Petits moteurs électriques - Cadxfem · 2016. 11. 14. · es petits moteurs électriques sont présents partout et sont devenus des On ne pourrait plus concevoir une société industrielle

27/10/2008BOUGRINE HASSANDossier délivré pour


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Petits moteurs électriques

par Sylvain ALLANODocteur ès SciencesDiplômé du Centre d’Études Internationales de la Propriété Industrielle CEIPI(Brevets, marques et modèles)Professeur des Universités à l’École Normale Supérieure de Cachan

es petits moteurs électriques sont présents partout et sont devenus descomposants tellement courants que leur existence est bien souvent ignorée.

On ne pourrait plus concevoir une société industrielle sans l’utilisation massivede petits moteurs et actionneurs électriques. Ces moteurs sont généralementfabriqués en très grandes séries, à l’exception de certaines gammes de servo-moteurs et d’actionneurs. Les impératifs industriels (coût, automatisation)conditionnent la conception de ces moteurs qui doivent, en outre, généralementse fondre au sein de l’application.

1. Besoins en petits moteurs et actionneurs électriques.................. D 3 720 - 21.1 Contexte industriel ...................................................................................... — 21.2 Considérations technico-économiques ..................................................... — 21.3 Conditions et domaines d’utilisation ......................................................... — 2

2. Concepts et techniques de conversion électromécanique .......... — 32.1 Éléments de classification........................................................................... — 32.2 Moteurs à collecteur.................................................................................... — 42.3 Moteurs synchrones.................................................................................... — 52.4 Moteurs asynchrones.................................................................................. — 92.5 Moteurs piézoélectriques............................................................................ — 9

3. Mise en œuvre de petits moteurs et actionneursd’entraînement ......................................................................................... — 10

3.1 Caractéristiques électromécaniques .......................................................... — 103.2 Modes d’alimentation et de commande.................................................... — 113.3 Limitations pratiques d’emploi................................................................... — 133.4 Critères de choix d’un actionneur .............................................................. — 14

4. Servomoteurs............................................................................................ — 174.1 Cahier des charges ...................................................................................... — 174.2 Solutions technologiques ........................................................................... — 174.3 Critères de choix .......................................................................................... — 18

5. Éléments de conception et de fabricationdes petits moteurs................................................................................... — 19

5.1 Considérations thermiques......................................................................... — 195.2 Conception électromagnétique .................................................................. — 205.3 Conception des ensembles alimentation-actionneur ............................... — 215.4 Intégration de l’actionneur dans l’application........................................... — 215.5 Exemples de réalisation de petits moteurs électriques............................ — 21

6. Vers des actionneurs compacts et intelligents ............................... — 226.1 Intégration du convertisseur d’alimentation ............................................. — 226.2 Intégration de la commande....................................................................... — 236.3 Apport de nouveaux matériaux.................................................................. — 23

7. Conclusion ................................................................................................. — 23

Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 3 721

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PETITS MOTEURS ÉLECTRIQUES __________________________________________________________________________________________________________

Un mode de définition d’un petit moteur électrique peut s’appuyer soit surdes critères quantitatifs de puissance ou de couple, soit sur des considérationsapplicatives dans lesquelles les fonctions de positionnement et de mouvementl’emportent sur la fonction de conversion d’énergie. Mais il faut noter le caractèreparfois arbitraire de la définition d’un petit moteur électrique, puisqu’il répondà toutes les règles et principes de l’électrotechnique. Nous considérerons, dansla suite, les moteurs de puissance nominale inférieure à 600 W, en référence auxrèglements officiels de la Construction Électrique (NF C 51 –200). Il est à noterque cette limite de puissance correspond, dans la terminologie anglo-saxonne,à des fractional horse power motors, donc de puissance inférieure à environ735 W.

Il est utile de préciser les notions terminologiques de moteur etd’actionneur :

— le moteur est un organe générant un mouvement au sens étymologique duterme ;

— l’actionneur est un organe produisant une action.La désignation de moteur est plus large que celle d’actionneur, puisqu’elle

inclut, outre la production d’actions, la génération de mouvements de naturequelconque. Enfin, les petits actionneurs et moteurs peuvent produire des actionsou mouvements rotatifs, linéaires ou plus complexes.

Le présent article vise les moteurs et actionneurs de gamme centimétrique,en excluant, outre la limite de puissance précitée :

— en limite inférieure, les microactionneurs électrostatiques, magnétiques etpiézoélectriques, qui ne seront qu’évoqués ;

— en limite supérieure, les moteurs à excitation séparée externe, tant à courantcontinu que synchrones, et, d’une manière générale, les moteurs mettant enœuvre des bagues.

Il sera constamment fait référence aux articles de la collection des Techniquesde l’Ingénieur relatifs aux différents types de moteurs électriques et à leurcommande.

1. Besoins en petits moteurs et actionneurs électriques

1.1 Contexte industriel

On peut distinguer les besoins en petits moteurs et actionneursselon :

— les besoins en déplacement de pièces ou d’objets ;— les besoins en positionnement ;— les besoins en actions mécaniques, tels que l’usinage et le

perçage.

Certains de ces besoins sont naturellement remplis systéma-tiquement par des moteurs électriques, tandis que d’autres corres-pondent à une substitution progressive de solutions électriques àdes solutions antérieures, notamment hydrauliques ou pneu-matiques.

1.2 Considérations technico-économiques

Une grande partie des besoins en motorisation peut être satisfaiteavec un compromis performance-coût favorable aux solutions élec-triques tant la palette de possibilités conceptuelles de motorisation

électrique est large et diversifiée. Cependant, certains champsd’application peuvent nécessiter l’emploi :

— soit de matériaux à haute performance, donc généralementcoûteux, pour satisfaire notamment des contraintes de compacité ;

— soit de dispositifs mécaniques de conversion, tels que desréducteurs, qui peuvent induire des limitations de performances.

1.3 Conditions et domaines d’utilisation

1.3.1 Moteurs d’entraînement

On appellera moteurs d’entraînement les moteurs dont la missionprincipale est d’assurer un entraînement rotatif ou bien linéaire, soitde façon directe, soit indirectement à travers un dispositif mécaniquede conversion. Ces moteurs sont bien souvent associés à unréducteur.

1.3.2 Moteurs pas à pas

Cette catégorie vise l’ensemble des moteurs dont la fonction estd’assurer un positionnement discrétisé d’une pièce ou d’une struc-ture mobile (cf. article spécifique [16]).


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__________________________________________________________________________________________________________ PETITS MOTEURS ÉLECTRIQUES

1.3.3 Servomoteurs

Les servomoteurs sont généralement des organes au sein d’unsystème asservi (§ 4) et ont pour fonction de traduire mécanique-ment des consignes de positionnement d’une pièce ou d’un objet.

2. Concepts et techniquesde conversion électromécanique

2.1 Éléments de classification

On peut dire que, depuis l’invention des premiers moteurs élec-triques au dix-neuvième siècle, pratiquement tous les modes pos-sibles de combinaison des trois composants essentiels (cuivre, air,fer) d’un moteur ou actionneur électrique ont été envisagés pourobtenir une conversion électromécanique. En outre, à la différencedes moteurs de moyenne ou grande puissance qui présentent desconceptions relativement stabilisées et identifiées, le domaine despetits moteurs électriques a suscité un très grand foisonnement et

une très grande diversité conceptuelle ; seules des contraintes éco-nomiques ou de faisabilité limitent l’imagination des concepteurs.En effet, dans des systèmes électromagnétiques, la génération d’uneffort est généralement le résultat d’un couplage entre deux champsattachés, respectivement, à deux corps en mouvement l’un par rap-port à l’autre.

On peut toutefois tenter une classification des différentes struc-tures rencontrées dans les petits moteurs électriques (figure 1), ensachant que d’autres modes de classification peuvent également êtreenvisagés (par exemple, sur la structure du stator) et que certainsmoteurs sont difficilement classifiables.

Si l’on entreprend une classification fondée sur la nature etl’existence de champs magnétiques ou électrostatiques dansl’interface rotor-stator, on peut distinguer (figure 1) :

— les moteurs à courant continu et les moteurs universels, quiont en commun de présenter des champs magnétiques d’entrefernon tournants et de nécessiter un collecteur mécanique (§ 2.2) ;

— les moteurs synchrones (§ 2.3) et asynchrones (§ 2.4) à champmagnétique d’entrefer tournant ;

— les moteurs piézoélectriques (§ 2.5) ;— les moteurs électrostatiques dans lesquels la génération

d’effort est fondée sur un couplage de champs de nature électro-statique [26].

Figure 1 – Classification des structures principales de petits moteurs électriques




2.2 Moteurs à collecteur

2.2.1 Moteurs à courant continu

Cette structure de moteur (figures 2 3 et 4), extrêmement répan-due, présente l’avantage de procurer une très grande facilité decommande en régime de vitesse variable (cf. article Commande desmachines à courant continu à vitesse variable [17]) et une bonnecompacité, mais présente également des inconvénients inhérents àla présence d’un organe mécanique, tel que le collecteur, impliquantl’entretien des balais, la génération d’étincelles et de perturbationsélectromagnétiques.

Le mode d’excitation le plus largement répandu dans la gammedes petits moteurs à courant continu est le mode d’excitation paraimants permanents, qui offre des avantages objectifs decompacité. On peut également prévoir, dans certaines applications,des modes d’excitation série, shunt ou compound.

2.2.1.1 Moteur à rotor cylindrique

Ce type de moteur à rotor ferromagnétique (figure 2) comprendun stator muni d’aimants permanents et un rotor constitué, sur unarbre, d’un empilement de tôles magnétiques dentées, d’un enrou-lement distribué et d’un collecteur mécanique. La figure 2a est unevue éclatée d’un exemple d’un ensemble d’un moteur à courantcontinu et d’une génératrice tachymétrique, cette génératrice étantelle-même une machine à courant continu à aimants permanents. Unexemple de réalisation est donné paragraphe 5.5.1.

