Comprendre leur technologie afin de faire le bon choix
Il y a environ un siècle, l'invention du servomoteur a transformé les capacités de déplacement électrique, permettant un contrôle précis de la vitesse et de la position pour des applications allant de l'automatisation industrielle à la robotique, en passant par les appareils médicaux, le contrôle aérien, les machines commandées par ordinateur (CNC) et bien d'autres.
Les technologies des servomoteurs ont évolué au fil des années, développant la portée des possibilités des différentes applications, tout en apportant aussi un dilemme : quelle technologie choisir pour votre application ? Examinons le cas des moteurs CC à balais et à aimant permanent, des moteurs BLDC (CC sans balais) et des moteurs CA à aimant permanent, pour évaluer les points forts, les faiblesses et les meilleures utilisations de chaque catégorie.
Servomoteurs CC à balais et à aimant permanent
Inventée en 1926, la toute première technologie de servomoteurs utilise un moteur CC à balais, un concept qui remonte à 1832. Les conceptions couramment utilisées aujourd'hui intègrent des aimants permanents sur le stator et les bobinages de cuivre enroulés sur les stratifications du rotor, l'asservissement étant réalisé à l'aide d'un capteur en temps réel, tel qu'un tachymètre.
Le servovariateur interprète les signaux d'asservissement et module la tension fournie au moteur dans une série d'impulsions de largeur variable, un processus appelé modulation de largeur d'impulsion. Ces impulsions sont commutées, c'est-à-dire envoyées aux multiples phases des bobinages du rotor, au moyen d'un interrupteur rotatif constitué d'une série de barres de cuivre (le commutateur) en contact avec des balais fixes composés d'un matériau électriquement conducteur comme le graphite.
Lorsqu'elles sont commutées en séquence, les bobines génèrent un champ magnétique rotatif qui interagit avec les aimants permanents pour faire tourner le rotor. En fonction des données fournies par le capteur d'asservissement, le variateur utilise la modulation de largeur d'impulsion pour corriger en continu les éventuelles erreurs : p. ex., pour assurer une vitesse et un positionnement réguliers du rotor, même lorsque le moteur entraîne des charges variables.
Avantages des servomoteurs CC à balais
- Coût initial moindre, même si la durée de vie limitée peut annuler cet avantage.
- Couple élevé au démarrage et à basse vitesse.
- Système de contrôle du moteur relativement simple.
Inconvénients des servomoteurs CC à balais
- Les balais usés doivent être régulièrement remplacés.
- Un commutateur usé nécessite un réusinage, de nouveaux roulements, voire le remplacement du moteur.
- La commutation physique limite le transfert de puissance et, si elle est dépassée, elle peut provoquer des arcs électriques.
Servomoteurs CC sans balais (BLDC)
Les moteurs CC sans balais ont été inventés dans les années 1960, grâce aux progrès de l'électronique basée sur les semi-conducteurs. Les premiers modèles étaient limités en termes de puissance, mais les moteurs BLDC ont fait leur apparition dans les années 1980 grâce à la disponibilité croissante d'aimants permanents puissants. Aujourd'hui, ces moteurs sont beaucoup plus utilisés dans les applications industrielles que les servomoteurs CC à balais.
En l'absence de balais physiques en contact avec un commutateur rotatif, la conception de base d'un moteur BLDC est l'inverse de celle d'un moteur à balais afin d'améliorer l'efficacité et la performance. Les bobines d'induit sont enroulées à l'intérieur du stator/cadre sur des stratifications à fentes et les aimants permanents sont fixés au rotor.
Un capteur d'asservissement tel qu'un codeur rapporte en continu la position du rotor au variateur, lequel à son tour commute directement la tension CC envoyée aux bobines afin de corriger toute erreur de rotation et d'atteindre la direction, la vitesse et la position souhaitées. Cette commutation électronique se produit par des étapes qui imitent grossièrement une onde sinusoïdale, le courant à tout point de la rotation étant appliqué à deux phases et la troisième phase restant toujours désactivée.
