Dimensionner un motoréducteur à courant continu : à balais ou sans balais, réducteur à engrenages cylindriques, planétaire ou à vis sans fin, exemple de calcul, tension et régulation.
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Qu’est-ce qu’un motoréducteur à courant continu ?
Un motoréducteur est une combinaison d’un moteur et d’un réducteur. Le réducteur fait tourner l’arbre de sortie à une vitesse plus faible et avec un couple plus grand que l’arbre moteur[1]. Sur le motoréducteur à courant continu, en abrégé motoréducteur DC, le moteur est un moteur à courant continu. Les petits moteurs à courant continu sont le plus souvent excités par des aimants permanents et entraînent par exemple des actionneurs, des soufflantes et des entraînements de vélo[2].
Le lien est décrit par le rapport de réduction i, quotient de la vitesse d’entrée par la vitesse de sortie. Sans pertes, le même rapport s’applique inversement aux couples, soit couple de sortie = i · couple moteur. Avec plusieurs étages de réducteur, le rapport de réduction total est le produit des rapports individuels[3]. En pratique, chaque étage coûte de la puissance ; vous calculez donc avec le rendement du réducteur η de la fiche technique :
- Vitesse de sortie nsortie = nmoteur / i
- Couple de sortie Msortie = Mmoteur · i · η
À balais ou sans balais
Le motoréducteur DC classique a un moteur à balais. À flux constant, sa vitesse peut être commandée par la tension d’induit, le couple est proportionnel au courant d’induit. Cela rend la commande simple. Les inconvénients sont les étincelles aux balais, première cause de perturbations haute fréquence, et l’usure : à grande vitesse, les balais chauffent et s’usent particulièrement vite. À l’arrêt, la contre-tension fait défaut, si bien qu’un courant élevé circule à la mise en marche[2].
Le moteur à courant continu sans balais (BLDC) est techniquement une machine synchrone à aimants permanents qu’un circuit électronique alimente à partir d’une tension continue. Il se passe de balais en carbone et de bagues collectrices, mais nécessite un montage en pont avec transistors de puissance et, en commutation pilotée par capteurs, trois capteurs à effet Hall pour la position du rotor[4]. Là où aucune usure de balais ne doit apparaître sur de longues durées de fonctionnement, beaucoup de choses plaident donc pour le moteur sans balais ; pour de simples actionneurs, le moteur à balais, avec sa commande simple, suffit souvent. Vous trouverez les bases des deux types dans notre article Moteurs à courant continu en détail.
Comparaison des types de réducteurs
Le type de réducteur détermine où se trouve l’arbre de sortie[1], quel rapport de réduction est possible par étage et combien de puissance est perdue :
| Type de réducteur | Position de l’arbre de sortie | Rapport de réduction | Caractéristiques |
|---|---|---|---|
| Réducteur à engrenages cylindriques | parallèle, décalé | jusqu’à environ 6 par étage, plus élevé avec plusieurs étages | rendement élevé, plus bruyant que le réducteur à vis sans fin |
| Réducteur planétaire | coaxiale | étages combinables | compact, charge répartie sur plusieurs satellites |
| Réducteur à vis sans fin | à angle droit, dans un autre plan | en un seul étage jusqu’à 150 | silencieux, faible rendement aux rapports de réduction élevés, autobloquant sous conditions |
| Réducteur à engrenages coniques | à angle droit, dans le même plan | selon le type de construction | renvoi d’angle à 90 degrés |
Les réducteurs à engrenages cylindriques transmettent la puissance directement et de façon purement mécanique et atteignent ainsi un rendement élevé ; avec un étage, un rapport de réduction d’environ six est en pratique habituellement possible[5]. Les réducteurs planétaires ont des arbres coaxiaux, sont compacts et transmettent des couples élevés, car plusieurs satellites engrènent en parallèle. Comme la puissance passe par au moins deux engrènements, la puissance dissipée peut doubler par rapport à un simple étage à engrenages cylindriques[6]. Les réducteurs à vis sans fin atteignent en un seul étage des rapports de réduction jusqu’à 150 et passent pour les réducteurs à engrenages les plus silencieux ; le glissement entre la vis et la roue réduit cependant le rendement aux rapports de réduction élevés[7]. En service continu, un tel réducteur s’échauffe donc, et un refroidissement est le plus souvent nécessaire[7].
