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Considérations sur la conception des servomoteurs pour les environnements dangereux

10 Nov 2021
Experts Kollmorgen

Alors que les servomoteurs et les variateurs sont répandus dans une grande variété d'applications industrielles, que faut-il prendre en compte lorsqu'ils fonctionnent dans des environnements extrêmes ou dangereux? Dans de nombreux cas, le moteur proprement dit fonctionne dans un environnement extrême, tandis que l'électronique du variateur est protégée des dangers. Cet article aborde les défis de performance des servomoteurs et les considérations de conception nécessaires lorsqu'un moteur fonctionne dans des environnements extrêmes.

Types d'environnements

Températures extrêmes – Le servomoteur type est conçu pour un environnement industriel basé sur une température ambiante de 40 °C. Les températures de fonctionnement varient souvent de -10 °C à 50 °C. Dans les applications adjacentes à un four ou les opérations dans un environnement de fond de puits, les températures peuvent être beaucoup plus élevées. Dans les systèmes de réfrigération ou d'entreposage frigorifique, les systèmes cryogéniques ou au pôle Sud, des températures de -40 °C et moins peuvent être présentes.

Vide – Les moteurs standard sont conçus pour fonctionner dans une plage limitée de pression atmosphérique. Certaines applications d'usinage ou certains assemblages critiques peuvent nécessiter un fonctionnement sous vide pour un processus donné afin de limiter les effets dus à la pression atmosphérique. Les applications en haute altitude et dans l'espace fonctionnent également dans des conditions de vide accru.

Salle blanche – Souvent associées à des applications de vide industriel, les salles blanches sont soumises à des limitations strictes concernant les contaminants introduits dans l'environnement par le dégazage.

Eau – Les moteurs électriques et l'eau ne font pas bon ménage. Les moteurs standard sont conçus pour des niveaux d'étanchéité à la poussière et à l'humidité sur la base d'un indice IP, la plupart des conceptions étant établies à IP54. Les environnements humides requièrent un indice IP65 ou supérieur. Dans l'industrie agroalimentaire, il est courant de rencontrer diverses conditions nécessitant une protection contre les projections d'eau et la corrosion. Des lavages à haute pression ou des périodes d'immersion peuvent également être nécessaires. Les applications submersibles doivent non seulement être protégées contre les infiltrations d'eau, mais aussi prendre en compte des exigences de pression plus élevées.

Hygiénique – Sous-ensemble des exigences de la transformation alimentaire, les environnements hygiéniques nécessitent non seulement des lavages à haute pression et à haute température, mais doivent également empêcher la croissance des agents pathogènes sur les surfaces des moteurs. Les moteurs conçus avec des boîtiers en aluminium ou en acier fonctionnent bien dans la plupart des environnements industriels, mais sont inacceptables pour une utilisation dans des conditions d'hygiène en raison de l'oxydation et des irrégularités de surface qui peuvent favoriser la prolifération d'agents pathogènes.

Explosif – Les applications dans les silos à grains, les minoteries, les usines textiles ou d'autres installations qui contiennent des gaz, des poussières, des vapeurs ou des fibres combustibles nécessitent des moteurs particulièrement adaptés à ces risques spécifiques.

Radiations – Les applications de moteurs à proximité d'un réacteur nucléaire ou dans certains environnements de l'espace extra-atmosphérique où des niveaux élevés de radiation sont présents représentent un défi dans le choix des matériaux de moteur pour minimiser la dégradation dans le temps.

Vibrations élevées et chocs – Les servomoteurs standard sont conçus pour supporter des vibrations supérieures à celles des environnements industriels typiques. Toutefois, pour des niveaux de vibration élevés et répétés ou des vibrations d'impact soudaines, des considérations supplémentaires sont nécessaires.

Considérations spécifiques en fonction de l'environnement

Chaque environnement ci-dessus représente des écarts par rapport à l'environnement industriel typique que le concepteur de moteurs doit prendre en compte. Les combinaisons de ces conditions ambiantes (comme un environnement extrêmement froid et un environnement extrêmement chaud) sont encore plus difficiles à prendre en charge.

Températures extrêmes – Tous les moteurs sont classés en fonction de l'augmentation de température dans les bobines du moteur par rapport à une température ambiante spécifique. L'augmentation de température chauffe les bobines jusqu'à une température maximale admissible en fonction du système d'isolation du moteur, qui se voit alors attribuer une classe spécifique (F, H, etc.). Dans un environnement chaud, le moteur est limité dans sa production de couple par sa capacité spécifique à dissiper les pertes pour éviter la surchauffe des bobines du moteur. Une adaptation à cet environnement consiste à déclasser le moteur en fonction de la différence entre la température nominale et la température ambiante. On peut également envisager d'améliorer le système d'isolation avec une classe d'isolation plus élevée, ce qui permet une augmentation plus importante de la température. D'autres méthodes pour faire face à l'augmentation de la température consistent à refroidir le moteur en déplaçant de l'air au-dessus ou à travers le moteur ou par un refroidissement liquide qui injecte un fluide à travers un boîtier de moteur personnalisé. Les environnements froids affectent le moteur d'autres manières, comme la performance de la graisse des roulements ou même la fragilité du matériau du moteur (comme le fil conducteur). Une sélection minutieuse des matériaux du moteur et de la lubrification des roulements peut répondre aux préoccupations relatives aux environnements à basse température.

