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Auteur(s)
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Sylvain ALLANO : Docteur ès Sciences - Diplômé du Centre d’Études Internationales de la Propriété Industrielle CEIPI (Brevets, marques et modèles) - Professeur des Universités à l’École Normale Supérieure de Cachan
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Lire l’articleINTRODUCTION
Les petits moteurs électriques sont présents partout et sont devenus des composants tellement courants que leur existence est bien souvent ignorée. On ne pourrait plus concevoir une société industrielle sans l’utilisation massive de petits moteurs et actionneurs électriques. Ces moteurs sont généralement fabriqués en très grandes séries, à l’exception de certaines gammes de servomoteurs et d’actionneurs. Les impératifs industriels (coût, automatisation) conditionnent la conception de ces moteurs qui doivent, en outre, généralement se fondre au sein de l’application.
Un mode de définition d’un petit moteur électrique peut s’appuyer soit sur des critères quantitatifs de puissance ou de couple, soit sur des considérations applicatives dans lesquelles les fonctions de positionnement et de mouvement l’emportent sur la fonction de conversion d’énergie. Mais il faut noter le caractère parfois arbitraire de la définition d’un petit moteur électrique, puisqu’il répond à toutes les règles et principes de l’électrotechnique. Nous considérerons, dans la suite, les moteurs de puissance nominale inférieure à 600 W, en référence aux règlements officiels de la Construction Électrique (NF C 51 –200). Il est à noter que cette limite de puissance correspond, dans la terminologie anglo‐saxonne, à des fractional horse power motors, donc de puissance inférieure à environ 735 W.
Il est utile de préciser les notions terminologiques de moteur et d’actionneur :
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le moteur est un organe générant un mouvement au sens étymologique du terme ;
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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 nature quelconque. Enfin, les petits actionneurs et moteurs peuvent produire des actions ou 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 :
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en limite inférieure, les microactionneurs électrostatiques, magnétiques et piézoélectriques, qui ne seront qu’évoqués ;
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en limite supérieure, les moteurs à excitation séparée externe, tant à courant continu que synchrones, et, d’une manière générale, les moteurs mettant en œuvre des bagues.
Il sera constamment fait référence aux articles de la collection des Techniques de l’Ingénieur relatifs aux différents types de moteurs électriques et à leur commande.
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Vers des actionneurs compacts et intelligents
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5. Éléments de conception et de fabrication des petits moteurs
La conception des petits moteurs a longtemps fait appel à une expérience cumulée de maintenant plus de cent ans en électrotechnique. Les concepts classiques de moteurs à courant continu, synchrones ou asynchrones ont fait l’objet de très nombreux travaux théoriques, de simulation et expérimentaux. Par ailleurs, nombre de petits moteurs économiques ont souvent été conçus de façon très rustique et empirique. Le souci actuel d’amélioration du rendement des petits moteurs et la nécessité de réduire le bruit et les vibrations de nombreux types d’appareils ont conduit les fabricants à mettre en œuvre des outils d’aide à la conception de plus en plus puissants intégrant des codes de calcul électromagnétique par éléments finis [23] [24] [25]. Enfin, des systèmes experts sont actuellement développés 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 est presque toujours théoriquement possible d’obtenir un effort électromagnétique donné sur une surface et /ou un volume prédéterminés, en revanche, la génération des forces magnétomotrices nécessaires pour atteindre cet effort s’accompagne inévitablement de la production de pertes Joule au sein d’enroulements dont le volume de cuivre est toujours limité par des contraintes d’encombrement et de topologie. De la capacité d’évacuer rapidement ces pertes Joule va dépendre la possibilité de maintenir au sein du moteur la force magnétomotrice nécessaire à la génération de l’effort électromagnétique demandé.
Pour déterminer le niveau de densité de courant que va pouvoir accepter un petit moteur, il est nécessaire :
-
d’une part, de déterminer la nature des services et des régimes de fonctionnement ;
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d’autre part, de connaître précisément les conditions de refroidissement du moteur et, plus généralement, son environnement thermique.
Il est également nécessaire de prendre en compte les pertes générées dans les rotors, tout particulièrement dans les rotors des moteurs asynchrones, dans les enroulements d’écran de certains petits moteurs et dans...
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