Cette onde sinusoïdale par étapes produit une ondulation du couple, tandis qu'un effet de cogging est créé par l'attraction entre le rotor à aimant permanent et les stratifications d'acier dentées du stator. Ces caractéristiques nuisent à la précision du contrôle et à la fluidité du mouvement à basse vitesse, mais ce problème se pose rarement à haute vitesse. Les moteurs sans fentes et sans dents de stator éliminent l'effet de cogging, mais le fonctionnement fluide à basse vitesse n'est possible qu'au prix d'un couple nettement inférieur.
Avantages des servomoteurs CC sans balais
- Contrôle précis et réactif en circuit fermé à moyenne ou à haute vitesse.
- L'absence de commutation physique permet une plus longue durée de vie, une efficacité supérieure et très peu d'entretien.
- Capable d'atteindre des vitesses nettement plus élevées que les moteurs à balais, avec moins de perte de couple.
Inconvénients des servomoteurs CC sans balais
- Électronique du variateur et programmation/réglage plus complexes.
- Le cogging et l'ondulation du couple peuvent nuire à la fluidité et au contrôle à 200 tours/min.
Servomoteurs CA à aimant permanent
Les servomoteurs CA synchrones à aimant permanent sont à privilégier pour la plupart des applications qui requièrent un contrôle précis de la position et de la vitesse. Initialement développée dans les années 1980, cette technologie a continuellement progressé grâce aux améliorations de l'électronique des variateurs, des matériaux des aimants permanents, des tolérances de fabrication et d'autres innovations.
La conception de base est similaire à celle d'un servomoteur BLDC. Le stator externe se compose de bobines à enroulement triphasé insérées entre une série de dents d'acier laminé. Un système de commutation électronique alimente ces bobines en séquence pour produire un champ magnétique rotatif, lequel interagit avec les aimants permanents du rotor intérieur pour créer une rotation.
Contrairement aux servomoteurs BLDC, le courant de commutation d'un servomoteur CA est envoyé sous forme d'onde sinusoïdale aux trois phases de la position du rotor. Le courant varie en termes d'amplitude et de fréquence pour fournir un couple plus puissant et un contrôle plus précis. L'onde sinusoïdale lisse minimise également les effets du cogging et de l'ondulation du couple.
Avantages des servomoteurs CA à aimant permanent
- Densité de couple, puissance et efficacité exceptionnelles dans un appareil relativement compact.
- Formats, tailles et gammes de puissance polyvalents.
- Faible inertie pour une réponse rapide aux charges et aux vitesses changeantes sur le plan dynamique.
- Durée de vie utile longue et fiable avec un entretien minime.
Inconvénients des servomoteurs CA à aimant permanent
- Les moteurs à fentes peuvent présenter un cogging à basse vitesse, même si la commutation à onde sinusoïdale et le micrologiciel de pointe du variateur peuvent compenser ces problèmes.
Guide de comparaison des servomoteurs
| Servomoteur CC | BLDC | Servomoteur CA | |
|---|---|---|---|
| Source d'alimentation | Courant continu | Courant continu, avec commutation | Courant alternatif |
| Efficacité | Efficacité moindre | Grande efficacité | Efficacité maximale |
| Contrôle de la vitesse | Excellent (limitation du régime à un niveau élevé) | Moyen | Excellent |
| Contrôle de la position | Excellent | Bon | Excellent |
| Entretien et durée de vie | Maintenance accrue, durée de vie plus courte | Maintenance réduite, longue durée de vie | Maintenance réduite, longue durée de vie |
| Densité de couple | Moyenne | Élevée | Supérieure |
| Fluidité | Bonne (limitée par le capteur d'asservissement, les fréquences de mise à jour, etc.) | Faible (avantagée à régime élevé) | La meilleure (cette capacité est déterminée par la résolution de l'asservissement, des fréquences de mises à jour, du régime, etc.) |
| Réactivité | Puissance limitée | Bonne | Excellente |
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