Il y a deux modes principaux de mise en œuvre des aimants per-manents au stator (cf. dans ce traité, les articles Actionneurs à col-lecteur à aimant permanent [18], Aimants permanents. Principes etcircuits magnétiques [19] et Aimants permanents. Matériaux etapplications [20]).

Dans un premier mode, les aimants permanents ne sont pasdirectement dans l’entrefer, mais des pièces polaires contribuent àconcentrer les lignes d’induction dans cet entrefer.

Dans un second mode, les aimants sont disposés en tuile etgénèrent directement un flux dans l’entrefer.

Figure 2 – Structure d’un moteur à courant continu,à induit cylindrique

À titre d’exemple, on représente un moteur à courant continucomportant quatre paires de pôles statoriques au sein d’une carcasse(ou boîtier) en aluminium (figure 2b ). Des aimants permanents en alnicotype Ticonal disposés azimutalement sont insérés entre deux piècespolaires adjacentes.

À titre d’exemple, on considère un moteur comportant sur son statorhuit aimants permanents alternés en ferrite disposés radialement etfixés à l’intérieur d’une carcasse en acier doux (figure 2c ).

Figure 3 – Structure d’un moteur à courant continu,à induit en cloche ou à conducteurs libres






Dans le premier mode, la densité de flux d’excitation dansl’entrefer est généralement plus élevée que celle obtenue dans lesecond mode (de l’ordre de 2 à 3 fois plus), mais sa réalisation estplus compliquée.

2.2.1.2 Moteur à rotor sans ferNota : cette structure, dite également à conducteurs libres ou à induit en cloche

(figures 3a et b ), permet, généralement, d’obtenir une très faible inertie (par exemple, del’ordre de 0,1 g · cm2, pour une vitesse nominale de 10 000 tr/min et une puissance de 0,5 W)et, donc, un rapport du couple à l’inertie très favorable.

Dans certains moteurs adoptant cette structure, la partie tournante(induit libre et collecteur) est insérée entre un noyau magnétiquecentral fixe et une couronne d’aimants, par exemple des aimantsTiconal, de forme tronconique (figure 3a ). Ces aimants sont orientésalternativement pour générer des flux magnétiques radiaux.

On peut également citer la gamme de moteurs développée parMinimotor, qui met en œuvre un système à bobinages obliques (sys-tème Faulhaber breveté), illustré figure 3b. Dans cette gamme, lesmoteurs présentent un noyau central constitué d’un aimant per-manent générant un flux radial et un rotor sans fer à conducteurslibres enserrant cet aimant. La présence de l’aimant permanent dansle noyau central permet de minimiser le diamètre extérieur dumoteur. Un exemple de réalisation est donné paragraphe 5.5.2.

2.2.1.3 Moteur à rotor discoïde

Dans un moteur à rotor discoïde (figure 4), le disque rotorique estgénéralement réalisé dans un matériau isolant (résine, plastique,composite) sur lequel sont rapportés des conducteurs d’induit et uncollecteur. Des aimants permanents sont disposés sur des piècesstatoriques de part et d’autre du disque rotorique. Ces aimants seprésentent généralement sous la forme de plots. Des balais viennentfrotter sur le collecteur du disque rotorique.

Nota : ce type de moteur est particulièrement adapté à des applications de servomoteur,du fait de son très bon rapport du couple à l’inertie (par exemple 105 rad · s–2). Il présentegénéralement une très faible constante de temps thermique (de l’ordre de 150 s), quiimplique de prévoir une protection thermique, ainsi qu’une faible constante de temps élec-trique (de l’ordre de 0,1 ms), qui nécessite l’emploi d’une inductance de lissage lorsque cemoteur est alimenté par hacheur.

2.2.2 Moteurs universels

Nota : cette structure de moteur (figure 5) offre un régime de vitesse variable avec undispositif de commande très rustique à partir d’une alimentation sur secteur monophasé ouà partir d’une source de tension continue.

Un moteur universel possède généralement (figure 5a ) un stator,comportant au moins une paire de pôles autour desquels sont pla-cés des enroulements, et un rotor, dans les encoches duquel estsitué un enroulement distribué, relié en série, via un collecteurmécanique, avec l’enroulement statorique.

Nota : cette structure présente plusieurs défauts, notamment celui d’une commutationmédiocre génératrice d’étincelles et aussi d’un couple massique modeste ; elle offre, enrevanche, une très grande plage de fonctionnement avec un comportement de moteur série.Comme son nom l’indique, il peut être alimenté en courant continu.

Un autre exemple de moteur universel, largement répandu dansdes équipements domestiques, est le moteur de type Siemens(figure 5b ) ; il présente un circuit magnétique très rustique compre-nant un stator, constitué d’un empilement de tôles réalisées parestampage, dont les deux extrémités font fonction de pôles et unrotor à trois pôles bobinés muni d’un collecteur à trois lames.

2.3 Moteurs synchrones

Le lecteur pourra se reporter, dans ce traité, à l’article Machinessynchrones. Fonctionnement en régime permanent [21].

2.3.1 Moteurs à aimants permanents

Ils comprennent un stator triphasé générant un champ tournantstatorique et un rotor comportant des aimants permanents alternésgénérant un champ tournant rotorique. Il faut noter que plusieursterminologies distinctes sont employées pour désigner ces moteurs :

— la dénomination moteurs synchrones à aimants alternés estutilisée principalement par les concepteurs, du fait de sa connotationtopologique ;

— la dénomination moteurs DC Brushless (courant continu sansbalais) est utilisée par les constructeurs, pour proposer des solutionsavantageuses de substitution à des moteurs à courant continu, etelle est préférée pour les asservissements ;

— la dénomination moteurs à commutation électronique est uti-lisée par les constructeurs et les intégrateurs, évoquant des consi-dérations d’alimentation par électronique de puissance.

Ces trois dénominations peuvent coexister sans problèmepuisqu’elles recouvrent les mêmes réalités physiques, vues cepen-dant sous des angles différents (conception, asservissement,alimentation). Des exemples de réalisation sont donnés paragraphe5.5.3.

Figure 4 – Structure d’un moteur à courant continu, à induit discoïde [doc. Mavilor]




2.3.1.1 Moteur à rotor sans pièce polaire

Les aimants permanents sont disposés sur la périphérie du rotor(figure 6) pour générer un champ magnétique à répartition spatialesensiblement sinusoïdale dans l’entrefer. Ces aimants disposés entuiles peuvent être collés, vissés et éventuellement enserrés dansune frette amagnétique.

2.3.1.2 Moteur à rotor avec pièces polaires

Dans un mode de réalisation (figure 7a ), les aimants permanentsne sont pas orientés radialement mais des pièces polaires collectentle flux généré par ces aimants et concentrent les lignes d’inductionpour fournir dans l’entrefer une induction magnétique supérieure(par exemple, de 3 à 5 fois supérieure) à celle normalement généréeavec une structure sans pièce polaire. On obtient, ainsi, une augmen-tation de la densité surfacique d’effort et, par conséquent, du couplemassique. On peut, par exemple, prévoir une disposition azimutaledes aimants permanents alternés entre lesquels sont disposées despièces polaires.

Il existe également des configurations dans lesquelles les aimantspermanents alternés sont disposés radialement et munis à leursextrémités de pièces polaires (figure 7b ).

Bien d’autres configurations de rotor avec pièces polaires existent.

2.3.1.3 Actionneur linéaire

Le mode synchrone à aimants alternés est ici développé linéai-rement (figure 8), les champs tournants devenant des champsglissants. À titre d’exemple, des aimants alternés peuvent être dis-posés sur une pièce mobile entre deux dispositifs statoriquescomportant chacun une culasse statorique et une succession depôles munis chacun d’un bobinage. Avec un ensemble de trois bobi-nages, il s’agit de générer, dans les entrefers, un champ magnétiqueglissant qui entre en couplage avec le champ alterné créé par lesaimants disposés sur la pièce mobile.

2.3.1.4 Moteur à rotor discoïde

Dans ce type de moteur, développé par Portescap, le rotor discoïdeprésente des secteurs espacés et aimantés alternativement

(figure 9) ; le stator est constitué d’un ensemble de circuits magné-tiques en forme de C (par exemple deux), autour desquels sont dis-posés des enroulements. On obtient ainsi un moteur synchronediphasé.

Le choix d’une configuration particulière est effectué en fonc-tion d’objectifs techniques, tels que la recherche d’un couplemassique élevé.

Figure 5 – Structure d’un moteur universel

Ces moteurs sont principalement utilisés pour le positionnementincrémental. Ils présentent une accélération angulaire très élevée, parexemple de l’ordre de 150 000 rad · s–2 pour un couple nominal del’ordre de 10 mN · m.

Figure 6 – Structure d’un moteur synchrone à rotor sans pièce polaire






2.3.1.5 Moteur à griffes

Un moteur à griffes comprend un stator réalisé à partir d’unassemblage de tôles ferromagnétiques préalablement découpéeset/ou embouties pour réaliser une succession de griffes faisantfonction de pôles statoriques (figure 10), un rotor comprenant unensemble d’aimants alternés et des bobinages globaux de typesolénoïdal. La carcasse du moteur fait généralement fonction deculasse magnétique.

Nota : la simplicité de fabrication résultant de cette structure fait que les moteurs àgriffes sont très économiques et répandus.

2.3.2 Moteurs à réluctance variable

Le principe de conversion électromécanique par variation de réluc-tance, établi et mis en œuvre dès les tout premiers débuts de l’élec-trotechnique, conduit à des structures de moteurs et d’actionneurssimples, particulièrement robustes et exploitables en environnementdifficile.

