Les ingénieurs rencontrent souvent des difficultés lorsqu'ils souhaitent intégrer des servomoteurs dans une nouvelle machine, par exemple au moment de choisir entre un modèle classique avec boîtier et un modèle sans boîtier. Intéressons-nous aux composants d'un moteur sans boîtier et passons en revue trois aspects de conception essentiels susceptibles de vous orienter vers une solution sans boîtier pour votre machine.
Un moteur sans boîtier est la partie qui produit le couple et la vitesse dans un moteur classique, mais sans l'arbre, les paliers, le châssis, l'asservissement ni les têtes de câble. Un moteur sans boîtier se compose de deux parties : le rotor et le stator. Le rotor est généralement la partie intérieure, comprenant un ensemble rotatif en acier en forme de donut avec des aimants permanents, qui se monte directement sur l'arbre de la machine. Le stator est la partie extérieure, qui contient des stratifications dentées en acier entourées de bobinages en cuivre qui génèrent les forces électromagnétiques. Le stator se monte de manière compacte dans le corps du châssis de la machine.
Lorsqu'il doit choisir entre un moteur avec ou sans boîtier, l'ingénieur doit se poser les questions essentielles suivantes : la machine doit-elle être plus compacte? Faut-il supprimer des composants mécaniques non fiables? La machine doit-elle fonctionner à une cadence élevée? La machine doit-elle fonctionner dans un environnement difficile à des températures élevées ou dans des conditions caustiques? Si la réponse à l'une de ces questions est positive, il convient d'envisager un moteur sans boîtier. Les trois considérations de conception qui indiquent qu'une machine a besoin d'un moteur sans boîtier sont :
1. Nécessité d'un encombrement moindre de la machine
La taille de la machine peut être un avantage, notamment lorsque l'espace est limité. L'intégration d'un moteur sans boîtier dans la structure de la machine est un excellent moyen d'améliorer l'utilisation de l'espace. Outre la réduction de l'espace occupé par le moteur, il est possible d'obtenir des gains de place supplémentaires en éliminant les réducteurs ou les courroies et poulies grâce à des conceptions sans boîtier adaptées aux applications à accouplement direct.
2. Nécessité d'une machine plus performante
L'intégration des éléments de moteur sans boîtier dans la machine améliore les performances en éliminant les éléments mécaniques compliants tels que les accouplements et courroies. Les solutions à accouplement direct offrent des performances plus robustes du fait d'une compliance minimale dans le système. Chaque liaison d'un système mécanique (accouplements, courroies, engrenages, etc.) introduit des éléments de compliance qui diminuent la bande passante du système. Cette diminution de la bande passante se traduit par une augmentation des temps de déplacement et de stabilisation et une réduction de la productivité. Les moteurs intégrés permettent également d'améliorer la réponse dynamique et l'efficacité du système, et peuvent faciliter l'ajout d'un refroidissement liquide pour augmenter sensiblement le couple continu disponible.
3. Fonctionnement de la machine dans des environnements difficiles
Les machines qui doivent fonctionner dans des environnements difficiles peuvent bénéficier de l'intégration d'un moteur. Les châssis et enceintes de machines déjà nécessaires pour répondre aux exigences de ces environnements peuvent être utilisés pour intégrer un moteur sans boîtier sans surcoût significatif. Les moteurs sans boîtier offrent aussi la possibilité d'intégrer les composants du moteur directement dans les éléments de la machine pour les protéger de l'environnement. Le lavage à haute pression avec des produits chimiques caustiques (IP69K), des températures ambiantes élevées, voire des environnements de rayonnements ou de vide sont des exemples de conditions environnementales difficiles. Parmi les applications possibles, citons les machines de transformation alimentaire nécessitant des lavages rigoureux ou encore les vérins de turbines à gaz avec des températures ambiantes élevées.
En résumé, les moteurs sans boîtier permettent de gagner de l'espace, de réduire le nombre de composants et d'améliorer les performances du système. Le gain d'espace peut se traduire par une réduction de l'encombrement de la machine, ce qui permet de gagner un espace précieux dans l'atelier. La réduction du nombre de composants mécaniques permet bien évidemment d'améliorer la fiabilité globale de la machine. L'amélioration des performances de la machine permet d'accroître le rendement et d'augmenter l'efficacité globale de la machine. Les moteurs sans boîtier, tels que ceux de la série KBM de Kollmorgen, peuvent facilement relever ces trois défis auxquels font face les concepteurs de machines.
Kollmorgen propose divers outils de conception, dont le Générateur de courbes de performance pour moteurs sans boîtier, pour faciliter le dimensionnement et le choix du moteur frameless approprié. Les outils interactifs fournissent des informations permettant d'optimiser les bobinages du moteur en fonction de la tension, du courant et des températures ambiantes.
