Chapitre 3 Moteurs électriques
3.6 Autres types de moteurs électriques
3.6.1 Électroaimants
L’électroaimant est un actionneur électrique particulièrement simple. Il est utilisé systématiquement pour la commande des relais et contacteurs et pour celle des électrovannes. Il permet également de faire bouger des volets en tout-ou-rien pour modifier le cheminement de divers matériaux, par exemple pour éjecter des pièces défectueuses en fin de production. Les électroaimants sont également utilisés en combinaison avec des grues pour attirer les matériaux ferromagnétiques dans certains ateliers, les déchetteries et autres cimetières de voitures. Ce principe est également utilisé pour exciter des bols vibreurs et autres systèmes d’alimentation de petits composants dans certaines machines de production.
Son principe de fonctionnement est généralement basé sur la propriété des champs magnétiques à rechercher le cheminement « qui oppose le moins de réluctance », donc à circuler autant que possible dans un matériau ferromagnétique plutôt que dans de l’air. La force F(t) produite est proportionnelle au carré du courant i(t), et plus ou moins inversement proportionnelle à la distance d’entrefer.
Figure 3-38 Principe de fonctionnement d’un électroaimant.
Des variantes existent, dans lesquelles l’élément mobile comporte un aimant permanent. Dans ce cas, la force produite dépend du sens du courant est peut donc être inversée.
3.6.2 Moteurs à bobine mobile
Le moteur à bobine mobile, aussi appelé moteur « voice-coil », se composent simplement d’une bobine en fil de cuivre pour entraîner la charge, qui est plongée dans un champ magnétique constant généralement produit par des aimants permanents.
Figure 3-39 Moteur voice-coil
(Source : HEIG-VD, Prof. M. Correvon)
Ce type d’actionneur est caractérisé par sa légèreté, puisque seul un bobinage en fil de cuivre doit être ajouté à un élément mobile pour le mettre en mouvement. Il permet d’atteindre des accélérations très élevées, jusqu’à 500 m/s2. Ses principaux inconvénients sont leur faible course (~5 cm max.) et leur faible force (~100 N max.).
Son utilisation typique, correspondant à l’origine de sa désignation en anglais, est l’entraînement de la mem-brane des haut-parleurs. Dans l’industrie des machines, ces moteurs conviennent à l’entraînement à très haute dynamique de pièces légères. Il n’en existe cependant pas qui soient disponibles directement sur cata-logue. Ils doivent donc être conçus et dimensionnés directement par le concepteur de machine.
L’alimentation de ces moteurs est relativement simple : Il suffit d’une source de tension ou de courant conti-nu dont la valeur puisse être contrôlée, ceci à une fréquence en adéquation avec la rapidité des mouvements souhaités.
3.6.3 Moteurs linéaires et moteurs couples
A la base, un moteur linéaire est un moteur triphasé, généralement synchrone à aimants permanents, qui est
« déroulé ». Les aimants sont disposés sur la « voie », qui est le plus souvent fixe, et les bobinages sont dis-posés sur le mobile. Pour permettre des déplacements sur des longueurs suffisantes, la voie est prolongée en ajoutant des aimants, comme si plusieurs rotors déroulés étaient mis bouts à bouts. Les mobiles sont suppor-tés et guidés par des coulisses ou autres, l’assemblage devant générer aussi peu d’efforts de frottement que possible, tout en répondant à la précision de positionnement requise (souvent quelques microns seulement).
Il est possible de disposer plusieurs mobiles sur une seule voie si la machine le nécessite.
Dans cette configuration, l’alimentation du moteur doit être transmise de la partie fixe de la machine au mo-bile du moteur linéaire, ce qui requiert des câbles particulièrement souples. Suivant l’amplitude des mouve-ments à effectuer, il peut être préférable d’associer les bobinages à la partie fixe de la machine, et la voie d’aimants à sa partie mobile. De cette manière, aucun câblage électrique avec la partie mobile n’est néces-saire.
Figure 3-40 Moteur linéaire – principe et exemples
(Source : divers + ETEL SA, Suisse – www.etel.com)
Le mobile contient généralement du fer. Même sans aucun courant, la force d’attraction exercée sur lui par la voie est très élevée (plusieurs fois la force nominale). Il est donc indispensable de prendre de grandes précau-tions lors de l’assemblage de la machine, le mobile devant être guidé sur la voie depuis l’une de ses extrémi-tés. Pour éviter ce problème, il existe également des moteurs linéaires à mobile sans fer, qui se déplacent à l’intérieur d’une voie formée en « U », comme le montre la photographie de droite à la Figure 3-40.
Pouvant atteindre des accélérations jusqu’à 200 m/s2 et des puissances de plusieurs kW, les moteurs linéaires sont particulièrement indiqués pour les applications à haute dynamique. Ils permettent d’éviter les élasticités et les jeux qui sont inévitables avec les moteurs rotatifs et leurs réducteurs. Pour retirer tous les avantages de cette technologie, il est nécessaire d’assembler directement les éléments (voie, mobile) de ces moteurs sur la machine, de la manière la plus rigide possible : Le mobile doit être directement intégré à la charge, et la voie au bâti. En effet, de telles accélérations ne peuvent être exploitées correctement sur des machines de produc-tion que si les fréquences propres de la machines sont assez élevées.
