Lorsqu'ils pensent à un servomoteur CC sans balais, la plupart des ingénieurs visualisent un boîtier équipé d'une bride pour accueillir des boulons de fixation, de connecteurs pour recevoir le courant et des câbles de données, et d'un arbre de rotor couplé à la charge.
À l'intérieur de ce boîtier, ils imaginent un stator constitué d'un empilement de stratifications à fentes remplies de bobines de cuivre. Le stator contient un rotor couvert d'aimants permanents qui interagissent avec le champ électromagnétique du stator pour créer un mouvement rotatif. Le rotor à aimants permanents est monté sur un arbre équipé de roulements aux deux extrémités, ce qui lui permet de tourner librement. Un capteur d'asservissement peut également être intégré au moteur.
Cette description reflète la conception la plus courante d'un servomoteur. Mais qu'en est-il si l'on élimine tout sauf le rotor et le stator, à savoir le châssis, l'arbre, les connecteurs, les roulements et l'asservissement intégré ?
On obtient un servomoteur sans boîtier, une conception qui offre de nombreux avantages et une multitude de possibilités pour certains types d'applications. Découvrez pourquoi opter pour un moteur sans boîtier peut s'avérer une bonne idée et comment l'intégrer dans votre machine.
Pourquoi choisir un moteur sans boîtier ?
Grâce à l'absence de châssis, de roulements et d'autres composants en dehors du stator et du rotor, un moteur sans boîtier offre le mouvement le plus compact et à la plus forte densité de couple possible. Sans châssis ni roulements, il peut être intégré directement dans la conception mécanique de votre machine et peut utiliser l'arbre et les roulements de cette dernière.
Ainsi, les servomoteurs sans boîtier peuvent constituer un choix idéal pour les assemblages compacts et complexes, comme les actionneurs rotatifs, dont l'objectif est d'obtenir une précision et un couple très élevés dans un format le plus compact possible.
Intégrés directement dans vos machines, les moteurs sans boîtier sont également protégés des conditions environnementales difficiles, notamment dans les applications de lavage à haute pression ou les applications submersibles. En outre, les machines équipées d'un moteur sans boîtier sont plus légères, plus compactes et plus précises, tout en nécessitant moins de maintenance.
Comment intégrer un moteur sans boîtier dans votre conception ?
L'intégration d'un moteur sans boîtier oblige à accorder plus d'attention aux détails de la conception que le boulonnage d'un moteur avec boîtier et son couplage à la charge ou à un train d'engrenages. Vous trouverez ci-dessous une synthèse des aspects les plus importants à prendre en compte.
En premier lieu, vous devez identifier les composants dont vous avez besoin pour compléter votre système mécanique avec moteur sans boîtier :
- Réducteur. Les moteurs sans boîtier sont généralement utilisés pour entraîner directement la charge, sans jeu, sans compliance mécanique et sans perte de mouvement. Si un système de transmission est nécessaire pour augmenter le couple, il convient d'opter pour des réducteurs droits, planétaires, cycloïdaux ou harmoniques compacts. Les réducteurs harmoniques (ou engrenages à onde de déformation) sont particulièrement intéressants pour les applications qui exigent un rapport de réduction élevé dans un format très compact et sans jeu.
- Capteur d'asservissement. Dans la plupart des cas, il convient d'utiliser un codeur (incrémental ou absolu en fonction de l'application). Dans les environnements les plus difficiles, un résolveur peut constituer le meilleur choix. Ces capteurs d'asservissement détectent la position du rotor afin de contrôler sa vitesse et sa position en boucle fermée. Les canaux Hall d'un codeur ou un capteur à effet Hall intégré au moteur fournissent les informations dont le servovariateur a besoin pour commuter correctement le courant envoyé au moteur.
- Freins. Des freins électromagnétiques ou mécaniques peuvent être nécessaires pour fournir un couple de maintien et assurer la sécurité (en particulier dans les applications verticales) en cas de panne de courant ou autre défaillance du système. Un frein peut également servir à maintenir une charge dans une position stable lorsque le moteur est hors tension.
- Roulements. Le rotor d'un moteur sans boîtier est directement couplé à l'arbre rotatif de la machine, qui dispose de ses propres roulements. Il n'est pas nécessaire de modifier la conception générale de la machine. Toutefois, il est essentiel de savoir où se trouvent l'arbre et les roulements, de déterminer où le rotor peut être ajouté sur l'arbre, puis de concevoir le châssis du stator en fonction de cet emplacement.
Ensuite, vous devez prendre en compte d'autres éléments de conception de la machine :
- Format. Avez-vous des contraintes en termes de diamètre ou de longueur du moteur ? Les moteurs sans boîtier sont disponibles en moteurs couples (longueur axiale plus courte) et en servomoteurs (longueur axiale plus longue). Si une longueur axiale relativement compacte convient à votre application, notez que le diamètre plus important d'un moteur couple vous permet de tirer parti de la règle D2L pour obtenir une densité de couple maximale.
- Dissipation de la chaleur. Étant donné que le stator d'un moteur sans boîtier est intégré directement dans la machine, il convient de s'assurer que le matériau utilisé pour le châssis du stator permet de dissiper correctement la chaleur. Généralement, l'épaisseur de la paroi doit être d'au moins 4 à 6 mm à proximité immédiate du stator. L'aluminium est le matériau thermoconducteur le plus efficace et le plus couramment utilisé à cette fin. L'acier convient également, mais certains alliages d'acier inoxydable sont moins efficaces pour dissiper la chaleur et leur utilisation nécessite un examen approprié de la conception.