Nota : ces moteurs suscitent actuellement un regain d’intérêt du fait de leur simplicitéde fabrication et de la possibilité de les alimenter en courant monodirectionnel.

2.3.2.1 Moteur à double saillance

Cette structure (figure 11) connaît actuellement un dévelop-pement important. Elle met en œuvre un champ statorique pulsé,et non tournant, et peut aussi bien conduire à des moteurs pas àpas qu’à des moteurs d’entraînement à vitesse variable. Si les avan-tages identifiés pour cette structure sont nombreux (notammentrobustesse et simplicité d’alimentation), certains inconvénients, telsque, notamment, la nature pulsée du couple électromagnétique, unbruit acoustique significatif et un facteur de puissance généralementmédiocre (de 0,1 à 0,6) limitent encore son développement et sus-citent une activité de recherche importante pour en supprimer oulimiter les effets.

À titre d’exemple, un petit moteur à double saillance, de type 6/4,comprend un stator constitué d’un empilement de tôles ferroma-gnétiques découpées ou estampées, pour fournir un ensemble de6 pôles statoriques saillants, autour de chacun desquels est inséréun bobinage, et un rotor, comportant 4 pôles saillants réalisé éga-lement sous la forme d’un empilement de tôles ferromagnétiquesdécoupées ou estampées.

Figure 7 – Structure d’un moteur synchrone à rotoravec pièces polaires

Figure 8 – Structure d’un actionneur linéaire à aimants alternés

Figure 9 – Structure d’un moteur synchrone diphasé à rotor discoïde [doc. Portescap]

Figure 10 – Structure d’un moteur synchrone à griffes

Les modes de réalisation de tels petits moteurs sont particulièrementéconomiques puisqu’ils n’impliquent aucune opération complexe auniveau du rotor et que les bobinages sont particulièrement rustiques. Sice moteur est conçu pour tourner à grande vitesse (par exemple, au-delàde 10 000 tr/min et jusqu’à 120 000 tr/min), le rotor est alorsconditionné de telle façon que les évidements interpolaires soient rem-plis par des matériaux amagnétiques et non conducteurs (surtout rési-nes et composites) et que la surface de ce rotor soit sensiblementcylindrique.




2.3.2.2 Actionneur linéaire à réluctance variable

Le concept de réluctance variable peut également être mis enœuvre pour la réalisation d’actionneurs linéaires (figure 12). On peutainsi concevoir un actionneur comprenant une pièce statorique fixeavec une succession de pôles statoriques (S1, S2) comportantchacun un ensemble de petites dents statoriques et magnétisés pardes bobinages globaux (B1, B2) entourant chacun un pôle statorique.La pièce mobile comprend un ensemble de pôles rotoriques (R1, R2)munis, également, d’un ensemble de petites dents rotoriques qui,en se déplaçant par rapport aux dents statoriques, contribuent à créerune variation de la réluctance globale du système. On peut concevoirdes actionneurs polyphasés, éventuellement polyentrefers en juxta-posant plusieurs modules de réluctance variable.

2.3.2.3 Moteur à réluctance synchrone

Un moteur à réluctance synchrone (figure 13) comprend un rotorde structure très simple, par exemple un rotor bipolaire, qui peutêtre réalisé à partir d’une pièce massive ou d’un empilement de tôles,et un stator bobiné de structure classique, conçu pour générer unchamp tournant. Ce stator bobiné peut, d’ailleurs, être un statorconçu initialement pour un moteur synchrone ou asynchrone.

2.3.3 Moteurs hybrides

Dans des structures hybrides, l’ajout d’aimants permanents austator comme au rotor d’un moteur à réluctance variable contribueà l’obtention d’un facteur de puissance supérieur. Ces structures, quisont très nombreuses, sont cependant de réalisation plus complexeque celle d’un moteur synchrone à aimants alternés ou que celled’un moteur à réluctance variable.

Dans la structure particulière de la figure 14, le stator comprendun bobinage et deux couronnes statoriques (S1, S2), reliées entreelles par une carcasse pouvant faire fonction de culasse magnétique.Le rotor est constitué d’une partie centrale cylindrique comprenantun aimant permanent axial et, à chaque extrémité de cet aimant, dedeux pièces rotoriques (R1, R2) pourvues de dents rotoriques,décalées angulairement et en correspondance respective avec lesdeux couronnes statoriques.

Parmi les autres structures, on peut citer, par exemple, celle miseen œuvre dans un moteur hybride à double excitation axiale repré-senté sur la figure 15 ; elle permet d’obtenir 200 pas naturels (posi-tion d’équilibre) par tour [11]. Ce moteur comprend des aimantspermanents axiaux disposés, à la fois, au stator et au rotor qui sontconstitués d’un ensemble de modules. Chaque module comprendune partie statorique avec 8 pôles munis, sur leur surface, de petitesdents et une partie rotorique munie également de petites dents quicoopèrent avec les dents statoriques pour créer un effet de réluctancevariable.

La simplicité constructive du rotor de ce moteur permetd’atteindre de très grandes vitesses (de 30 000 à 120 000 tr/min)avec, cependant, l’inconvénient de présenter un facteur de puis-sance très médiocre (0,1 à 0,6).

Figure 11 – Structure d’un moteur à réluctance variableà double saillance

Figure 12 – Structure d’un actionneur linéaire à réluctance variable

Figure 13 – Structure d’un moteur à réluctance synchrone

Figure 14 – Structure d’un moteur hybrideà excitation axiale rotorique






2.3.4 Moteurs à hystérésis

Un moteur synchrone à hystérésis comprend un stator bobinépour générer dans l’entrefer du moteur un champ tournant et unrotor cylindrique réalisé avec un matériau magnétique présentantune faible rémanence sans prémagnétisation.

Ce concept est bien adapté pour des applications à très faible cou-ple nominal. De petits moteurs à hystérésis ont été utilisés dans desgyroscopes mis en œuvre en aéronautique pour indiquer une posi-tion de référence dans des équipements de contrôle ; ils ont long-temps été employés pour entraîner à vitesse constante les cabestansde magnétophones, mais ont été supplantés, depuis, par desmoteurs synchrones à aimants permanents.

2.4 Moteurs asynchrones

2.4.1 Moteur asynchrone triphasé à cage

Cette structure (figure 16), constituée d’un stator bobiné, générantdans l’entrefer un champ tournant statorique, et un rotor à cage(autrefois appelé en cage d’écureuil ) conduit à des moteurs parti-culièrement robustes.

On peut, en particulier, concevoir des moteurs asynchronestriphasés destinés à des applications de type moteur-couple, danslesquelles on privilégie les performances de couple à très bassevitesse.

2.4.2 Moteur asynchrone monophasé

Dans cette structure (figure 17), le champ monophasé unidirec-tionnel généré par un stator monophasé peut être décomposé enun champ tournant direct et un champ tournant inverse ; seul lepremier contribue à la conversion d’énergie électromécanique. Lesfigures 17a, b et c représentent, respectivement, un moteur à cage,un moteur à condensateur permanent et un moteur à bobine écran.

Dans le moteur à cage (figure 17a ), une phase auxiliaire estprévue pour coopérer avec une phase principale en vue de générerun champ statorique diphasé. Cette phase auxiliaire n’est pas alimen-tée en permanence, des moyens d’interruption, sensibles parexemple à la vitesse du rotor, sont insérés en série avec la phase auxi-liaire. Le condensateur C est utilisé pour générer un déphasage del’onde de tension d’alimentation de la phase auxiliaire.

Un moteur asynchrone monophasé à condensateur permanent(capacité de l’ordre de la dizaine de microfarads) comprend unephase principale et deux phases de commande (figure 17b ), unepour chaque sens de rotation. Un amplificateur à double voiealimente les deux phases de commande.

un moteur à bobine écran comprend un circuit magnétique(figure 17c ), agencé pour recevoir un rotor massif au sein d’unezone d’entrefer ; il comporte une bobine inductrice et des bagues decourt-circuit ayant pour fonction de créer un déséquilibre du champdans l’entrefer. Ce déséquilibre a pour effet de créer un champtournant statorique et de provoquer un entraînement du rotor.

2.5 Moteurs piézoélectriques

Les moteurs piézoélectriques connaissent actuellement undéveloppement considérable. Les domaines d’utilisation sont ceuxdes équipements audio-vidéo, en particulier pour la motorisation destéléobjectifs, des appareils électroménagers, des équipements auto-mobiles et domotiques.

La figure 18 illustre de façon très schématique la structure d’unmoteur piézoélectrique rotatif, selon [13] [14] :

— le stator se présente sous la forme d’une couronne annulairestriée radialement sur sa face supérieure et recouverte sur sa faceinférieure d’une céramique faisant fonction de transducteur piézo-électrique ;

— le rotor est doté sur sa face en contact avec le stator d’un revê-tement de friction.

Figure 15 – Structure d’un moteur hybride à double excitation axiale (d’après [10])

Figure 16 – Structure d’un moteur asynchrone triphasé à cage




Une pression axiale est exercée pour maintenir en contact per-manent rotor et stator.

3. Mise en œuvre de petits moteurs et actionneurs d’entraînement

Les comportements électromécaniques généraux sont, bien sûr,semblables à ceux de tout moteur électrique, quelles que soient sapuissance ou ses dimensions. On peut cependant noter que, dansun petit moteur, les caractéristiques électromécaniques sont trèsdépendantes des problèmes de pertes (mécaniques, Joule et magné-tiques), car on observe, par rapport à un moteur de même structuremais de puissance plus élevée, un facteur d’échelle particulièrementdéfavorable.

3.1 Caractéristiques électromécaniques

Les petits moteurs ne présentent, généralement, pas d’excitationséparée ou indépendante. Soit le flux d’excitation est normalementgénéré par des aimants permanents, soit des effets d’induction(moteur asynchrone) ou de magnétisation (moteur à réluctancevariable) sont mis en œuvre.