Dimensionner un motoréducteur DC : exemple de calcul
Le point de départ est toujours la charge. Le couple est bras de levier fois force, M = F · r, la puissance mécanique P = 2π · n · M[8]. Un exemple : un rouleau de convoyage de 100 mm de diamètre doit déplacer une bande à 0,2 m/s, la force de traction à la circonférence du rouleau est de 200 N.
- Couple de charge : M = 200 N · 0,05 m = 10 Nm
- Vitesse de sortie : n = v / (π · d) = 0,2 m/s / (π · 0,1 m) ≈ 0,64 1/s ≈ 38 tr/min
- Rapport de réduction pour une vitesse moteur de 3 000 tr/min : i ≈ 3 000 / 38 ≈ 79, choisi i = 80, soit 37,5 tr/min en sortie
- Couple moteur pour un rendement de réducteur supposé η = 0,8 : 10 Nm / (80 · 0,8) ≈ 0,16 Nm
- Puissance de sortie : 2π · 0,625 1/s · 10 Nm ≈ 39 W ; le moteur doit fournir environ 49 W
Avec i = 80, un seul étage à engrenages cylindriques est insuffisant ; entrent en ligne de compte un réducteur à engrenages cylindriques ou planétaire à plusieurs étages ou un réducteur à vis sans fin à un étage. Vous reprenez le rendement dans la fiche technique du type de réducteur choisi, et non de façon forfaitaire ; avec un réducteur à vis sans fin à rapport de réduction élevé, il est plus faible qu’avec des réducteurs à engrenages cylindriques[7]. Au couple calculé s’ajoutent des réserves pour l’accélération, le démarrage en charge et le frottement.
Deux autres indications font partie de tout dimensionnement. Le type de service : S1 correspond au service continu à charge constante, S2 au service de courte durée avec une durée de charge indiquée[9]. Un moteur pour S2 peut être plus petit, mais seulement si la charge reste réellement brève. Et la tension : de I = P / U, il découle qu’à puissance égale, un courant deux fois plus élevé circule à 12 V qu’à 24 V. Dans l’exemple, le moteur fournit 49 W ; avec un rendement moteur supposé de 70 %, il absorbe environ 70 W, soit environ 5,8 A à 12 V au lieu de 2,9 A à 24 V. Ce que cela signifie pour les câbles, la batterie et l’électronique est montré dans notre article sur les moteurs 12 V.
Réguler la vitesse, freiner et protéger
Comme la vitesse du moteur à courant continu suit la tension d’induit[2], vous régulez un motoréducteur DC par la tension, en pratique avec un variateur PWM. Notre article Commander et réguler un moteur DC décrit comment PWM, pont en H et régulation de courant interagissent. Pour freiner, le moteur peut fonctionner en générateur : lorsque le sens du courant s’inverse, la contre-tension sert au freinage et à la récupération d’énergie[2].
Sur les entraînements de levage et de réglage, le maintien à l’arrêt est déterminant. Les réducteurs à vis sans fin ne sont autobloquants qu’avec un rapport de réduction élevé, un faible nombre de filets et un angle d’hélice de la vis inférieur à 5 degrés. Pour des raisons de sécurité, l’autoblocage ne peut pas remplacer un frein ; il permet en revanche de dimensionner le frein plus petit[7]. Là où une charge doit être maintenue, prévoyez donc un frein de maintien.
