Le champ d'application des entraînements rotatifs toujours plus large

Les innovations en matière de matériaux, de joints et de systèmes de roulements améliorent la qualité

Le champ d'application des entraînements rotatifs est vaste et la qualité s'est considérablement améliorée ces dernières années grâce à toutes sortes d'innovations dans l'utilisation des matériaux, les joints et les systèmes de roulement. Toutefois, les fabricants font face à des défis dans deux domaines majeurs: la numérisation et le développement durable.

Force rotative

Les entraînements rotatifs sont utilisés pour transférer un certain couple (force de rotation) de la source d'énergie à la pièce à entraîner. Il peut s'agir d'instruments de précision ou de robots, mais aussi, par exemple, de plates-formes rotatives automatiques ou de grues rotatives. Le contrôle précis de cette rotation est particulièrement important lorsqu'un angle précis ou un contrôle de la vitesse est nécessaire. Les applications vont de l'entraînement de bandes transporteuses, de pompes et de machines-outils à la rotation d'articulations et d'actionneurs dans des bras robotisés et des robots mobiles.

Principe de fonctionnement

Générer un couple

Les entraînements rotatifs utilisent généralement une alimentation électrique, pneumatique ou hydraulique (voir ci-dessous). Le moteur génère un couple qui est transféré à la pièce en rotation par l'intermédiaire de l'arbre de sortie. Le système peut ajuster la vitesse et le couple, par exemple en utilisant des engrenages qui réduisent la vitesse de rotation tout en augmentant le couple.

Unité de commande

Elle règle la vitesse et le sens de rotation, et parfois aussi l'angle ou la position précise de l'arbre de sortie. Grâce au contrôle du courant d'alimentation du moteur, des paramètres tels que l'accélération, la décélération et le couple sont maîtrisés. L'ajustement de ces paramètres et de la précision dans les bras robotisés et les convoyeurs, entre autres, se fait par le biais de mécanismes de rétroaction.

Types d'entraînements rotatifs

Il existe différents types d'entraînements rotatifs. Le choix dépend de paramètres tels que la vitesse, le couple et la précision, ainsi que des conditions environnementales et des exigences en matière de maintenance.

Avec un moteur électrique

les moteurs à courant continu (CC)

• Les moteurs à balais sont des moteurs à courant continu traditionnels dans lesquels un commutateur assure un changement continu du sens du courant dans les enroulements, de sorte que la rotation reste possible. Ils sont simples et bon marché, mais en raison de l'usure des balais, ils sont également sensibles à la maintenance;
• les moteurs sans balais ou brushless, ou encore BLDC, qui n'utilisent pas de liaisons mécaniques mais une commutation électronique pour contrôler le sens du courant, ce qui les rend à la fois plus efficaces et plus durables que les moteurs à balais. Les moteurs BLDC sont souvent utilisés dans les ventilateurs, les pompes et les drones.

Moteur pas à pas

Le nombre d'impulsions détermine le déplacement angulaire, l'ordre des impulsions le sens de rotation. Comme chaque pas correspond à un angle de rotation fixe de l'arbre du moteur, un contrôle précis de la position est possible sans mécanisme de rétroaction. Ce type de moteur est largement utilisé dans les imprimantes (3D) et les machines à commande numérique, entre autres.

Moteurs à courant alternatif (CA)

• Les moteurs synchrones tournent à une vitesse constante, synchronisée avec la fréquence de la tension d'alimentation. L'entraînement s'effectue par l'intermédiaire
  - des électro-aimants, par l'intermédiaire d'un rotor alimenté avec des enroulements de champ;
  - un aimant permanent; ce type de moteur est souvent appelé moteur synchrone à aimant permanent (PMSM).
  Ils sont utilisés lorsqu'une vitesse constante est requise, par exemple dans les horloges ou les instruments de précision.
• les moteurs asynchrones ou à induction, dont la rotation est assurée par le champ magnétique entre le rotor (la partie tournante) et le stator (la partie fixe). Simples, robustes et fiables, ils sont largement utilisés dans l'industrie.
• Les moteurs synchrones à réluctance n'ont pas d'aimants permanents ou électromagnétiques sur le rotor, mais fonctionnent selon le principe de la réluctance magnétique: la différence de résistance magnétique entre le champ du rotor et celui du stator. Ils sont économes en énergie et sont donc largement utilisés dans les systèmes d'entraînement industriels.

Les moteurs à courant alternatif à aimant permanent et les moteurs synchrones à réluctance sont généralement les plus efficaces, car le champ magnétique du rotor n'est pas induit par le courant. Toutefois, un convertisseur de fréquence est nécessaire, alors qu'un moteur asynchrone peut également être branché directement sur le secteur.

Avec un moteur hydraulique

Ce type de moteur convertit la pression d'un fluide en mouvement rotatif. Le fluide est acheminé par un système de tuyauterie jusqu'au moteur où la pression déclenche la rotation; un système de vannes et de contrôleurs assure un contrôle précis de la vitesse, de la force et de la direction dans le processus. Ces moteurs sont robustes et résistants aux chocs et aux vibrations, ce qui les rend en partie adaptés aux machines industrielles, de construction et d'excavation.

Les actionneurs rotatifs utilisent généralement l'énergie électrique, pneumatique ou hydraulique comme source d'énergie

Avec un moteur pneumatique

Il utilise de l'air comprimé qui pénètre sous haute pression dans le compartiment moteur. Les pales ou les ailettes du rotor tournent grâce à la pression créée par l'expansion. Ces moteurs sont de conception simple et se caractérisent par un couple élevé à faible vitesse. Ils conviennent donc aux applications qui nécessitent une réponse rapide et des équipements légers, et où il ne doit pas y avoir d'étincelles électriques.