Les caractéristiques électromécaniques des petits moteursdépendent particulièrement des modes d’alimentation et des condi-tions de commande des ensembles alimentation et moteur (§ 3.2).On peut cependant indiquer les lois générales de couple obtenuespour différentes structures dans des conditions optimales d’alimen-tation et de commande (figure 19).

Dans les moteurs à courant continu et les moteurs syn-chrones à aimants permanents (figure 19a ), le couple électro-magnétique C est sensiblement proportionnel au courant d’induit I,jusqu’à ce qu’apparaissent des effets classiques de saturation dezones les plus sensibles des circuits magnétiques de ces moteurs[18].

Figure 17 – Structure de différents moteurs asynchrones monophasés

Figure 18 – Structure d’un moteur rotatif piézoélectrique

Les moteurs piézoélectriques (cf. article spécifique [22]) sont particu-lièrement adaptés pour des entraînements à très basse vitesse (infé-rieure à 100 tr/min dans les appareils autofocus, par exemple) etprésentent l’avantage de procurer, en l’absence d’alimentation, un freinintrinsèque, du fait de la pression axiale permanente.






À tension d’alimentation donnée, le couple C décroît linéairementavec la vitesse N.

Dans les moteurs à réluctance variable (figure 19b ), le coupleélectromagnétique est sensiblement proportionnel au carré ducourant injecté au stator, jusqu’à un stade de saturation à partirduquel l’évolution du couple en fonction du courant subit uneinflexion.

La variation du couple en fonction de la vitesse est assez complexeet dépend de paramètres angulaires de commande. On peutcependant dire que, à tension d’alimentation constante, le couplevarie, globalement, et en première approche, comme l’inverse ducarré de la vitesse. À basse vitesse (inférieure à 100 tr/min), il estnécessaire d’assurer une limitation du courant d’induit.

Dans un moteur asynchrone monophasé à phase de démar-rage (figure 19c ), le premier régime ➀ à partir de l’arrêt jusqu’à unevitesse de commutation Nc correspond à la mise en service de laphase auxiliaire. Lorsque la vitesse Nc est atteinte, cette phase auxi-liaire est coupée ; on est alors en régime de couple monophasé ➁,le couple s’annulant lorsque la vitesse de synchronisme Ns estatteinte.

Pour des petits moteurs asynchrones triphasés (figure 19d ),les caractéristiques couple-vitesse peuvent varier selon la structureet l’application du moteur :

Dans le cas d’un rotor à cage (courbe I), la caractéristique pré-sente un couple maximal Cmax à une vitesse relativement prochede la vitesse de synchronisme Ns et un couple de démarrage Cd1sensiblement inférieur au couple maximal ;

dans le cas d’un moteur-couple (courbe II), le couple maximalest très voisin du couple de démarrage Cd2 .

Par ailleurs, les petits moteurs sont très souvent équipés d’un dis-positif réducteur. Il s’agit d’adapter le moteur aux exigences d’uneapplication. En effet, les vitesses optimales de fonctionnement d’unmoteur électrique, tel qu’un moteur à courant continu, sont généra-lement plus élevées que les vitesses recherchées pour l’application.Cela est particulièrement vrai dans le cas d’applications à très bassevitesse (inférieure à 100 tr/min) et, notamment, pour des asservisse-ments de position. Il existe, effectivement, des moteurs d’entraîne-ment direct rendant inutile l’utilisation d’un réducteur, mais cesmoteurs sont, en général, complexes et actuellement coûteux et nepermettent pas toujours de satisfaire certaines exigences de préci-sion de positionnement.

La figure 20 illustre un exemple de réducteur mécanique mis enœuvre avec un moteur à courant continu. Ce réducteur reçoit l’arbredu moteur auquel il est associé. Il comprend un ensemble d’engre-nages et un arbre réducteur doté d’un palier (cf., dans le traité Géniemécanique, article Réducteurs de vitesse à engrenage [29]).

Lorsque l’on dispose d’un moteur de vitesse nominale donnée,le rapport de réduction peut être choisi, soit en considérant unevitesse d’application souhaitée que l’on rapporte à la vitesse nomi-nale du moteur, soit en faisant intervenir la puissance utile souhai-tée en sortie du moteur.

Si les avantages procurés par la mise en œuvre de réducteurs sontindéniables (compacité, meilleure utilisation des performances élec-tromagnétiques des moteurs électriques, effet de multiplication ducouple), ces réducteurs présentent, cependant, certains inconvé-nients qui motivent les recherches actuelles dans le domaine desentraînements directs : un rendement généralement médiocre(< 0,7), des jeux pouvant mettre en cause les capacités de position-nement et des inerties rapportées à l’arbre de sortie pouvant altérerles performances dynamiques de l’ensemble électromécanique.

3.2 Modes d’alimentation et de commande

Les petits moteurs électriques d’entraînement sont nécessaire-ment dotés d’un dispositif d’alimentation et de commande mêmetrès rustique, pour fournir aux enroulements de ces moteurs desformes d’onde de tension et/ou de courant adaptées à leur structureet pour contrôler l’énergie transmise et convertie (figure 21).L’alimentation des moteurs synchrones nécessite des informationsde position du rotor pour assurer un autopilotage, tandis qued’autres structures de moteur ne justifient pas, a priori, l’obtentiond’informations de position.

Ainsi, un moteur à courant continu (MCC) est généralementassocié à un hacheur à transistor et ne nécessite pas de capteur poursa commande de base, les commutations de flux étant assurées parle collecteur qui fait naturellement fonction d’onduleur mécanique.

Figure 19 – Lois de couple pour différentes structuresde petits moteurs

Figure 20 – Structure d’un réducteur




Figure 21 – Modes d’alimentation et de commande






Des moteurs à courant continu sont très souvent inclus dans dessystèmes d’asservissement de vitesse, de position ou de couple. Onassocie alors, à ces moteurs, des organes d’information tels qu’unegénératrice tachymétrique, un codeur qui peut être incrémental ouabsolu, un synchro-résolver ou encore des capteurs physiques telsque des sondes de courant, de tension, de température, de coupleou de flux [17].

Les moteurs universels (MU) sont, les plus souvent, alimentésà partir d’une tension alternative, par un convertisseur comprenantau moins un triac dont la commande est généralement très rustique.

Le mode d’alimentation et de commande des moteurs universelsest, sans conteste, le mode le plus simple et le plus économique àpartir d’une source alternative, puisque les composants commandéspeuvent être réduits à un simple triac.

Les moteurs synchrones sont associés à des onduleurs quiassurent les commutations de flux dans les différents enroulementssoit, selon la technique la plus utilisée actuellement, à partir d’unesource de tension continue obtenue éventuellement par redres-sement d’une source alternative, soit à partir d’une source alternativedans le cas de convertisseurs directs [27].

Ces onduleurs délivrent des formes d’onde bidirectionnelleslorsqu’il s’agit de générer des champs tournants statoriques commedans le cas des moteurs synchrones à aimants alternés (MS).

En revanche, dans le cas des moteurs à réluctance variable (MRV),le signe du courant injecté dans les enroulements étant indifférent(proportionnalité du couple au carré du courant), on peut prévoir desonduleurs monodirectionnels de structure plus simple et de contrôleplus aisé.

Les moteurs hybrides (MH) peuvent également être alimentés parun onduleur triphasé, les formes d’onde de courant pouvant êtremonodirectionnelles ou bidirectionnelles.

Lorsqu’un onduleur est mis en œuvre, il est commandé à partird’informations sur la position du rotor et de consignes de fonction-nement. Les informations de position peuvent être générées soit pardes capteurs externes au moteur, soit, en interne, par analyse et trai-tement des formes d’onde de courant, de tension ou de flux [27].

L’alimentation des moteurs asynchrones (MA) monophasés estréalisée généralement à partir d’une source alternative monophaséeet contrôlée par un triac. Des dispositifs de démarrage, mettant enœuvre par exemple une phase auxiliaire, sont généralement prévus.

Les petits moteurs asynchrones triphasés peuvent être alimentéspar un onduleur triphasé de structure semblable à celle d’un ondu-leur pour moteur synchrone, l’objectif commun étant de créer unchamp statorique tournant. Un tel onduleur peut être commandé enmode MLI (modulation de largeur d’impulsions) et être doté d’uncontrôle de type scalaire (U /f = Cte, avec U tension efficace auxbornes du moteur et f fréquence du réseau d’alimentation) ouvectoriel [28].

Les moteurs piézoélectriques (MP) peuvent être alimentés enmode diphasé, un onduleur générant deux ondes de tension enquadrature.

Les microactionneurs électrostatiques (ME) et hybridesseront alimentés, dans un futur proche, par des onduleurs électro-statiques qui fourniront sur des électrodes statoriques des impul-sions ou créneaux de tension qui se traduiront par des champsélectriques E dans l’espace rotor/stator.

On peut observer, dans la pratique, une relative uniformisation etstandardisation des modes d’alimentation et de commande desmoteurs alternatifs. Dans le cas des petites puissances, on disposeactuellement de circuits intégrés pour les fonctions d’alimentation etpour les fonctions de commande et de protection. Les cartes électro-niques associées aux petits moteurs sont de plus en plus compacteset autonomes.