Pour la protection contre les influences de l’environnement, l’indice de protection compte : IP54 protège contre la poussière en quantité nuisible et contre les projections d’eau de toutes directions et est typique dans les installations industrielles ; avec IP65, le premier chiffre 6 correspond à étanche à la poussière, le second chiffre 5 à la protection contre les jets d’eau[10]. Pour les installations avec nettoyage humide, examinez donc des indices de protection supérieurs à IP54.
Un motoréducteur DC ne vaut que par son adaptation : moteur, réducteur, frein et commande doivent correspondre à la charge. En tant que fournisseur de la chaîne cinématique complète, nous dimensionnons chez ATEK Drive Solutions ces composants de façon parfaitement adaptée, d’un seul fournisseur. Vous trouverez un aperçu de nos moteurs dans notre gamme ; avec le couple de charge, la vitesse de rotation, le type de service et la tension de votre application, nous vous conseillons volontiers via notre page Contact.
Questions fréquentes
Quel est l’avantage d’un motoréducteur à courant continu par rapport à un moteur DC sans réducteur ?
Le réducteur abaisse la vitesse élevée du moteur et augmente le couple dans le même rapport, déduction faite des pertes. Ainsi, un petit moteur rapide entraîne une charge lente à fort couple.
Comment choisir le rapport de réduction pour un motoréducteur DC ?
Divisez la vitesse du moteur par la vitesse de sortie souhaitée. Vérifiez ensuite si le couple moteur multiplié par le rapport de réduction et le rendement du réducteur atteint le couple de charge, y compris la réserve pour l’accélération et le démarrage.
Quel réducteur convient à quelle application ?
Réducteur à engrenages cylindriques pour un rendement élevé avec sortie décalée en parallèle, réducteur planétaire pour une construction coaxiale et compacte avec des couples élevés, réducteur à vis sans fin pour de grands rapports de réduction en un étage et un fonctionnement silencieux, réducteur à engrenages coniques pour un renvoi d’angle de 90 degrés dans un même plan.
12 V ou 24 V : quelle tension est la meilleure ?
À puissance égale, le courant est divisé par deux avec une tension double. 24 V réduit donc les sections de câble et les pertes. 12 V est judicieux lorsque l’application utilise de toute façon un réseau de bord 12 V ou une batterie 12 V.
Quel rôle joue le type de service S1 ou S2 ?
S1 signifie service continu à charge constante, S2 service de courte durée avec une durée de charge définie. Un moteur dimensionné uniquement pour S2 peut surchauffer en service continu.
Un réducteur à vis sans fin autobloquant retient-il la charge de façon sûre ?
Non. L’autoblocage n’apparaît que dans certaines conditions et, pour des raisons de sécurité, ne remplace pas un frein. Pour les charges suspendues, un frein de maintien fait partie de l’entraînement.
Comment réguler la vitesse d’un motoréducteur DC ?
Par la tension d’induit, le plus souvent avec un variateur PWM. Pour deux sens de rotation et un freinage actif, un pont en H s’y ajoute. Les moteurs sans balais ont de toute façon besoin d’une électronique de commutation, qui régule aussi la vitesse.
Sources
- Wikipedia (DE) : Getriebemotor (motoréducteur)
- Wikipedia (DE) : Gleichstrommaschine (machine à courant continu)
- Wikipedia (DE) : Übersetzung (Technik) (rapport de transmission)
- Wikipedia (DE) : Bürstenloser Gleichstrommotor (moteur à courant continu sans balais)
- Wikipedia (DE) : Stirnradgetriebe (réducteur à engrenages cylindriques)
- Wikipedia (DE) : Planetengetriebe (réducteur planétaire)
- Wikipedia (DE) : Schneckengetriebe (réducteur à vis sans fin)
- Wikipedia (DE) : Drehmoment (couple)
- Wikipedia (DE) : Nennbetriebsart (type de service nominal)
- Wikipedia (DE) : IP-Schutzart (indice de protection IP)
