Pour les applications motrices, les ingénieurs peuvent choisir
entre les moteurs à courant continu (DC) ou à courant alternatif
(AC). Les moteurs à commutation électroniques entrent
aujourd’hui dans l’arène pour remplacer leurs prédécesseurs dans
les domaines où l’efficacité énergétique est de rigueur.
Les moteurs à courant continu reposent
sur des balais en carbone et une bague de
contact afin de permettre de changer la
polarité du courant et du champ magnétique
dans l’induit rotatif. Cette interaction entre le
rotor interne et les aimants fixes permanents
génère la rotation du moteur.
Les performances des moteurs à courant
continu sont limitées par l’usure des
contacteurs qui leur confère une durée de
vie comprise entre 1 000 et 1 500 heures en
moyenne et parfois, beaucoup moins lorsqu’il
s’agit de mouvoir des charges lourdes. A
l’inverse, certains moteurs à courant continu
peuvent fonctionner jusqu’à 15 000 heures dans
des conditions favorables. La vitesse de rotation
pour sa part, ne dépasse généralement pas
10 000 tours par minute. Si les moteurs à
courant continu ont un taux de rendement
élevé, ils perdent néanmoins de l’efficacité en
raison de la résistance de l’enroulement, de
la friction des balais et des pertes liées aux
courants de Foucault.
Alimentés et contrôlés par une tension
alternative, les moteurs à induction
asynchrones utilisent une série de bobines. Le
champ du stator est créé à partir de la tension
d’entrée et, le champ du rotor est induit par
le champ du stator. Fonctionnant lui aussi
sur courant alternatif, le moteur synchrone
fonctionne avec une fréquence d’alimentation
précise.
Les moteurs à courant alternatif sont destinés
à exploiter un point spécifique qui coïncide
avec l’efficacité maximale sur leur courbe
de performance. En dehors de ce point,
l’efficacité du moteur diminue donc de manière
significative. Les moteurs à courant alternatif
consomment de l’énergie pour créer un champ
magnétique en induisant un courant sur le rotor.
En conséquence, ils sont moins efficaces que
les moteurs à courant continu.
SUPÉRIORITÉ DES
MOTEURS DITS,
ÉLECTRONIQUES
Les moteurs à commutation électronique sont
en fait, des moteurs à courant continu sans
balais dont le pilotage est assuré, soit par un circuit électronique externe, soit par un
variateur de fréquence. Le rotor contient des
aimants permanents et le stator intègre un
ensemble d’enroulements fixes. Le circuit de
pilotage commute les phases dans ces derniers
afin que le moteur tourne. Lorsque le courant
est délivré dans la bonne direction au bon
moment, l’efficacité est maximale. Et puisque
leur vitesse est contrôlée par un pilote externe,
les moteurs à commutation électronique ne
présentent pas de réelle limite de vitesse
synchrone. Pour fournir le retour de position
requis dans les asservissements industriels, ces
moteurs intègrent un codeur optique ou à effet
Hall, qui mesure la position du rotor. Le signal
issu de ce codeur, est utilisé par le contrôleur
électronique du moteur pour produire les flux
de sorte que le champ magnétique de l’induit
soit synchrone avec le rotor.
Les moteurs à commutation présentent
plusieurs avantages. D’abord, ils ne produisent
pas d’étincelles puisqu’ils n’ont pas de balais.
L’électronique qui contrôle le stator, permet
une meilleure maîtrise de la commande du
mouvement et donc, une meilleure utilisation
de l’énergie consommée. En outre, ils chauffent
moins que les moteurs à induction. Ajoutons
que les petits moteurs à commutation
électronique délivrent les mêmes performances
que leurs homologues à courant alternatif ou
continu, tout en étant moins encombrants.