Ainsi, pour le contrôle de moteurs à commutation électronique(figure 22), une carte contient généralement un pont de transistorsde puissance alimenté par une tension continue et commandé parun circuit de modulation de largeur d’impulsions. Une logique deprotection est associée au pont pour bloquer le fonctionnement dece dernier en réponse à une détection de défaut. La chaîne decommande disponible sur la carte comprend, généralement, uneunité de commande de vitesse recevant en amont un signal corres-pondant à la différence entre une consigne de vitesse et une infor-mation de vitesse en provenance d’un capteur. Cette unité decommande pilote un limiteur de couple qui reçoit des informationsissues d’une unité de protection thermique associée, d’une part, aupont et, d’autre part, au moteur. Un commutateur électroniquegénère, à partir d’informations de position et d’une consigne issuedu limiteur de couple, des signaux de commande. Ces signaux sontappliqués à une unité de contrôle de courant qui reçoit, des capteursde courant, des informations sur le courant absorbé par le moteuret qui, en retour, génère trois signaux de modulation de largeurd’impulsion qui sont appliqués aux transistors du pont de puissance.

Les informations de position peuvent par exemple être délivréespar un dispositif synchro-résolver placé sur l’arbre du moteur et quidélivre des signaux analogiques. Un circuit convertisseur dédié ausynchro-résolver traite les signaux analogiques délivrés par celui-ciet fournit en retour un signal de vitesse utilisé pour l’asservissementde vitesse, un signal de position pour le commutateur électroniqueet une information de position absolue pour un circuit simulateurde codeur.

3.3 Limitations pratiques d’emploi

Les principales limitations d’emploi des moteurs et actionneursd’entraînement incluent, d’une part, des limitations relevantd’aspects conceptuels tels que le couple ou la puissance massiquepour des conditions thermiques données et, d’autre part, des limi-tations de nature essentiellement mécanique telles que l’usure despièces mécaniques, les vibrations et la génération de bruit acous-tique. On retrouve, en fait, ces limitations pour l’ensemble desmoteurs électriques. Mais certaines limitations sont exacerbées dansle cas de petits moteurs électriques (figure 23).

Ainsi, s’agissant des limitations conceptuelles (thermiques etélectromagnétiques), le rendement des petits moteurs est générale-ment médiocre pour plusieurs motifs, parmi lesquels :

— l’utilisation de tôles magnétiques de qualité médiocre et/oud’épaisseur excessive au regard des fréquences électriques ;

— le sous-dimensionnement fréquent des enroulements d’induitconduisant à des pertes Joule significatives ;

— une mauvaise canalisation des lignes d’induction magnétiqueau sein du moteur conduisant à l’existence de flux de fuitetransverses contribuant à la génération de pertes dans les circuitsmagnétiques.

En ce qui concerne les limitations de nature mécanique, onpeut citer l’absence de roulements et la rusticité des paliers.

S’agissant des moteurs à courant alternatif, on distingue deuxmodes principaux d’alimentation à partir d’une source de tensioncontinue :

— un mode d’alimentation en modulation de largeur d’impul-sions [MLI ou PWM (Pulse Width Modulation )] permettant deproduire des formes d’onde de courant prédéterminées (courbes(a ) de la figure 21), notamment sinusoïdales ou trapézoïdales,selon la structure du circuit magnétique ;

— un mode d’alimentation de type pleine onde dans lequelles formes d’onde de courant (courbes (b ) de la figure 21) nesont pas directement contrôlées.




Les rotors présentent souvent des balourds mécaniques qui sontparfois corrigés par suppression de matière créant un déséquilibremagnétique.

Des bruits acoustiques proviennent généralement des collecteurset des paliers, mais également d’effets magnétostrictifs au sein decircuits magnétiques.

3.4 Critères de choix d’un actionneur

3.4.1 Équipements industriels

On recherche, généralement, des actionneurs présentant desperformances électromécaniques (vitesse, accélération...) significa-tives, offrant une très grande robustesse, une bonne longévité et uneforte aptitude à une commande au sein de systèmes asservis. Lesactionneurs au sein d’équipements industriels sont souvent utilisésen régime continu et des considérations de maintenance et d’entre-tien sont mises en avant.

Figure 22 – Exemple de système de commande d’un moteur à commutation électronique [doc. MOOG]

Figure 23 – Limitations d’emploi d’un petit moteur électrique






Ainsi, la tendance est à l’élimination progressive des collecteursmécaniques, sources de problèmes d’entretien et de longévité.

Dans le domaine des servomoteurs (§ 4), les solutions asyn-chrones et synchrones coexistent actuellement sans que l’unedomine vraiment l’autre. En effet, le développement considérabledu contrôle vectoriel a permis aux solutions asynchrones deretrouver une place de choix, du fait de leurs atouts en termes d’éco-nomie et de robustesse par rapport aux solutions synchrones àaimants.

3.4.2 Équipements automobiles

Ce secteur fait appel à de nombreux actionneurs électriques(figure 24) et leur nombre devrait encore considérablement aug-menter dans les années qui viennent. Actuellement, on utilise princi-palement des moteurs électriques rotatifs pour des applicationstelles que la motorisation des essuie-glaces, des pompes delave-glaces, des ventilateurs et des lève-vitres. La principale techno-logie utilisée est celle du moteur à courant continu, mais les travauxactuels de recherche et développement visent les technologies desmoteurs à commutation électronique, qu’ils soient asynchrones ousynchrones avec aimants permanents alternés ou à réluctancevariable. En outre, des actionneurs linéaires vont progressivementêtre introduits dans les véhicules automobiles notamment pour desapplications liées au contrôle d’injection ou pour l’essuyage desvitres.

Le critère essentiel présidant à la conception de petits moteursélectriques pour l’automobile a, longtemps, été le critère éco-nomique de minimisation des coûts sans réelle prise en compte deconsidérations de rendement ou, plus généralement, de perfor-mances électromécaniques. On assiste, actuellement, à un dépla-cement des critères de conception dans le sens d’une recherche deperformances et d’amélioration du rendement des petits moteurs,résultant de la prolifération d’organes consommateurs d’énergieélectrique au sein d’un véhicule.

3.4.3 Applications domestiques

Les applications domestiques sont de très importantes consom-matrices de petits moteurs électriques, tant dans le secteur del’électroménager, du jouet, des équipements audio-vidéo (magné-tophones, magnétoscopes, lecteurs CD, camescope, etc.) que dansle domaine des motorisations domotiques (stores, volets, baies,etc.).

C’est dans le secteur du petit électroménager et des jouets quel’on observe la plus grande diversité de structures de petits moteursélectriques, présentant souvent de très médiocres performancesélectromécaniques et une durée de vie limitée.

Les appareils audio-vidéo ont connu de nombreuses innovationstechnologiques qui ont été réalisées afin de satisfaire à descontraintes draconiennes de compacité. On rencontre ainsi desmoteurs à réluctance variable et, plus récemment, des moteurspiézoélectriques.

Les applications domotiques connaissent actuellement undéveloppement important et des innovations technologiques. Desactionneurs directs, notamment des actionneurs linéaires, vont pro-gressivement se substituer à des solutions classiques comportant unmoteur rotatif et un convertisseur mécanique.

3.4.4 Applications en traitement de l’information

Elles visent les équipements informatiques, les imprimantes, lesphotocopieuses, les télécopieurs. Dans ce type d’équipements, onpeut distinguer de manière non exhaustive, les besoins suivants :

— déplacements incrémentaux, pour les têtes d’impression et ledéplacement de papier ;

— entraînements de supports, magnétiques, optiques et magnétooptiques, pour les disques et les bandes magnétiques ;

— asservissements de position, pour les têtes de lecture (optique,magnétique) et l’orientation de faisceaux.

Dans ce secteur, ce sont les moteurs à courant continu et lesmoteurs synchrones à aimants, de géométries très variées (discoïde,griffes), qui prédominent, tandis que les solutions à réluctancevariable et hybrides amorcent une percée significative.

3.4.5 Applications aéronautiques et militaires

Les nouvelles générations d’avions et d’hélicoptères intègrent unnombre croissant de petits moteurs et d’actionneurs électriques(figure 25).

Figure 24 – Exemples d’utilisation de petits moteurs électriquesau sein d’un véhicule automobile

Figure 25 – Exemples d’utilisation de petits moteurs électriquesen aéronautique




Les critères principaux de choix incluent la compacité, la fiabilitéet les performances. La recherche de puissances massiques élevéesconduit à utiliser des fréquences électriques égales ou supérieuresà 400 Hz. La recherche de couples massiques élevés (notamment trèssupérieurs à 1 N · m/kg) conduit à utiliser systématiquement desaimants permanents à haute induction rémanente [19] [20]. Parailleurs, des contraintes sévères doivent être prises en compte (vibra-tions, échauffements, encombrement).

3.4.6 Applications médicales et paramédicales

Les moteurs et actionneurs électriques sont très présents dans leséquipements médicaux, et, plus généralement, dans le génie bio-médical. Dans ce secteur, on rencontre des applications de moteursà très grande vitesse dans des équipements de chirurgie, notammentde chirurgie dentaire. On met, également, en œuvre des moteursélectriques associés à des convertisseurs mécaniques pour assisterla réduction de certaines fractures. Des travaux de recherche etdéveloppement sont actuellement menés pour intégrer des micro-moteurs dans des sondes miniaturisées notamment dans des cathé-

ters pour des investigations intraartérielles ou intraarticulaires. Il fautégalement citer l’application d’actionneurs électromagnétiques pourdes valves cardiaques, des cœurs artificiels et pour la stimulationcardiaque.

3.4.7 Synthèse pour l’aide au choix d’un actionneur

Le tableau 1 rassemble les tendances principales dans la répar-tition des différentes technologies selon les secteurs d’application.Il ne prétend pas à une quelconque exhaustivité, le domaine despetits moteurs offrant une très grande diversité de structures et degéométries.

