Des motoréducteurs de plus en plus polyvalents

Des solutions toujours plus fiables, plus intuitives et plus performantes

Les motoréducteurs permettent de régler la vitesse et le couple d'un moteur et de les transférer à une machine ou à un système. Des stratégies de conception innovantes basées sur des critères d'application tels que la taille de l'installation, la charge, la vitesse et la durée de vie ont progressivement conduit à des conceptions spécifiques allant des réducteurs à vis sans fin et à couple conique hélicoïdal aux réducteurs planétaires et cycloïdaux. Sous l'effet d'une législation et d'une réglementation (plus strictes) et des progrès technologiques, leur qualité s'est considérablement améliorée au cours des dernières années, et ce n'est pas fini.

Facteur de fonctionnement

Un motoréducteur est capable d'ajuster la vitesse et le couple d'un moteur et de les transférer à une machine ou à un système: le couple augmente tandis que la vitesse de sortie (RPM) diminue. Pour un entraînement fiable, le facteur de fonctionnement ou de service (fB) est essentiel. Pour des charges légères et uniformes, un réducteur avec un facteur de service plus faible est suffisant; une charge lourde et/ou irrégulière (pic) nécessite un réducteur avec un facteur de service élevé.

Les motoréducteurs sont utilisés lorsque des charges lourdes nécessitent une vitesse constante et un couple élevé (dans les bandes transporteuses), lorsqu'un mouvement et une puissance contrôlés sont essentiels (dans les ascenseurs, les grues), lorsque la précision et la vitesse doivent pouvoir être contrôlées avec précision (dans les machines d'automatisation et de production) et lorsque des vitesses faibles et un couple élevé sont nécessaires (dans les épandeurs de fumier et les faucheuses).

Fonctionnement

Les principaux composants d'un motoréducteur sont le moteur électrique et le réducteur.

Le moteur électrique - un moteur à courant alternatif ou continu, selon l'application souhaitée - assure la conversion de l'énergie électrique disponible en mouvement mécanique en utilisant l'électromagnétisme, voir encadré, après quoi le mouvement mécanique peut être transféré à une variété de machines et/ou d'appareils.

Le choix du bon réducteur dépend des exigences de l'application, telles que la taille de l'installation, la charge, la vitesse et la durée de vie prévue

Le réducteur est un système d'engrenages dont le fonctionnement est similaire à celui d'une boîte de vitesses. La réduction de la vitesse est obtenue par un petit engrenage d'entraînement sur l'arbre du moteur qui entraîne un engrenage plus grand dans le réducteur. La différence de taille et de nombre de dents des engrenages réduit la vitesse tout en augmentant le couple.

Fonctionnement d'un moteur électrique
La bobine d'un moteur électrique est située dans un champ magnétique externe généré par des aimants permanents ou électromagnétiques dans le stator. Le mouvement relatif de la bobine du rotor par rapport au champ magnétique entraîne un courant électrique dans la bobine du rotor. Un second champ magnétique est alors créé autour de celle-ci.

L'interaction entre le courant circulant dans la bobine du rotor et le champ magnétique externe du stator génère une force sur la bobine du rotor, appelée force de Lorentz. Sous l'influence de cette force, la bobine montée sur le rotor se met à tourner ainsi que l'arbre auquel le rotor est accouplé. Ce mouvement mécanique est transmis à diverses machines et appareils, à condition que le courant continue de circuler dans le rotor: dans un moteur à courant alternatif, cela se produit automatiquement par le biais du courant alternatif - une différence de vitesse constante subsiste entre le champ magnétique du stator et celui du rotor. Dans un moteur à courant continu, un collecteur garantit qu'un courant provenant d'une source externe est toujours injecté dans le rotor, ce qui entraîne un changement continu du sens du courant.

