LES MOTEURS ÉLECTRIQUES AC, DC ET EC DANS L’INDUSTRIE

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.