Les moteurs à réluctance variable et les moteurs piézoélectriquesfont l’objet d’un effort considérable de développement dans la plu-part des secteurs d’application des petits moteurs. Mais les critèreséconomiques prédominent dans de très nombreux domainesrendant parfois difficile l’émergence de nouvelles technologies demoteurs. (0)

Tableau 1 – Répartition synthétique des différentes technologies des moteurs selon les applications

Moteur àcourant continu

Moteur universel Moteur synchrone Moteur asynchrone

Moteur piézo-

électrique

Micro-moteurs

à rotor avec fer

à rotor sans fer

à aimantsalternés

à commutation électronique

à réluctance variable hybridemonophasé

à cageà bobine

écranà double saillance synchrone tournant linéaire

APPLICATIONS DOMES-TIQUES

– électroménager + +

– domotique + + + +

– jouets

ÉQUIPEMENTS D’INFOR-MATION

– impression

– supports d’information

– vidéo son/horlogerie +

ÉQUIPEMENTS AUTOMOBILES + + + + +

ÉQUIPEMENTS INDUSTRIELS

– automatismes

– usinage/électrobroches + + +

ÉQUIPEMENTS AÉRONAU-TIQUES

– avionique +

– actionneurs + + + +

ÉQUIPEMENTS MÉDICAUX + + + + +Micro-action-neurs

utilisation courante utilisation en croissance en régression + en développement

33

2 33 3

2 32 3 3

3 2






4. ServomoteursLes servomoteurs sont des moteurs dédiés à des fonctions d’asser-

vissement et sont normalement conçus dans ce but. Les applicationsprincipales concernent des asservissements de position dans denombreux domaines industriels. Ils sont nécessairement associés àun dispositif d’asservissement et doivent être conçus dans unensemble incluant l’actionneur, l’alimentation et la commande. Onvise ici les aspects spécifiques des petits servomoteurs.

4.1 Cahier des charges

Il est généralement demandé à un servomoteur de fournir en untemps minimal un couple suffisamment élevé pour procurer une trèsgrande dynamique.

Un exemple de caractéristiques d’un servomoteur est donnéfigure 26. Les points de fonctionnement (couple-vitesse) possiblesd’un servomoteur sont inscrits à l’intérieur d’une enveloppe définis-sant une limite absolue de commutation. Les constructeurs pré-voient, généralement, une limite thermique en deçà de laquelle estsituée une zone d’utilisation permanente, des limites correspondantà des taux d’utilisation respectivement de 40 et de 25 % pendant unedurée déterminée, par exemple 10 minutes, ainsi qu’une zone defonctionnement dynamique située au-delà des limites d’utilisationintermittente.

On utilise, également, des caractéristiques (couple-vitesse) defonctionnement continu incluant respectivement une zone de fonc-tionnement (I) correspondant à un moteur fermé et une zone defonctionnement (II) correspondant à un moteur ventilé (figure 27).

4.2 Solutions technologiques

La technologie la plus utilisée, jusqu’à présent, a été celle dumoteur à courant continu car elle a offert, dès la naissance des servo-mécanismes électriques, une grande souplesse d’utilisation avec,notamment, un couple proportionnel au courant. Mais ce dispositifest actuellement concurrencé par les moteurs synchrones à aimantspermanents alternés et asynchrones avec contrôle vectoriel.

Des topologies discoïdes ou cylindriques peuvent être envisagées[18].

La figure 4 illustre un moteur discoïde. Ce type de moteur pré-sente généralement un rapport du couple à l’inertie élevé (parexemple, supérieur à 2 · 104 rad · s–2), permettant des accélérationset décélérations très rapides.

Les moteurs cylindriques de type « saucisson » présententégalement des performances dynamiques intéressantes, maiscependant inférieures à celles des moteurs discoïdes ; ceux-ci, enrevanche, présentent l’inconvénient d’avoir des constantes de tempsthermiques excessivement faibles, nécessitant la mise en œuvre deprotections thermiques.

4.2.1 Moteur-couple de type pancake

Cette structure de moteur permet un positionnement à vitessefaible (quelques radians par seconde) mais avec des accélérationsimportantes [18]. Ces moteurs peuvent équiper les parties portéesde bras de robot. Le stator d’un moteur-couple pancake présente unestructure annulaire multipolaire qui est placée, par exemple, sur unfût (figure 28). Le rotor comprend un induit bobiné et un collecteur.La structure annulaire de ces moteurs permet de les intégrer dansdes systèmes mécaniques complexes.

4.2.2 Moteur-couple à enroulements toroïdaux

Des moteurs-couples à enroulements toroïdaux ont été dévelop-pés pour des applications à débattement limité (secteur angulaire).La société Muirhead Vactric a ainsi conçu une gamme de moteursde structure très simple (figure 29). Le stator comprend un circuitmagnétique feuilleté de forme torique autour duquel sont enroulésquatre enroulements toroïdaux. Le rotor comprend deux ou quatrepôles à l’extrémité desquels sont situés des aimants permanentsalternés. On bénéficie, ainsi, des avantages d’un moteur sans col-lecteur et de la robustesse d’un rotor non bobiné. La structure toroï-dale du bobinage simplifie la fabrication de ce moteur et autoriseun encapsulage des quatre enroulements.

Exemple : pour un même couple nominal de 1,1 N · m et unevitesse nominale d’environ 3 000 tr/min, un moteur discoïde présenteune inertie de 1,5 · 10– 4 kg · m2, tandis qu’un moteur cylindrique offreune inertie de 5 · 10– 4 kg · m2. Les constantes de temps mécaniquessont respectivement égales à 4,7 ms et 13,3 ms, tandis que lesconstantes de temps thermiques sont respectivement égales à 52 s et12,4 min.

Figure 26 – Caractéristiques d’un servomoteur à induit discoïdal AXEM : limites et zones d’utilisation [doc. Parvex]

Figure 27 – Caractéristiques d’un servomoteur à induit discoïdal : fonctionnement en service continu




4.3 Critères de choix

4.3.1 Automatismes industriels

Les servomoteurs présents dans les automatismes industrielsdoivent, généralement, présenter des caractéristiques de robus-tesse. On privilégie des servomoteurs ayant une structure méca-nique simple et apte à une transmission de couple de pointe.

Le tableau 2 fournit un exemple de caractéristiques d’une gammede petits servomoteurs Parvex de type à courant continu.

4.3.2 Équipements de précision

Dans les équipements de précision, les notions d’indexation etd’information de position l’emportent généralement sur la notion depuissance ou de couple. On pourra, donc, envisager des topologiesplus complexes, mais plus aptes à procurer la précision requise.

La précision est essentiellement conditionnée par la qualité dudispositif réducteur équipant généralement ce type d’actionneur.

Lorsqu’il s’agit d’un actionneur en prise directe, on retrouvealors les conditions de précision des moteurs pas à pas [16]. (0)

Figure 28 – Structure d’un moteur-couple de type pancake

Figure 29 – Structure d’un moteur-couple à enroulements toroïdaux [doc. Muirhead Vactric]

Tableau 2 – Caractéristiques de servomoteurs Parvex

Type du moteur

Couple permanent à vitesse

lente

Puissance maximaleà vitesse

permanente

Vitesse nominale

Puissance nominale

Tension nominale

Courant nominal

Vitesse maximale en régime permanent

Courant maximalà vitesse

lente

f.é.m.par 1 000

tr/min (25 oC)

Couplepar

ampère (25 oC)

Résistance induit (25 oC)

Inductance InertieConstante de temps

mécanique

Constante de temps

thermiqueMasse

(N · m) (W) (tr/min) (W) (V) (A) (tr/min) (A) (V) (N · m/A) (Ω) (mH) 10–5

(kg · m2)(ms) (min) (kg)

RS 110 0,055 25 3 000 16 22 1,66 6 000 4,9 3,85 0,036 8 4,8 1,6 0,24 8,5 3,4 0,29RS 120 0,095 56 3 000 30 22 2,53 6 000 8,1 4,5 0,043 2,3 1,1 0,41 5,1 6,5 0,39RS 130 0,128 69 3 000 40 23 2,75 6 000 9,7 5,4 0,051 6 1,9 1 0,58 4,1 9,2 0,49RS 210 0,11 63 3 000 35 23 2,6 6 000 10,5 5 0,047 7 2,3 1,1 1,3 13 4,0 0,53RS 220 0,22 125 3 000 70 24 4,15 6 000 17,5 6 0,057 3 1,1 0,65 1,95 6,5 8 0,70






5. Éléments de conceptionet de fabricationdes petits moteurs

La conception des petits moteurs a longtemps fait appel à uneexpérience cumulée de maintenant plus de cent ans en électrotech-nique. Les concepts classiques de moteurs à courant continu, syn-chrones ou asynchrones ont fait l’objet de très nombreux travauxthéoriques, de simulation et expérimentaux. Par ailleurs, nombre depetits moteurs économiques ont souvent été conçus de façon trèsrustique et empirique. Le souci actuel d’amélioration du rendementdes petits moteurs et la nécessité de réduire le bruit et les vibrationsde nombreux types d’appareils ont conduit les fabricants à mettreen œuvre des outils d’aide à la conception de plus en plus puissantsintégrant des codes de calcul électromagnétique par élémentsfinis [23] [24] [25]. Enfin, des systèmes experts sont actuellementdéveloppés pour l’aide à la conception de petits moteurs électriques.

5.1 Considérations thermiques

La thermique est un élément essentiel, sinon l’élément essentiel,intervenant dans la conception d’un petit moteur. En effet, s’il estpresque toujours théoriquement possible d’obtenir un effort élec-tromagnétique donné sur une surface et/ou un volume prédéter-minés, en revanche, la génération des forces magnétomotricesnécessaires pour atteindre cet effort s’accompagne inévitablementde la production de pertes Joule au sein d’enroulements dont levolume de cuivre est toujours limité par des contraintes d’encom-brement et de topologie. De la capacité d’évacuer rapidement cespertes Joule va dépendre la possibilité de maintenir au sein dumoteur la force magnétomotrice nécessaire à la génération de l’effortélectromagnétique demandé.