Types de réducteurs

Le choix du bon réducteur dépend des exigences de l'application, telles que la taille de l'installation, la charge, la vitesse et la durée de vie prévue. Les types les plus connus sont:

• Le réducteur à vis sans fin, composé d'une vis sans fin (vis) et d'une roue à vis sans fin (engrenage). Lorsque la vis sans fin tourne, la roue à vis sans fin se déplace à angle droit par rapport à la vis sans fin, ce qui permet de transmettre un couple élevé. En raison des pertes par frottement - dans les engrenages à vis sans fin à rapport élevé, ces pertes peuvent atteindre 60% en interne - les engrenages à vis sans fin sont moins efficaces que les transmissions ultérieures. Les réducteurs à vis sans fin sont utilisés lorsque des rapports de réduction élevés sont souhaités et que l'espace est limité, par exemple dans les réducteurs de levage.
• Le réducteur à engrenages hélicoïdaux, équipé d'engrenages hélicoïdaux dotés de dents hélicoïdales qui s'emboîtent progressivement, ce qui leur permet de fonctionner en douceur et sans bruit. Ils ont une capacité de charge élevée et conviennent aux processus continus, d'où leur utilisation pour les convoyeurs industriels et les systèmes de ventilation.
• Le réducteur coaxial présente des similitudes avec le réducteur hélicoïdal en termes de transmission de puissance et de réduction de vitesse. Le terme coaxial fait référence à l'alignement des arbres (les arbres d'entrée et de sortie sont alignés). Il peut être combiné avec différents types d'engrenages, dont les engrenages hélicoïdaux.
• Les engrenages hélicoïdaux avec engrenages coniques montés à un angle de 90° qui rendent l'arbre de sortie perpendiculaire à l'arbre d'entrée. En raison de leur efficacité, de leur forme et de leur aptitude à des vitesses élevées, ils trouvent une application, entre autres, dans les machines où le montage de l'entraînement en ligne avec l'arbre à entraîner n'est pas envisageable.
• La roue planétaire ou le réducteur planétaire dans lequel un engrenage central (la roue solaire) est entouré d'un certain nombre d'engrenages (les roues planétaires) qui tournent ensemble dans un engrenage en forme d'anneau (la couronne). La transmission d'un couple élevé, la réduction efficace de la puissance et de la vitesse et la répartition uniforme de la charge font de cette conception compacte un outil idéal pour les entraînements de précision, la robotique et les entraînements à forte charge tels que les presses.
• Le réducteur cycloïdal qui, à l'aide d'un disque cycloïdal et de roulements à rouleaux, convertit un mouvement de rotation en une vitesse plus faible avec un couple plus élevé. Cette version est résistante aux chocs et présente une faible friction. Les applications comprennent les robots industriels et les systèmes soumis à des chocs importants.

Amélioration qualitative

Grâce au renforcement de la législation et de la réglementation (voir encadré), à des stratégies de conception innovantes et aux progrès technologiques, la qualité des motoréducteurs s'est considérablement améliorée ces dernières années, et ce n'est pas fini.

Efficacité

La conception des engrenages est de plus en plus sophistiquée, ce qui a permis de réduire la consommation d'énergie, en partie grâce à la diminution des pertes d'énergie dues au frottement et à la chaleur.

Perspectives d'avenir

• profils de dents de plus en plus perfectionnés et fabrication de précision (réduction du jeu et transmission plus efficace de la puissance);
• optimisation de l'électronique et poursuite de l'automatisation grâce à des systèmes de contrôle plus avancés et à des entraînements à fréquence variable (EFV);
• amélioration du contrôle thermique grâce à une dissipation de la chaleur, une isolation thermique et/ou des systèmes de refroidissement plus efficaces.

Consommation d'énergie

L'apparition des moteurs de classe de rendement IE4 et, à terme, IE5, est un pas dans la bonne direction en termes de consommation d'énergie. La classe IE4 (Super Premium Efficiency) est obligatoire dans la gamme de puissance de 75 kW à 200 kW depuis le 1er juillet 2023. La classe IE5 (Ultra Premium Efficiency) n'est pas obligatoire pour le moment. D'ailleurs, certains fabricants proposent déjà des moteurs de haute qualité qui dépassent l'efficacité prescrite de la classe IE5, appelée IE5+.

Perspectives d'avenir

• application de moteurs à haut rendement, par exemple les moteurs à aimants permanents, les moteurs synchrones à réluctance et les moteurs à induction optimisés;
• utilisation de bobinages et de matériaux de noyau avancés
• utilisation de lubrifiants à faible viscosité, thermiquement stables et de systèmes de lubrification basés sur l'état.

