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Couple de cogging et ondulation de couple omniprésents : ce que vous devez savoir

15 Jun 2021
Experts Kollmorgen

De nombreuses applications exigent un couple très élevé et un mouvement fluide à des vitesses de moteur relativement faibles. Les systèmes électro-optiques/infrarouges en sont un excellent exemple.

L'imagerie EO/IR est utilisée pour la défense militaire dans une grande variété d'applications terrestres, aériennes, maritimes et spatiales. Ces systèmes permettent une connaissance de la situation et un ciblage dans toutes les conditions d'éclairage, de jour comme de nuit, dans le brouillard, la fumée, le sable et les saletés transportés par le vent. Ils doivent également acquérir et maintenir une image absolument stable tout en contrant le mouvement dû à l'accélération/décélération du véhicule, aux vibrations, aux chocs de la route, aux turbulences de l'air et à d'autres forces imprévisibles.

Un couple élevé est nécessaire pour déplacer rapidement le support d'imagerie en réponse à des forces inertielles relativement importantes. La fluidité du mouvement est nécessaire pour fournir l'image la plus nette possible lorsque le support se déplace et se stabilise dans une succession continue de nouvelles positions. Des moteurs à vitesse relativement faible sont nécessaires pour que le système reste léger et réactif, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des réducteurs ou d'autres composants de transmission qui ajoutent de la complexité, de la compliance et du jeu au système.

Le dilemme technologique

Pour toute application devant répondre à des exigences similaires, les ingénieurs sont confrontés à un dilemme, souvent aggravé par des idées fausses sur la technologie et les capacités des moteurs.

Le couple maximum disponible et la densité de couple peuvent être obtenus en utilisant des moteurs sans balais classiques avec une conception de stratification à fentes. Pourtant, ces moteurs présentent intrinsèquement un couple de cogging qui peut sembler affecter la fluidité de fonctionnement à faible vitesse. Les moteurs sans fentes ne sont pas soumis au couple de cogging, mais peuvent néanmoins présenter des ondulations de couple lorsqu'ils sont sous tension et ne peuvent pas fournir le même couple par volume qu'un moteur classique.

Quelle technologie faut-il donc choisir pour les applications à faible vitesse et à couple élevé? Et comment assurer un mouvement aussi fluide que possible? Examinons de plus près les concepts pertinents.

Couple de cogging

Le couple de cogging est dû en grande partie à l'attraction entre les aimants permanents montés sur le rotor et les dents en acier de la stratification du stator. Le cogging peut être ressenti physiquement comme un mouvement intermittent « saccadé » lorsque l'on fait tourner l'arbre d'un moteur sans balais classique. Les moteurs sans fentes ne présentent pas cette propriété. Lorsqu'il n'est pas alimenté, le rotor peut tourner librement, car les aimants permanents ne sont pas attirés par les bobines non magnétiques du stator.

Si le couple de cogging peut contribuer à l'ondulation de couple, il est important de noter que les propriétés électromagnétiques d'un moteur sous tension diffèrent considérablement de celles d'un moteur non alimenté, et le cogging que l'on sent avec les doigts ne se traduit pas directement par un cogging qui peut être « ressenti » par la charge en mouvement.

Ondulation de couple

L'ondulation de couple est une production de couple inégale tout au long de la rotation d'un rotor dans un moteur sous tension, causée par des variations des champs électromagnétiques et de leurs interactions entre le rotor et le stator. Le couple de cogging dans un moteur classique contribue à ces variations.

Le couple de cogging influence l'ondulation de couple dans un moteur classique.

Cependant, il est important de noter que tous les moteurs électriques, y compris les moteurs sans fentes, présentent une ondulation de couple. Ce phénomène est principalement dû non pas au cogging, mais à la réaction de l'armature. Lorsque le niveau de courant augmente, le flux dans le circuit magnétique se déplace, introduisant des harmoniques dans la forme d'onde constante du couple du moteur. Cet effet est plus prononcé dans les moteurs sans fentes à courant moyen ou élevé.

La réaction de l'armature induit une distorsion harmonique dans les formes d'ondes électromagnétiques, provoquant une ondulation de couple dans un moteur sans fentes.

L'affirmation selon laquelle les moteurs sans fentes ne présentent pas d'ondulation de couple est un mythe. À grande vitesse, l'inertie du rotor et de la charge tend à « lisser » toute ondulation de couple. Cependant, dans les applications à faible vitesse, l'ondulation de couple peut provoquer des fluctuations indésirables de la charge entraînée, que l'on utilise un moteur classique ou sans fentes. Pour les applications à faible vitesse qui dépendent d'un mouvement parfaitement régulier, il s'agit d'un problème important qui doit être pris en compte dans la conception globale du système.

