyeurs, des pompes et des compresseurs. Le second groupe aborde le mouvement contrôlé comme le positionnement de charges et autres applications de contrôle de mouvement. Dans le premier groupe, l’accent est généralement mis sur la puissance délivrée. Dans le second, c’est la précision qui est essentielle.
Toute une série de critères peuvent aider à déterminer le choix, comme la tension d’alimentation disponible, le couple ou la puissance utile, l’inertie de la charge. Le coût de possession peut également jouer un rôle, le coût énergétique étant un point d’attention particulier.
Moteur à induction asynchrone
Le moteur à induction asynchrone est un classique dans l’entraînement électrique. Le terme asynchrone fait référence au fait que le rotor (la partie rotative du moteur) tourne à une vitesse inférieure à celle du champ magnétique généré par le courant alternatif dans le stator (la partie fixe du moteur). Le moteur à induction asynchrone a le grand avantage d’être robuste et de démarrer automatiquement. Une commande externe est donc exclue, bien qu’un démarreur progressif ou un variateur de fréquence peut permettre d’éviter les courants de commutation élevés. Un inconvénient est que le rendement est généralement faible. Les versions modernes dans la classe d’efficacité 4 (selon la norme IEC 60.034) atteignent un rendement supérieur, pouvant aller jusqu’à 95%.
Le moteur à induction asynchrone est typiquement utilisé dans des applications de pompes et de ventilateurs, des compresseurs, des convoyeurs et de nombreux appareils électroménagers.
Moteur à réluctance synchrone
Dans un moteur synchrone, le rotor tourne à la même vitesse que le champ magnétique dans le stator, ce qui présente l’avantage de pouvoir régler la vitesse avec précision. Le moteur à réluctance synchrone se caractérise par un rotor sans bobinages ni aimants permanents. À la place, un rotor est utilisé dont la section correspond à la forme du champ magnétique généré par le stator. Le champ magnétique s’accroche en quelque sorte à la forme du rotor et induit le mouvement. Robuste et polyvalent, ce type de moteur se distingue par un rendement élevé. Un inconvénient est qu’il ne démarre pas automatiquement, il faut donc prévoir une électronique externe pour le commander. Dans les formes hybrides, cet inconvénient est surmonté en plaçant une cage supplémentaire sur le rotor, comme celle d’un moteur asynchrone, pour que le moteur puisse démarrer comme un moteur asynchrone sans commande.
Moteur synchrone classique
À l’instar des deux types de moteurs précédents, le moteur synchrone classique est souvent mis en œuvre dans les applications d’entraînement sans contrôle de mouvement spécifique. Il y a généralement des électroaimants dans le rotor, permettant de réaliser des puissances très élevées. Les électroaimants sont alimentés via des bagues collectrices par une tension continue réglable. Le moteur synchrone présente les avantages mentionnés plus haut, comme une régulation précise de la vitesse et un haut rendement énergétique. Ce moteur est généralement commandé via un variateur de fréquence car il ne démarre pas automatiquement.
Ce type de moteur est souvent utilisé dans les industries lourdes où des grandes puissances sont requises. Une application particulière concerne la compensation du facteur de puissance dans les réseaux d’électricité.
Moteur à courant continu avec balais
Le moteur à courant continu est un quatrième type de moteur utilisé dans les applications d’entraînement, dont les bobinages dans le rotor sont alimentés par des contacts glissants et des balais. Un commutateur sur la bague collectrice veille à l’inversion du champ magnétique deux fois par rotation, ce qui maintient le moteur en mouvement. Les grands avantages sont la simplicité, le faible coût et un bon contrôle de la vitesse. Le stator a généralement des aimants permanents mais des bobinages peuvent être utilisés pour créer un champ magnétique. On parle alors de moteur à courant continu commuté en série ou shunt.
En raison de l’usure des balais, ce type de moteur est rarement utilisé dans les applications industrielles. On le retrouve souvent dans les appareils électroménagers et les jouets.
Moteur pas à pas
Dans le groupe des applications de mouvements contrôlés, le moteur pas à pas est un type de moteur important. Il peut être réalisé comme un moteur à réluctance avec un rotor denté ou avoir des aimants permanents dans le rotor. Il y a aussi les moteurs pas à pas hybrides, avec des aimants dentés, les plus utilisés dans les applications industrielles. La fonction pas à pas a lieu par un contrôle consécutif des phases dans le stator, faisant ainsi sauter le rotor dent par dent. En principe, ce moteur n’a pas besoin de rétroaction pour l’exécution d’un mouvement contrôlé, mais il existe des versions avec un codeur qui, à chaque pas, fournit une rétroaction à la commande pour savoir s’il a été correctement exécuté.
Les moteurs pas à pas sont mis en œuvre dans des applications nécessitant des faibles puissances comme des imprimantes, des applications CNC compactes et la robotique.