Les moteurs linéaires permettent d’atteindre des forces de 2'500 N, voire plus. Souvent, leur mobile peut être refroidi à l’eau pour augmenter les courants, et donc la force produite.
Ils sont utilisés sur les machines à très haute cadence de production, comme les machines à percer les circuits imprimés.
Les moteurs linéaires peuvent aussi fonctionner sur le principe des moteurs asynchrones, voire des moteurs pas-à-pas, donc sans aimants permanents.
Le moteur dit « moteur couple » est également un moteur synchrone à aimants permanents, dont le nombre de pôles est fortement augmenté. Comme le moteur linéaire, son rotor est directement intégré à la charge et son stator au bâti (ou l’inverse, comme dans une roue de voiture), de manière à augmenter autant que pos-sible la rigidité. Comme le montre la Figure 3-41, le rotor des moteurs couples est généralement creux, ce qui est particulièrement utile sur certaines machines pour transmettre diverses alimentations électriques, hydrau-liques, et autres câblages de la partie fixe vers la partie mobile.
Figure 3-41 Moteur « couple »
(Source : ETEL SA, Suisse – www.etel.com)
3.6.4 Moteurs linéaires « piston »
Le moteur linéaire « piston » est à la base un moteur linéaire fonctionnant également sur le principe du ser-vomoteur synchrone. La différence réside dans la forme de la voie, constituée d’une tige contenant les ai-mants permanents, et qui coulisse à l’intérieur d’un tube comprenant les bobinages. Il permet de réaliser des mouvements linéaires jusqu’à plus d’un mètre d’amplitude. Sa force peut atteindre 1’000 N, permettant éga-lement d’atteindre des accélérations de 200 m/s2.
Figure 3-42 Principe d’un moteur linéaire à piston
(source : Linmot – CH – www.linmot.com)
Ce type de moteur est généralement livré complet, capteur linéaire de position inclus. Sa mise en œuvre n’est pas plus compliquée que celle d’un vérin pneumatique, tout en offrant des temps de réaction plus rapide et la possibilité de contrôler exactement la vitesse et les accélérations pendant les mouvements.
Son inconvénient majeur réside dans le fait qu’il n’y a actuellement que peu de fournisseurs. Son prix est attractif par rapport aux autres entraînements électriques, mais nettement plus élevé qu’un vérin
pneuma-L’utilisation typique est l’orientation hyper rapide du flux des produits manufacturés, comme par exemple le rejet des pièces défectueuses. On l’utilise également pour le positionnement précis de pièces dans des ma-chines d’assemblage.
3.6.5 Piézoactionneurs et piézomoteurs
La piézoélectricité est la capacité de certains matériaux à se polariser lorsqu’ils sont contraints mécanique-ment. Une tension apparait alors entre leurs surfaces, proportionnellement à la déformation imposée. Comme pour une pile, cette tension piézoélectrique est susceptible de faire circuler un courant électrique dans un circuit extérieur.
Cet effet est un phénomène propre à certains types de cristaux (ex : le quartz) et de céramiques anisotropes.
L’effet piézoélectrique est réversible. Dans les actionneurs, une déformation est obtenue par application d’une tension électrique continue entre 2 surfaces opposées. Si cette tension est alternative, c’est une vibra-tion mécanique qui en résulte.
L’actionneur piézoélectrique exploite les déformations mécaniques générées par effet piézoélectrique inverse pour créer des très petits mouvements linéaires. Le moteur piézoélectrique exploite ces déformations méca-niques pour l’entraînement par contact de sa partie mobile dans un mouvement de reptation.
Figure 3-43 Principe de fonctionnement d’un actionneur, respectivement d’un moteur piézoélectriques
(sources : CEDRAT – FR et EFPL - CH)
L’actionneur et le moteur piézoélectriques se distinguent des autres moteurs par les propriétés suivantes :
• la faible ampleur de leurs mouvements (quelques microns pour les actionneurs, jusqu’à ~100 mm pour les moteurs) ;
• leur résolution pratiquement illimitée, d’où leur intérêt pour les nanotechnologies ;
• leur grande force de maintien à l’arrêt, hors de toute alimentation ;
• leur faible force motrice (actuellement limitée à ~50 Nm) ;
• leurs très faible masse en mouvement, ce qui explique leurs temps de réponse extrêmement rapides (~10 µs) ;
• leur insensibilité aux champs magnétiques perturbateurs.
L’actionneur et surtout le moteur piézoélectriques sont encore au stade des prototypes. Ils commencent à être utilisés comme moyen de réglage fin ou dans les cas où un grand effort de maintien est requis lorsque les alimentations sont désactivées. Leurs utilisations possibles sont les nano-positionnements en mécanique et en microélectronique, la génération d’ultrasons, et certaines applications aéronautiques. Ils commencent à être considérés pour des applications industrielles à faible vitesse et très brefs temps de réaction (~10 µs), où des contraintes sévères de légèreté et de fiabilité doivent être satisfaites.
La Figure 3-44 montre un exemple d’actionneur piézo-électrique conçu pour des applications liées à l’aérospatiale. Il exerce une force de maintien de 50 N pour une course maximale de 3 mm; sa masse est de 350 g.
Figure 3-44 Prototype d’un moteur piézo-électrique pour l’aérospatiale
(source : SATIE ENS-Cachan et CEDRAT - FR)