Avec un servomoteur

Ce moteur est utilisé lorsqu'un contrôle précis de la position, de la vitesse et parfois de l'accélération est nécessaire. La position et le mouvement sont ainsi continuellement corrigés par le mécanisme de rétroaction. Ce dernier peut déterminer en détail la distance et la direction du mouvement, ce qui est nécessaire lorsqu'un haut degré de contrôle et de précision est requis. Les instruments de précision, les robots et les systèmes de contrôle automatique en sont des exemples.

Développements technologiques

La qualité des entraînements rotatifs s'est considérablement améliorée ces dernières années grâce à diverses innovations. En voici quelques exemples.

Joints

• Joints sans contact:
  - joints labyrinthes avec une série de passages étroits et de chambres qui empêchent fortement le passage de fluides ou de gaz;
  - joints magnétiques: des aimants ou des matériaux magnétiques assurent une étanchéité constante et hermétique;
• les joints dynamiques:
  - les joints pneumatiques où la force d'étanchéité est contrôlée par la pression de l'air ou du gaz. Ils peuvent résister à des conditions de pression et de mouvement variables;
  - les joints ondulés, qui ont un profil ondulé. Les points de contact permettent au joint de s'adapter aux irrégularités et aux variations de surface.

Matériaux

• Les composites magnétiques souples (SMC) permettent de produire des noyaux magnétiques souples, usinables et légers. Ils réduisent la perte d'énergie magnétique et améliorent l'efficacité;
• les matériaux composites et les matériaux renforcés par des fibres améliorent les performances grâce à leur résistance, leur rigidité, leur faible poids, leur résistance à la corrosion et leurs bonnes propriétés d'amortissement;
• les revêtements avancés tels que le carbone de type diamant (DLC) et les revêtements céramiques améliorent la résistance à l'usure, réduisent le frottement et protègent contre la corrosion.

Dans les années à venir, l'accent sera mis sur l'amélioration des performances et l'intégration plus poussée des fonctionnalités de l'IdO

Systèmes de roulements

• Optimisation de la conception des roulements grâce à des techniques informatiques avancées telles que:
  - l'analyse par éléments finis (FEA), une méthodologie de simulation qui identifie les effets de la charge, de la température et des vibrations, entre autres facteurs;
  - l'optimisation de la topologie, une méthodologie de conception permettant de déterminer la forme optimale et la répartition des matériaux d'un composant ou d'une structure dans une zone de conception donnée;
• de nouveaux types de roulements, notamment:
  - les paliers magnétiques (actifs) où le magnétisme est utilisé pour maintenir l'arbre en rotation dans un état flottant;
  - les paliers à air où une fine pellicule d'air empêche le contact entre les pièces en mouvement;
  - les paliers polymères et composites sans lubrification, fabriqués à partir de plastiques et de composites avancés tels que le PEEK (polyétheréthercétone) et le PFE (polytétrafluoroéthylène).

Doublé

Il existe actuellement une demande croissante pour des entraînements compacts, économes en énergie et précis qui répondent aux exigences de l'industrie 4.0 et de la fabrication durable.

Numérisation et connectivité

L'industrie 4.0 exige que les machines et les systèmes deviennent plus intelligents, plus connectés et plus efficaces, ce qui est possible grâce aux capteurs intelligents. Ceux-ci permettent de surveiller en temps réel les paramètres importants, mais aussi d'assurer une maintenance basée sur l'état des machines.

Les technologies de l'internet industriel des objets (IIoT) permettent d'entrer en contact avec d'autres systèmes. Les données sont collectées, analysées et partagées, ce qui permet de mieux comprendre et de prendre de meilleures décisions. Mais il y a aussi un revers à la médaille: pour (continuer à) garantir l'intégrité des données, des mesures de cybersécurité robustes - cryptage, protocoles d'authentification, mises à jour de sécurité régulières - sont aujourd'hui aussi évidentes que nécessaires.

Durabilité

Pour réduire l'empreinte écologique, il faut minimiser l'impact sur l'environnement et optimiser l'efficacité des ressources, ce à quoi les capteurs intelligents peuvent contribuer (voir ci-dessus). La réduction de la consommation d'énergie peut être obtenue en utilisant des moteurs à haut rendement et/ou des variateurs de fréquence (VFD), qui permettent un contrôle dynamique de la vitesse et du couple. Il est également recommandé d'utiliser des matériaux à faible impact environnemental, notamment des lubrifiants et des matériaux d'étanchéité respectueux de l'environnement, et de poursuivre le développement et la mise en œuvre de techniques/méthodes qui réduisent les déchets.

Perspectives d'avenir

Au cours des prochaines années, l'accent sera mis sur l'amélioration des performances - principalement grâce à l'amélioration des innovations précédentes - et sur la poursuite de l'intégration des fonctionnalités de l'IdO. Toutefois, deux évolutions se profilent déjà à l'horizon.

La fabrication additive (impression 3D) permet de produire des pièces complexes avec des propriétés matérielles améliorées, ce qui permet d'optimiser les conceptions, de réduire les déchets et d'utiliser des matériaux qui étaient auparavant considérés comme non transformables ou difficiles à transformer.

Les nanomatériaux, tels que le graphène et les nanocomposites, font toujours l'objet de recherches concernant leur application aux actionneurs rotatifs. Ils permettent des conceptions plus légères et plus efficaces et offrent des avantages en termes de solidité, de résistance à l'usure et à la fatigue, de contrôle thermique et de résistance à la corrosion, entre autres.

En collaboration avec JIE-Euronorm et Rotero