Par exemple, dans les systèmes EO/IR, l'ondulation de couple peut compromettre la qualité des données visuelles, affectant la précision du ciblage dans une application offensive ou compromettant même la sécurité du soldat dans une application défensive.

Stratification classique à fentes ou sans fentes?

Les responsables marketing des moteurs sans fentes peuvent faire valoir l'absence de couple de cogging comme une caractéristique souhaitable pour des applications telles que l'EO/IR. Mais le couple de cogging n'est généralement pas présenté comme une spécification pour les servomoteurs, et ce pour une bonne raison. Le comportement du moteur sous tension est ce qui importe le plus et, comme nous l'avons déjà mentionné, tous les moteurs, y compris les modèles sans fentes, sont sujets à des ondulations de couple.

Pour les applications EO/IR, les moteurs sans balais classiques constituent généralement le meilleur choix. Pour un moteur de même taille, un moteur classique à stratification à fentes fournit un couple disponible plus élevé par volume. Cet aspect est particulièrement important aux faibles vitesses (généralement inférieures à 500 tr/min) requises dans de nombreuses applications, telles que notre exemple EO/IR.

Un moteur classique génère un couple constant et un couple maximum nettement supérieurs à ceux d'un moteur sans fentes de volume équivalent.

Consultez notre article de blogue intitulé "Moteurs à fentes et sans fentes : ce que vous devez savoir" pour en savoir plus sur ces moteurs sans balais et leurs atouts particuliers.

Atténuation de l'ondulation de couple

En supposant que vous ayez choisi un moteur sans balais classique pour fournir une densité de couple maximale pour votre application à faible vitesse, que pouvez-vous faire pour minimiser l'ondulation de couple? Étant donné que le couple de cogging peut contribuer à l'ondulation de couple, une solution existe : modifier le moteur pour réduire le couple de cogging. Nous discutons de cette approche dans l'article "Moteurs à fentes et sans fentes : ce que vous devez savoir."

Ces variations de conception ont toutefois tendance à réduire le couple et la densité de couple à un degré plus ou moins élevé, et ne peuvent pas éliminer complètement le couple de cogging. Qu'un moteur de conception modifiée soit utilisé ou non, l'outil le plus puissant pour minimiser l'ondulation de couple est le système de commande, y compris l'asservissement haute résolution, les boucles de régulation à large bande passante et les algorithmes d'entraînement avancés qui annulent les perturbations de la charge.

Un signal d'asservissement haute résolution du couple ou de la force appliqué à la charge tout au long de la rotation du rotor peut être amené à un point de sommation avec le signal de commande du variateur, annulant ainsi les effets de l'ondulation de couple pour maintenir une accélération et une vitesse régulières. Cette technique peut être comparée à la technique d'inversion de phase à 180° utilisée pour éliminer les bruits ambiants indésirables dans les casques antibruit. Les variateurs avancés du type de ceux généralement utilisés dans les applications EO/IR peuvent fournir cette atténuation de l'ondulation de couple.

De même, lorsqu'elle fonctionne en mode boucle de vitesse et/ou de position, la boucle de vitesse peut rejeter l'ondulation de couple en additionnant le signal de retour du moteur avec son signal de commande. Lorsque la largeur de bande de la boucle de vitesse est suffisamment élevée pour dominer les principaux contributeurs à l'ondulation de couple, le couple de cogging ne devrait avoir aucun effet, tandis que l'ondulation de la vitesse peut être presque totalement rejetée.

Des boucles de régulation haute résolution à large bande passante, ainsi que des algorithmes d'entraînement avancés qui annulent les perturbations de la charge, peuvent éliminer la plupart des ondulations de couple.

Réunir le tout

En choisissant la bonne technologie de moteur pour l'application, en utilisant une conception de moteur modifiée le cas échéant et en appliquant des technologies de contrôle pour atténuer l'ondulation de couple, il est possible d'obtenir le bon équilibre entre la densité de couple et la fluidité dans un moteur parfaitement adapté à pratiquement toutes les applications.

Dans le cas d'une application à faible vitesse, à couple élevé et très fluide comme l'EO/IR, cela signifie qu'il faut choisir un moteur classique à couple élevé, éventuellement avec certaines modifications de conception, pour minimiser le cogging, et appliquer les technologies d'asservissement et de commande appropriées pour réduire sensiblement l'ondulation de couple. D'autres types d'applications auront leurs propres exigences, très spécifiques.

Kollmorgen dispose des produits standard et modifiés, du savoir-faire en matière d'applications spécifiques à l'industrie et de l'engagement à collaborer au succès dont vous avez besoin pour répondre à pratiquement toutes les exigences en matière de mouvement. Prêt à découvrir tout ce dont votre application est capable?

À propos de l'auteur

Kollmorgen Experts

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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