- Limites thermiques. Il est nécessaire de prendre en compte les effets de la chaleur dans le système mécanique en fonction de la façon dont le moteur est intégré dans l'assemblage. Par exemple, comment un moteur dont la température d'enroulement maximale est de 155 °C peut-il affecter les lubrifiants et les composants électroniques dans l'espace restreint d'un actionneur rotatif ?
Même avec une bonne dissipation de la chaleur, la température à quelques centimètres de l'armature du moteur peut seulement baisser de 15 à 20 °C. Il convient alors de placer les composants sensibles à la chaleur suffisamment loin et/ou d'utiliser un moteur capable de fournir la vitesse et le couple requis à une température d'enroulement maximale réduite. Des outils de conception sont mis à votre disposition sur le site Web de Kollmorgen pour vous permettre de visualiser les performances de nos moteurs sans boîtier dans les limites thermiques requises par votre application. - Capteurs thermiques. Des capteurs thermiques peuvent être utilisés pour déterminer si le moteur chauffe trop. L'ajout d'une thermistance CTP (coefficient de température positif) au servovariateur permet de s'assurer que le système s'arrête en toute sécurité si nécessaire. Lors du prototypage, vous pouvez utiliser une thermistance linéaire pour mesurer l'échauffement du moteur lorsqu'il fonctionne au point de charge couple/vitesse requis. Dans les systèmes de contrôle avancés, des capteurs peuvent être utilisés pour surveiller si le moteur tourne trop vite et aider le système à déterminer quand une maintenance est nécessaire.
- Conception manufacturable. Lorsque vous concevez un système de mouvement tel qu'un actionneur rotatif, vous devez dès le départ avoir en tête le résultat final, en tenant compte de toutes les étapes et de tous les coûts liés à la fabrication du dispositif et à son entretien tout au long de sa durée de vie. Gardez à l'esprit que la conception d'un prototype diffère de la fabrication à grande échelle. Vous devez avoir un approvisionnement fiable pour tous les composants et veiller à ce que le processus d'assemblage reste simple.
Vous devez également tenir compte des forces magnétiques élevées présentes dans le rotor à aimants permanents. Prévoyez l'outillage et les équipements spécialisés dont vous aurez besoin pour assembler vos moteurs en toute sécurité.
Pourquoi utiliser les servomoteurs sans boîtier TBM2G ?
Kollmorgen propose une gamme complète de servomoteurs sans boîtier avec les séries éprouvées TBM et KBM, ainsi que la série innovante TBM2G. Avec des tensions de bus allant de 24 à 680 Vcc, des moteurs répondant aux exigences de vitesse et de couple élevés, et une compatibilité avec les environnements ordinaires, difficiles ou extrêmes, Kollmorgen a une solution pour presque toutes les applications qui exploitent la technologie des servomoteurs sans boîtier.
La série TBM2G, notre gamme de moteurs la plus récente et la plus innovante, est constituée de moteurs couples (de type « pancake ») qui permettent d'obtenir une densité de couple maximale dans un ensemble électromagnétique extrêmement compact. Si le format d'un moteur couple répond aux exigences de votre application, voici les principales raisons de choisir un moteur TBM2G :
- Efficacité thermique. Par rapport aux moteurs concurrents dont la température maximale d'enroulement est de 155 °C, les moteurs TBM2G sont optimisés pour fonctionner parfaitement à une température d'enroulement de seulement 85 °C (bien qu'ils puissent aussi offrir des performances continues encore plus élevées à la température maximale d'enroulement de 155 °C).
Grâce à leur faible élévation thermique, les moteurs TBM2G sont idéaux pour les espaces restreints, dans lesquels des températures plus élevées risqueraient d'endommager les lubrifiants des enroulements et des réducteurs, l'électronique de l'asservissement et d'autres composants sensibles à la chaleur. - Large choix de tailles. Optimisés pour les bus de tension jusqu'à 48 Vcc, les moteurs TBM2G sont disponibles en sept diamètres de châssis (de 50 à 115 mm), présentant chacun trois longueurs d'empilement (8, 13 et 26 mm) ainsi que trois variantes d'enroulement (A, C et D). Nous proposons ainsi un total de 63 configurations standard pour répondre à pratiquement toutes les applications à basse tension.
- Prêts à évoluer. Kollmorgen peut livrer des prototypes de moteurs aussi rapidement, voire plus rapidement, que ses concurrents, tout en garantissant la meilleure qualité possible. Plus important encore, une fois votre conception finalisée, nous pouvons rapidement passer à la production à grande échelle (tout en assurant une cohérence parfaite) pour vous aider à accélérer la mise sur le marché de votre machine, en toute confiance.
Vous souhaitez acheter un moteur sans boîtier ?
Les moteurs sans boîtier simplifient le mouvement, mais les nombreuses pièces mobiles qu'ils comportent peuvent compliquer leur intégration dans une conception mécanique optimisée. Nous sommes là pour vous aider à y voir plus clair. Contactez un expert Kollmorgen pour discuter des possibilités pour votre application.