Pour déterminer le niveau de densité de courant que va pouvoiraccepter un petit moteur, il est nécessaire :

— d’une part, de déterminer la nature des services et des régimesde fonctionnement ;

— d’autre part, de connaître précisément les conditions de refroi-dissement du moteur et, plus généralement, son environnementthermique.

Il est également nécessaire de prendre en compte les pertesgénérées dans les rotors, tout particulièrement dans les rotors desmoteurs asynchrones, dans les enroulements d’écran de certainspetits moteurs et dans les circuits magnétiques.

5.1.1 Nature des services et des régimesde fonctionnement

On rencontre une très grande diversité dans la nature des servicesde petits moteurs électriques. On peut cependant distinguerquelques dominantes (figure 30) :

— les régimes de fonctionnement intermittent (FI), qui peuventêtre de nature très variable selon le taux d’utilisation et la fréquenced’utilisation ;

— les régimes de fonctionnement permanent ou continu (FC),pour lesquels il faut tenir compte des différents modes possibles derefroidissement du moteur.

Le couple de définition Cd est le couple limite pouvant être obtenuà l’arrêt en régime de fonctionnement continu.

Dans une première configuration de fonctionnement (figure 30a ),la vitesse maximale du moteur peut être atteinte à la fois dans la zonede fonctionnement continu et dans la zone de régime intermittent.

Dans une seconde configuration (figure 30b ), on ne peutatteindre la vitesse maximale dans la zone de fonctionnementcontinu, mais seulement dans la zone de fonctionnement inter-mittent.

Dans une troisième configuration (figure 30c ), la limite de fonc-tionnement continu rejoint la limite de commutation à une vitesseinférieure à la vitesse maximale, qui n’est atteinte qu’en régime defonctionnement continu.

5.1.2 Échauffement. Nature et localisationdes pertes

Les pertes dans un petit moteur sont de plusieurs natures(figure 31) :

— les pertes Joule sont localisées dans les enroulements d’induitde tous les moteurs, dans les cages des moteurs asynchrones, dansles éléments conducteurs constituant écran ;

— les pertes magnétiques, dues à des variations de flux dans desmatériaux magnétiques conducteurs, sont localisées dans descircuits magnétiques rotoriques et/ou statoriques (massifs, feuilletésou encore moulés) et dans des éléments non dédiés à un transfertde flux magnétique mais soumis à des flux de fuite ;

— les pertes par courants de Foucault sont localisées dans deséléments conducteurs soumis à des champs magnétiques variableset insuffisamment divisés au regard des fréquences électriquesutilisées ;

— les pertes mécaniques sont localisées au niveau des roule-ments, des paliers et des collecteurs ;

— les pertes d’origine aérodynamique doivent être prises encompte lorsque le moteur présente des saillances rotoriques, parexemple, dans le cas d’un moteur à réluctance variable, et qu’il estentraîné à grande vitesse.

Figure 30 – Exemples de régimes de fonctionnementd’un servomoteur




5.1.3 Modes de refroidissement

Dans une grande partie des applications de petits moteurs élec-triques, on ne peut envisager que les modes de transfert thermiquepar conduction et par convection naturelle (figure 32). Le poste prin-cipal d’échauffement provenant des pertes Joule, l’effort de refroidis-sement doit généralement être porté sur les enroulementsstatoriques.

5.1.4 Exemple de calcul

On peut estimer le couple en régime continu Cc (en N · m) quepeut fournir un servomoteur en fonction de considérations ther-miques (selon Muirhead Vactric) :

avec Km constante, dépendant de la géométrie,

∆θ (oC) = 155 – θamb ,

θamb (oC) température ambiante,

θr (oC/ W) croissance limite de la température.

5.2 Conception électromagnétique

La conception et le développement des petits moteurs électriquesfont, actuellement, systématiquement appel à l’utilisation d’outilslogiciels de conception assistée par ordinateur permettant, à partird’une méthode de résolution par éléments finis [23] [24], d’offrir uneprédétermination de cartes de champs magnétiques et d’efforts élec-tromagnétiques pour une géométrie de circuit magnétique donnée(figure 33).

Figure 31 – Nature et localisation des pertesdans les petits moteurs électriques

Figure 32 – Modes de refroidissement

Figure 33 – Distribution de l’induction magnétique généréepar des aimants d’excitation dans un petit moteur à courant continu

Cc Km∆θ

θr 1 0,004 ∆θ +--------------------------------------------=






Ces outils logiciels intègrent des modules de magnétostatique oude magnétodynamique, et traitent de géométrie bidimensionnelle(2D) ou tridimensionnelle (3D).

La conception des petits moteurs électriques requiert bien souventune étude tridimensionnelle, car les efforts de bord ne peuvent géné-ralement pas être négligés. Les efforts électromagnétiques sontcalculés par les outils logiciels précités de plusieurs façons, notam-ment en mettant en œuvre le tenseur de Maxwell ou par la méthodedite des travaux virtuels.

La définition d’une géométrie optimale d’un petit moteur élec-trique, fondée sur des lois de dimensionnement intrinsèquementnon linéaires, peut être effectuée :

— soit par une étude paramétrique et une recherche d’optimum ;— soit par une approche systèmes experts ;— soit par utilisation de méthodes de programmation non

linéaire.

5.3 Conception des ensembles alimentation-actionneur

La conception d’un petit moteur et de son alimentation est effec-tuée à partir de la connaissance du cahier des charges de l’appli-cation, de l’environnement électrique du petit moteur (sourced’énergie électrique) et de contraintes technico-économiques quivont conditionner le type de composants de puissance et decommande qui pourront être utilisés.

5.3.1 Dimensionnement d’un convertisseur

Le dimensionnement d’un convertisseur d’alimentation d’un petitmoteur électrique dépend de la technologie du moteur, de son fac-teur de puissance et d’exigences éventuelles en termes de surchargede couple ou de puissance.

Un facteur essentiel lié à la technologie choisie pour le moteurconcerne la présence ou non de sources internes de flux magné-tiques.

Les structures de moteurs incluant des aimants permanents, soitpour la génération d’un champ magnétique d’excitation, soit pour lagénération d’un champ alterné, bénéficient généralement d’un trèsbon facteur de puissance, voisin de l’unité, et leur convertisseur neprésente généralement pas de surdimensionnement.

En revanche, dans le cas de moteurs dépourvus d’aimants perma-nents, il est nécessaire de limiter le surdimensionnement du conver-tisseur en mettant en œuvre des techniques de commandeappropriées.

Une étude des couplages électrique-magnétique permet de mieuxconcevoir les ensembles alimentation-actionneur.

5.3.2 Technologies actuelles d’alimentation-commande

Il est possible, avec les techniques disponibles à ce jour, de réaliserdes formes d’onde de courant, de tension ou de flux adaptées pourun moteur de technologie et de caractéristiques données. La ten-dance forte est à l’intégration de systèmes d’alimentation et decommande. On peut ainsi disposer de circuits intégrés spécialisésdédiés à un type particulier de petit moteur. Lorsqu’il s’agit demoteurs alternatifs, qu’ils soient synchrones, asynchrones ou àréluctance variable, on met en œuvre des techniques classiques degénération de formes d’onde par modulation de largeur d’impul-sions (MLI). On se reportera à la figure 21 pour disposer d’une vuesynthétique non exhaustive sur différents modes d’alimentation etde commande des petits moteurs.

5.3.3 Considérations de compatibilité électromagnétique

Les petits moteurs électriques doivent, désormais, être conçusdans le souci d’assurer une bonne compatibilité électromagnétiqueavec leur environnement. En effet, ils sont bien souvent mis en œuvreau sein d’applications qui sont, généralement, à proximité de dis-positifs récepteurs et/ou émetteurs d’informations ou de systèmesnumériques de contrôle et de traitement. Ils sont, parfois, intégrésau sein même d’équipements sensibles aux perturbations électro-magnétiques.

5.4 Intégration de l’actionneurdans l’application

Dans de nombreux domaines techniques, il est demandé au petitmoteur électrique de se « fondre » dans l’application jusqu’à luiemprunter des éléments qui interviennent dans le processus deconversion électromécanique. On est alors dans une philosophieapparemment à l’opposé du concept de moteur-composant qui estle plus généralement rencontré en électrotechnique.

Le nouveau champ technique disciplinaire que constitue la méca-tronique vise tout particulièrement cet objectif d’intégration. Unexemple répandu de moteur intégré dans l’application est donné parles ventilateurs électriques plats avec moteur incorporé, dont sontdotés notamment de nombreux équipements informatiques.

5.5 Exemples de réalisationde petits moteurs électriques

5.5.1 Moteur à courant continu à rotor cylindrique

Le moteur à courant continu à rotor cylindrique (figure 34) estreprésentatif des moteurs fabriqués pour des équipements auto-mobiles. Un critère essentiel est la minimisation des coûts de fabri-cation dans un contexte d’automatisation très poussée. La partiestatorique comprend un boîtier cylindrique sur la face interne duquelsont placés deux aimants permanents en ferrite en forme de tuile.La partie mobile comprend, autour d’un arbre, un rotor feuilleté avecdes encoches profondes dans lesquelles sont placés des enroule-ments d’induit et un collecteur à faible nombre de lames. Des palierset des flasques viennent compléter la structure du moteur.

5.5.2 Moteur à courant continu à rotor sans fer

Le moteur à rotor sans fer, appelé également à conducteurs libres(figure 35) comprend un boîtier cylindrique homogène en matériauferromagnétique conçu pour contenir un rotor sans fer en forme decloche constitué d’une structure porteuse en matériau amagnétique(par exemple en matériau plastique ou équivalent, sur laquelle estbobiné un induit) et une pièce fixe intérieure au rotor et comprenantdes aimants permanents (figure 3b ). La fonction de commutationest réalisée par une pièce porte-balais placée à l’extrémité du boîtierstatorique, les balais venant s’appliquer contre une face du rotor sansfer sur laquelle sont placés des plots de liaison des conducteurs durotor.