Lois et réglementations
Au cours de la dernière décennie, les motoréducteurs ont fait l'objet de plusieurs changements réglementaires importants, visant principalement à améliorer l'efficacité énergétique et à réduire l'impact sur l'environnement. Les plus importantes sont les suivantes:

Normes IE
Le changement le plus important est l'introduction et le renforcement ultérieur des normes internationales d'efficacité (IE) pour les moteurs. Ces normes s'appliquent de plus en plus aux motoréducteurs en raison de la synergie entre le réducteur et le moteur fixé ou intégré.

Réglementations européennes
- La directive sur l'écoconception fixe des normes minimales de performance énergétique, entre autres pour les motoréducteurs; ceux-ci doivent désormais répondre à des exigences élevées en matière d'efficacité énergétique tout au long de leur durée de vie;
- Le règlement (UE) 2019/1781 exige que les moteurs de 0,12 kW à 1.000 kW répondent à des normes d'efficacité énergétique plus élevées, qui s'appliquent également aux moteurs utilisés dans les réducteurs.
- Les directives REACH (Registration, Evaluation, Authorisation, and Restriction of Chemicals) et RoHS (Restriction of Hazardous Substances) exigent que les motoréducteurs soient exempts de substances nocives spécifiques (renforcer la sécurité et réduire l'impact sur l'environnement). Ces directives ne s'appliquent qu'aux moteurs électriques fixés, de classe IE3, IE4 et éventuellement IE5.

Les directives se concentrent principalement sur la motorisation et très peu sur la boîte de vitesses.

Utilisation de matériaux

Les matériaux recyclables et les matières premières moins nocives ont permis de réduire considérablement l'impact environnemental des motoréducteurs. En outre, les aciers haute performance et les alliages avancés permettent d'alléger les réducteurs. Les revêtements permettent de disposer d'une surface beaucoup plus résistante et réduisent le frottement, ce qui améliore la durée de vie (réduction de l'usure).

Perspectives d'avenir

• utilisation croissante de matériaux plus légers et plus résistants, tels que les matériaux composites (par exemple, les polymères renforcés de fibres de verre) et/ou les alliages haute performance (par exemple, les alliages aluminium-titane);
• l'application de l'impression 3D fait que les composants à géométrie optimisée - qui ne peuvent être produits par les méthodes de production traditionnelles - deviennent une réalité.

Tous ces développements visent à accroître l'efficacité, la fiabilité, les performances et la facilité d'utilisation

Miniaturisation

Les techniques de fabrication avancées permettent de réduire les dimensions des motoréducteurs sans sacrifier la fonctionnalité et/ou les performances. Les nouveaux types de moteurs sont donc plus puissants (couple plus élevé) sans occuper d'espace inutile (boîtier plus compact), ce qui permet de les intégrer dans des machines et des systèmes plus petits ou plus légers.

Perspectives d'avenir

• l'utilisation de LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung) permettant la production de micro-engrenages et de microstructures pour de très petits motoréducteurs;
• des outils de simulation et de conception avancés permettant une conception plus précise des composants des boîtes de vitesses ainsi qu'une optimisation pour les petites tailles.

Intégration de fonctions 'intelligentes'

Les motoréducteurs modernes peuvent être équipés de capteurs connectés aux systèmes de l'internet des objets (connectivité) via des variateurs de fréquence (VFD) ou des variateurs de vitesse (VSD), ce qui permet aux opérateurs de voir en temps réel comment ils fonctionnent, de programmer une maintenance prédictive et, en partie grâce à cela, d'éviter les pannes et les arrêts de machine. En outre, grâce à la précision du contrôle de la vitesse et du couple du moteur, la nouvelle génération est plus facilement intégrable dans les systèmes automatisés.

Perspectives d'avenir

• utilisation de l'IA et de l'apprentissage automatique pour les systèmes d'auto-apprentissage et la possibilité d'un contrôle adaptatif dans des conditions changeantes;
• surveillance avancée de la sécurité grâce à des capteurs de sécurité intégrés (arrêts d'urgence automatiques);
• la cybersécurité protégeant les motoréducteurs contre les accès non autorisés et les cyberattaques.

Tous ces développements visent à accroître l'efficacité, la fiabilité, les performances et la facilité d'utilisation.

En collaboration avec Dertec, JIE-Euronorm, NORD Drivesystems et SEW Eurodrive