Vide – Dans le vide, les capacités de convection sont limitées pour dissiper la chaleur du moteur. Par conséquent, comme pour les problèmes de température élevée, il faut soit réduire la puissance du moteur, soit utiliser un moyen d'augmenter la conduction de la chaleur à partir du moteur. Le choix du matériau du moteur et des roulements peut également s'avérer critique en raison des propriétés de dégazage des matériaux du moteur et de la lubrification des roulements.

Salle blanche – Le choix des matériaux est crucial pour un moteur utilisé dans un environnement de salle blanche. En fonction du niveau de classe de la salle blanche, les matériaux utilisés dans la construction du moteur doivent être examinés pour leurs propriétés de dégazage en fonction des niveaux de température et de pression atmosphérique qui seront présents dans la salle blanche. Les matériaux tels que le fil conducteur, la graisse de roulement et les joints d'arbre sont très susceptibles de dégager des particules moléculaires qui peuvent contaminer l'environnement de la salle blanche.

Eau – Les méthodes d'étanchéité empêchent les infiltrations d'eau indésirables susceptibles d'entrer en contact avec les matériaux internes sujets à la corrosion. Il ne suffit pas d'ajouter des joints pour obtenir une conception robuste et résistante à l'eau. Un moteur considéré comme bien étanche peut en fait présenter un problème inhérent lié à la pression interne couplée aux cycles naturels de chauffage et de refroidissement du moteur. Lorsque la température du moteur augmente, la pression interne qui en résulte exerce une pression sur les joints. Lorsque le moteur refroidit, la réduction de la pression interne tire le joint vers l'intérieur. La flexion continue du joint finit par provoquer sa défaillance. Si on laisse le moteur respirer lorsque sa température augmente, la pression interne n'augmentera pas au point de créer une usure des joints. Les moteurs électriques submersibles intègrent un fluide interne non corrosif et une vessie de pressurisation qui s'adapte aux changements de pression lorsque le moteur est immergé à des profondeurs plus importantes.

Hygiénique – Comme pour les environnements humides, l'étanchéité est importante dans les applications hygiéniques. En outre, pour empêcher la prolifération des agents pathogènes dans les fissures et les crevasses, l'acier inoxydable est requis sur toutes les surfaces exposées du moteur. Le boîtier du moteur doit avoir des bords arrondis, ne peut contenir aucun joint ou matériel de connexion pouvant recueillir des liquides, et toutes les zones plates doivent être inclinées par rapport à la position de montage. Les matériaux d'étanchéité et les câbles sont spécifiés en fonction des exigences de qualité alimentaire dans les applications de l'industrie agroalimentaire. L'exigence d'étanchéité typique est IP69K (haute pression, haute température avec produits chimiques caustiques).

Explosif – Les problèmes d'environnement explosif nécessitent des mesures d'atténuation basées sur les gaz, vapeurs, fibres ou poussières spécifiques présents dans l'environnement et susceptibles de provoquer une explosion. Le moteur est conçu de telle sorte que si les bobinages se court-circuitent et créent une explosion interne, le boîtier du moteur limite et contient les trajets de flamme potentiels à chaque jonction du moteur. Les indices d'antidéflagration spécifiques sont régis par UL aux États-Unis, ATEX en Europe ou CCC en Chine. L'indice indique le risque spécifique d'explosion et sa gravité.

Radiations – Les environnements de radiation sont mesurés par la dose totale intégrée, qui identifie le niveau de radiation sur une période spécifique. Le choix du matériau du moteur est basé sur cette valeur. Les matériaux standard des moteurs se dégradent sur une courte période en présence de niveaux élevés de radiation. Cependant, un moteur renforcé contre les radiations avec une sélection de matériaux tolérant les niveaux de dose totale intégrée résistera pendant de longues périodes.

Vibrations et chocs – La direction du choc et la fréquence des vibrations détermineront les meilleures options pour atténuer les dommages potentiels au moteur. Une solution courante consiste à choisir le système de roulement et le capteur d'asservissement. Dans un environnement où les chocs sont importants, un capteur d'asservissement robuste, tel qu'un résolveur, est un meilleur choix qu'un codeur à règle en verre fragile. Différents types ou tailles de roulements peuvent être appropriés en fonction des niveaux de chocs et de vibrations.

Bien que chacune de ces conditions constitue un défi pour le concepteur de moteurs, de nombreux moteurs ont fonctionné avec succès dans ces types d'environnements. Les concepteurs doivent examiner les applications réussies dans des environnements similaires pour les aider à choisir les bons matériaux de moteur et la construction mécanique adaptée au danger ou à l'environnement extrême.

À propos de l'auteur

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Ce blog est le fruit d'une collaboration entre une équipe d'experts en mouvement et en automatisation de Kollmorgen, comprenant des ingénieurs, du personnel du service clientèle et des experts de la conception. Quelle que soit l'avancée de votre projet, nous sommes là pour vous aider.

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