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Du rendement des composants d'entraînement

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La question se pose souvent du moteur qui présente le meilleur rendement. En particulier lorsqu'il s'agit d'applications à alimentation électrique limitée, comme un outil qui fonctionne sur batterie ou un satellite alimenté par des panneaux solaires. Je pense qu'il est nécessaire d'élargir la question aux systèmes d'entraînement complets composés d'un contrôleur, d'un moteur, d'un réducteur et d'autres éléments mécaniques. Le tableau 1 est un aperçu approximatif des efficacités typiques des différents dispositifs convertisseurs d'énergie.

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Nous constatons que la construction mécanique joue un rôle important. Une friction importante dans le système mécanique coûte une grande quantité d'énergie. Pour optimiser le rendement d'un groupe motopropulseur, il est donc recommandé de toujours commencer par le système mécanique.

Tenez compte du fait que les systèmes d'entraînement DC sont souvent alimentés par une tension fixe. Il ne s'agit donc pas d'optimiser le rendement global. Le rendement est un paramètre relatif qui indique les pertes par unités de puissance d'entrée. Avec une tension fixe cependant, il s'agit plutôt de minimiser la consommation de courant (paramètre absolu). L'utilisation de la totalité de la tension d'alimentation permet de réduire la consommation de courant et d'augmenter la durée de vie de la batterie.

Voici quelques règles permettant d'obtenir un haut rendement et une faible consommation de courant.

Règles de transformation mécanique

  • Utilisez un dispositif mécanique à friction faible ou nulle.
  • Utilisez une friction de roulement (coefficient de friction < 0,01) au lieu de la friction de glissement (coefficients typiques de friction 0,1 … 0,4). Un système à vis à billes présente une friction largement inférieure à un système à vis-mère. Mais une solution à vis à billes n'est normalement pas auto-bloquant, elle doit être alimentée pour se maintenir dans une position d'arrêt. Le cycle de travail dans son ensemble comporte des situations dans lesquelles une vis ACME peut consommer moins d'énergie au total.

Règles concernant les réducteurs planétaires et à pignon droit

  • Utilisez un nombre réduit d'étages.
  • Utilisez de petits réducteurs au couple nominal ne dépassant que légèrement le couple nécessaire. Ne surdimensionnez pas le réducteur. Le rendement du réducteur à faible charge est très mauvais.
  • En termes de rendement, il est souvent préférable d'utiliser un moteur d'entraînement direct plus gros, sans réducteur, que d'utiliser une combinaison moteur-réducteur. L'entraînement direct peut être plus gros, plus lourd et plus onéreux.
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Rendement du réducteur par rapport au couple de sortie nominal (schématique). Le rendement est presque constant et élevé dès que le réducteur est chargé raisonnablement.

Règles concernant les moteurs

  • Ne faites jamais fonctionner les moteurs à des vitesses de plusieurs milliers de tr/min.
  • Ne sélectionnez jamais un moteur trop gros. Ne faites jamais fonctionner un moteur à une charge proche de zéro.
  • Sélectionnez le bobinage avec le plus grand soin. Utilisez un bobinage faisant le meilleur usage de la tension pour obtenir la vitesse en charge; il s'agit de celui qui utilise le courant le plus faible.

Règles concernant les contrôleurs

Les règles sont similaires à celles concernant les réducteurs. Chargez les contrôleurs correctement, ne les utilisez pas avec un courant insuffisant. Ne sélectionnez pas de contrôleurs à courant nominal trop élevé. Adaptez la taille de l'étage de puissance au courant moteur nécessaire.  

Et pour finir

Faites bon usage de la pleine tension d'alimentation. Vous réduirez ainsi la consommation électrique et ferez des économies; l'alimentation électrique requise sera plus petite, comme le contrôleur et le blindage des câbles, entre autres. Ou bien, comme l'un de mes collègues l'a si bien résumé: la tension est gratuite, mais le courant se paie.

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Le rendement du moteur en fonction du couple avec différentes tensions d'alimentation. L'augmentation de la tension n'a aucun effet majeur sur le rendement maximum, mais plutôt sur la plage de couple lorsque le rendement est élevé. De manière classique, le rendement est maximum dans la plage de fonctionnement continu. En revanche, une valeur très faible du couple provoque une chute du rendement.

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Author: Urs Kafader

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