5.5.3 Moteurs à commutation électroniquepour ventilateurs

Les ventilateurs électriques plats très répandus dans les équipe-ments industriels et domestiques peuvent intégrer des moteurs àcommutation électronique, comme l’illustre la figure 36. Le bâti duventilateur comporte en son centre un circuit imprimé comprenantl’ensemble de l’électronique de commande et d’alimentation et undispositif d’induit tétrapolaire conçu pour générer un champ tour-




nant dans un entrefer existant entre ce dispositif d’induit et un équi-page rotatif. Ce dernier est constitué d’un ensemble de pales deventilation et d’une couronne rotorique comportant des aimantsalternés disposés radialement. Un tel moteur intégré dans l’applica-tion est normalement alimenté sous une tension continue via unepaire de câbles d’alimentation.

Dans le cas d’un moteur à commutation électronique du type deceux proposés par la société Maxon (figure 37), le boîtier du moteurcontient un stator feuilleté assurant une fonction de blindage. Unbobinage, conçu pour générer un champ tournant, est relié, via uncircuit de raccordement et une nappe de câbles d’alimentation, à undispositif d’alimentation (non représenté). Le rotor est un aimant

permanent agencé pour générer dans l’entrefer un champ bipolaire ;il est traversé par un arbre équipé à chacune de ses extrémités de rou-lements. Un dispositif de détection de position, muni d’un couvercle,est placé à l’une des extrémités du moteur. Il comprend un aimantde commande bipolaire solidaire de l’arbre et plusieurs (par exempletrois) capteurs à effet Hall, qui délivrent des signaux de détectionangulaire au dispositif de commande.

6. Vers des actionneurs compacts et intelligents

L’évolution observée dans les besoins actuels en matière d’action-neurs indique au moins deux grandes tendances :

un besoin en composants actionneurs autonomes capables,à partir d’une source d’énergie électrique disponible, de produire desactions en réponse à des commandes ; ces actionneurs doivent doncintégrer les fonctions de mise en forme et de conversion d’énergieet les fonctions d’autopilotage et de commande rapprochée ;

un besoin en actionneurs directement incorporés dans uneapplication ; ils doivent donc être spécifiques pour cette appli-cation.

6.1 Intégration du convertisseur d’alimentation

Deux stades d’intégration du convertisseur d’alimentationpeuvent être envisagés.

Le premier stade a pour objet la localisation du convertisseur ausein de l’actionneur, à proximité immédiate des zones actives degénération d’effort. On peut déjà disposer de petits moteurs équipésd’onduleurs et de commandes intégrées.

Le second stade a trait à l’intégration du convertisseur, notammentd’un onduleur, et de sa commande au sein d’un circuit intégré depuissance. On peut déjà citer des circuits intégrés de type Smart-power, conçus par exemple pour l’alimentation d’un petit moteur àcommutation électronique, et incluant, dans un même boîtier, unelogique de commutation, des amplificateurs, une détection detension, un contrôle de freinage et une consigne de courant(figure 38).

Figure 34 – Vue éclatée d’un petit moteur à courant continuà rotor cylindrique (d’après [3])

Figure 35 – Vue éclatée d’un petit moteur à courantcontinu à rotor sans fer (d’après [3])

Figure 36 – Moteur à commutation électronique pour ventilateur : vue éclatée (d’après [3])

Figure 37 – Vue éclatée d’un moteur à commutation électronique pour ventilateur (doc. Maxon)

Les deux structures de moteurs à courant continu et moteurssynchrones à aimants permanents, décrites de façon très simpli-fiée en référence aux figures 35, 36 et 37, correspondent à desprocédés de fabrication particulièrement optimisés et simples.






6.2 Intégration de la commande

Il est actuellement possible d’intégrer toutes les fonctions requisespour l’autopilotage d’un moteur synchrone, notamment le type DCBrushless (§ 2.3.1) ou encore à réluctance variable (§ 2.3.2), au seind’un circuit intégré spécifique d’une application [ASIC (ApplicationSpecific Integrated Circuit)]. Ce circuit peut, alors, être disposé àl’intérieur du moteur. Un point très sensible en matière d’intégrationconcerne la suppression des capteurs de position. Les techniquesactuelles mises en œuvre dans les capteurs pour les petits moteursélectriques sont très éprouvées ; qu’il s’agisse de capteurs à effetHall, très largement répandus ou de capteurs optiques, il existe desproblèmes de fiabilité, de coût et d’intégration. En effet, dans le casde petits moteurs et de micromoteurs, il peut être délicat d’intégrerles capteurs à l’intérieur du moteur ; et cela peut induire un surcoûtnon négligeable.

Plusieurs procédés ont été mis en œuvre pour délivrer une infor-mation de position d’un rotor en l’absence d’un capteur extérieur.On peut citer, notamment, des systèmes d’estimation de positionmettant en œuvre l’injection d’un signal à haute fréquence dansdes enroulements d’induit du moteur ; des systèmes de ce genresont décrits dans le brevet américain 5 196 775 [14]. Des tech-niques de mesure d’impédance sont alors utilisées pour extraireune information de position. On peut également prévoir une injec-tion à haute fréquence dans un enroulement de mesure spécifique.

Dans le cas du contrôle de moteurs à réluctance variable, on peutprévoir au sein du stator des enroulements supplémentaires reliésà un oscillateur comprenant des éléments capacitifs, une sourced’excitation et un détecteur agencé pour fournir une information deposition à partir de la variation de la fréquence de résonance del’oscillateur. Ce dispositif de détection peut être commuté succes-sivement sur l’une des phases du moteur qui n’est pas alimentée.Un tel procédé est par exemple décrit dans le brevet américain5 072 166 [15].

6.3 Apport de nouveaux matériaux

6.3.1 Matériaux magnétiques

Le développement de petits actionneurs performants et écono-miques conduit fréquemment à concevoir des circuits magnétiquespermettant des parcours de flux qui ne sont plus confinés dans desplans comme dans le cas de structures classiques, mais sont intrin-sèquement tridimensionnels. Ces circuits magnétiques ne peuvent

plus être réalisés sous la forme de circuits feuilletés pour des raisonsde coût et parfois de faisabilité. On peut réaliser des circuits en maté-riau ferrite qui présentent cependant l’inconvénient d’un respect dif-ficile des cotes de fabrication du fait de phénomènes de retrait. Unevoie actuelle de développement consiste à réaliser des circuitsmagnétiques complexes par moulage en utilisant de la poudre de fer.

Dans le domaine des très petits moteurs à échelle millimétrique,une voie technologique prometteuse consiste à réaliser descouches minces magnétiques de matériaux magnétiques doux per-mettant une induction de travail suffisante.

6.3.2 Matériaux conducteurs

Dans les petits moteurs à échelle centimétrique, les enroulementssont en général bobinés, soit sur des structures de support ama-gnétique, par exemple en matériaux plastiques, soit dans des enco-ches de tôles statoriques.

On peut prévoir des enroulements imprimés sur des supportsisolants pour la réalisation de petits moteurs plats, mais aussi, àdes échelles submillimétriques, des dépôts en couche mince dematériaux conducteurs.

6.3.3 Matériaux de structure

Des matériaux nouveaux amagnétiques et non conducteurs élec-triques peuvent être mis à contribution dans la conception de petitsmoteurs.

En effet, si jusqu’à présent les circuits magnétiques de la plupartdes petits moteurs électriques cumulaient des fonctions de canali-sation magnétique et de structure mécanique, on doit s’attendredans un futur proche à ce que ces deux fonctions soient de plus enplus souvent découplées, notamment dans le cas des moteurs dedimensions millimétrique et submillimétrique.

Ainsi, des structures mécaniques, destinées à recevoir des circuitsmagnétiques et à transmettre des efforts électromagnétiques, pour-ront être réalisées à partir de matériaux amagnétiques non conduc-teurs, par exemple des résines, des matériaux composites nonconducteurs, des matériaux plastiques. Un tel découplage peuttendre à limiter le volume de matériau magnétique mis en œuvredans un moteur au strict minimum requis pour obtenir les perfor-mances électromagnétiques souhaitées et ainsi à minimiser le poidsde ce moteur, en reportant les fonctions de support mécanique surdes structures légères à haute tenue mécanique et électromagné-tiquement neutres.

7. ConclusionLes petits moteurs électriques font actuellement l’objet d’une

grande mutation technologique en matière de conception et d’inté-gration. Dorénavant, il leur sera de plus en plus demandé non seu-lement de générer des efforts, des actions et des mouvements, maiségalement de présenter de bonnes caractéristiques et performancesélectromécaniques, tout en intégrant le plus possible les dispositifsd’alimentation et de commande.

Par ailleurs, la conception des petits moteurs électriques devraprendre de plus en plus en compte les contraintes de nuisancessonore et vibratoire, de compatibilité électromagnétique et d’inté-gration, nécessitant notamment l’utilisation d’outils de calculmettant en œuvre des modèles physiques couplés (magnétique,mécanique, électrique, thermique).

Figure 38 – Circuit de puissance type Smartpower



Do

c. D

3 7

21

6 -

1995

POUR

EN

Petits moteurs électriques

par Sylvain ALLANODocteur ès SciencesDiplômé du CEIPI (brevets, marques et modèles)Professeur des Universités à l’École Normale Supérieure de Cachan

SAVOIR

PLUS

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Petits moteurs électriques - Cadxfem · 2016. 11. 14. · es petits moteurs électriques sont présents partout et sont devenus des On ne pourrait plus concevoir une société industrielle