Moteur à courant continu sans balais
Le moteur à courant continu sans balais est fondamentalement l’inverse du moteur à courant continu avec balais mentionné plus haut, les bobinages étant sur le stator avec un aimant permanent dans le rotor. L’avantage est qu’il ne faut plus de balais pour transmettre la tension sur le rotor. L’inconvénient est qu’il n’y a plus de commutateur et il faut donc une régulation électronique avec une rétroaction du moteur pour contrôler l’inversion de la tension. Le moteur à courant continu sans balais est compact et peut atteindre des vitesses très élevées.
Le moteur à courant continu sans balais est typiquement utilisé dans les outils manuels, les drones, les vélos électriques et les robots compacts.
Servomoteur asynchrone
Le servomoteur asynchrone fonctionne comme le moteur à induction mais il possède un codeur intégré pour la rétroaction de sa position. Le moteur est typiquement équipé d’un rotor plus fin et plus long, ce qui réduit l’inertie et permet une dynamique plus élevée à la commande. Ce type de moteur peut fournir des vitesses et des puissances élevées.
Le servomoteur asynchrone est mis en oeuvre dans les machines-outils et autres applications d’asservissement nécessitant une puissance élevée.
Servomoteur synchrone
Le servomoteur synchrone est le type de moteur le plus couramment utilisé dans les applications à mouvement contrôlé. Il possède généralement un puissant aimant permanent comme rotor, ce qui conduit à un rendement supérieur à celui des moteurs dans lesquels le champ magnétique dans le rotor est généré par induction. Ce type de moteur se caractérise par sa compacité, sa densité de puissance élevée et la régulation précise de la vitesse et du couple.
Le servomoteur synchrone est largement utilisé dans les applications robotiques et les applications CNC avancées.
Moteur linéaire
Enfin, dans le moteur linéaire, l’énergie électrique est directement convertie en un mouvement linéaire, de sorte qu’aucune courroie crantée ou broche n’est nécessaire pour obtenir un mouvement linéaire. Le moteur peut être synchrone ou asynchrone, avec des aimants sur toute la longueur de l’axe. Les moteurs linéaires sont dynamiques et très précis, mais ils deviennent rapidement coûteux pour des déplacements plus importants.
Le moteur linéaire est principalement utilisé dans des applications où sa grande précision est requise, comme dans l’électronique et les systèmes d’impression.
Electric Motion Sizing Tool
Dans son offre en moteurs électriques, Festo se focalise sur les moteurs pas à pas et les servomoteurs synchrones. En comptant les variantes et les accessoires, cela représente un large éventail d’opportunités et de choix. Un outil interactif a donc été développé – l’Electric Motion Sizing Tool - pour guider l’utilisateur dans la sélection d’une solution optimale.
Avec cet outil, l’utilisateur définit en quelques étapes son application et un cycle de mouvement, en prenant notamment en compte des dimensions physiques, un certain nombre de caractéristiques de la charge et des intervalles de temps au cours desquels des mouvements successifs doivent avoir lieu. L’outil propose toute une série d’options pour réaliser l’application, en indiquant à chaque fois des produits concrets, les paramétrages et les fichiers et documents utiles pour réaliser l’application. La connectivité à un automate programmable et la configuration des variateurs sont également abordés.
Asservissement complet avec le moteur pas à pas
Mentionnons une nouvelle tendance dans le domaine de l’entraînement électrique, à savoir l’utilisation d’un moteur pas à pas hybride entraîné par un servovariateur. Ce moteur se comporte comme un moteur CC sans balais et combine des performances et une dynamique élevées à un contrôle de mouvement précis et un prix attractif.
Chez Festo, ce type de moteur est proposé avec des variateurs multi protocoles, des fonctions spéciales pour le contrôle vectoriel et l’affaiblissement du champ. Ce moteur peut également être freiné de manière contrôlée lors d’un arrêt d’urgence et permet, grâce à sa régulation précise, toutes sortes d’applications avec une interpolation 3D.
Variateurs décentralisés
Une dernière tendance dans la technologie de l’entraînement électrique est l’utilisation de variateurs décentralisés qui forment une unité avec un moteur et peuvent être placés sur le terrain, en alternative au placement de variateurs individuels dans une armoire de commande. Le grand avantage est que l’on peut appliquer le principe d’une connexion en série où un seul câble va d’une unité moteur à l’autre, assurant à la fois l’alimentation électrique et la communication avec une commande. Cela fournit des économies significatives par rapport à l’approche classique où chaque moteur sur le terrain est connecté à son variateur dans l’armoire de commande avec son propre câble.
Festo offre l’opportunité de connecter des modules E/S aux variateurs décentralisés, qui peuvent être utilisés pour connecter des capteurs à proximité des moteurs via la chaîne en série à une commande centrale dans l’armoire. Des systèmes étendus et complexes peuvent alors être alimentés en énergie et en communication selon un concept simple et clair.
Plus d'informations
Cet article a été rédigé sur la base d'un résumé de notre webinaire « Technologie optimale des moteurs ». Cliquez ici pour visionner l'enregistrement du webinaire.