Les moteurs à commutation dépendent d’une
alimentation à courant continu, généralement
intégrée à l’électronique de pilotage. C’est donc
cet étage qui d’un côté, alimente le moteur
et de l’autre puise généralement son énergie
du réseau, plus rarement d’une batterie ou
d’un accumulateur. On notera que de faibles
fluctuations de tension ou de fréquence sur le
réseau – source de courant alternatif – n’auront aucune influence notable sur le fonctionnement
ou sur le rendement du moteur puisqu’elles
seront filtrées lors de la conversion aboutissant
à délivrer une tenson continue.
S’agissant de la plage de rendement, un moteur
asynchrone à bague de déphasage restitue de
15 % et 25 % et un moteur à condensateur 30 %
à 50 % de l’énergie qu’ils consomment alors
qu’un moteur à commutation électronique voit
son rendement atteindre 60 % à 75%.
USAGES ET APPLICATIONS
Les moteurs à commutation électronique
sont largement utilisés dans les dispositifs qui
requièrent une faible puissance (disques durs
d’ordinateurs, lecteurs magnéto-optiques,
ventilateurs, etc.). Dans les applications de
moyenne puissance, on trouve déjà des
moteurs à commutation électronique dans les
véhicules hybrides comme la Chevrolet Volt ou
la Toyota Prius ou encore, dans la Nissan Leaf
entièrement électrique.
Ces moteurs sont aussi adaptés aux besoins
des industries manufacturières en raison
de leur rendement élevé, de leur couple
élevé, de leur large gamme de vitesses et
de leur faible entretien. Les utilisations les
plus fréquentes dans le génie industriel sont
les moteurs linéaires, les servomoteurs, les
actionneurs pour les robots industriels, les
moteurs d’entraînement pour les convoyeurs
ou encore, certaines machines-outils à
commande numérique.
Les moteurs linéaires produisent un
mouvement sans avoir besoin d’un système
de transmission, comme une vis à billes
et un fil, une crémaillère, des engrenages
ou des courroies comme il est d’usage
pour les moteurs rotatifs. Dans leur forme
la plus simple, les moteurs linéaires sont
essentiellement des moteurs rotatifs déroulés
dans lesquels les pôles du stator ont été placés
dans le sens du déplacement. Le contrôleur
alimente les bobines dans l’actionneur afin de provoquer une interaction des champs
magnétiques produisant ainsi un mouvement
linéaire.
SERVOMOTEURS
Les servomoteurs sont utilisés pour le
déplacement mécanique, le positionnement
ou la commande de mouvement de précision
sur la base d’un signal de commande en entrée
et de retour en sortie qui constitue une boucle
fermée étroitement contrôlée.
Les servomoteurs sont couramment utilisés
dans les machines-outils et les entraînements
d’actionneur robotisés, entre autres. Les
moteurs asservis à commande numérique se
distinguent des autres solutions d’entraînement
par leur réponse dynamique élevée, leur couple
homogène, leur fiabilité et leur robustesse,
même si l’application requiert de grandes
variations d’inertie de charge. Les moteurs
à courant continu sans balais sont en outre,
appréciés pour leur capacité de rétroaction.
Lorsque les charges déplacées par un robot
ne nécessitent pas d’avoir recours à une
solution hydraulique, les moteurs sans balais
s’imposent en raison de leur taille compacte,
de leur puissance et de leur faible entretien. Ils
fonctionnent également de manière plus fiable dans des environnements moins favorables ou
dangereux.
On trouve dans les machines à commande
numérique, deux dispositifs d’entraînement :
le moteur de la broche et celui assurant son
alimentation. Le premier délivre la puissance
nécessaire pour le perçage, le fraisage ou
le meulage, tandis que le second apporte
la matière à usiner vers l’outil. Alors que les
broches sont animées par des moteurs à
courant continu ou alternatif, l’alimentation
de matière repose fréquemment sur des
servomoteurs à courant continu piloté par un
contrôleur électronique. Ils s’imposent pour
leur bonne dissipation de chaleur, leur inertie
réduite du rotor et leur fonctionnement sans
entretien.
