ARRÊT CONTRÔLÉ Plus de sécurité, de fiabilité et de contrôle des machines grâce aux freins électromécaniques pour servomoteurs. Peter Anderson explique leur utilisation. Des servomoteurs rapides, puissants et parfaitement contrôlés constituent un aspect essentiel de nombreuses conceptions de machines modernes. Mais que se passe-t-il lors des coupures de courant ? Sans énergie pour contrôler la position de l'arbre de moteur, celui-ci a tendance à réagir à n'importe quelles charges externes appliquées à ce moment-là. Au mieux, cela signifie qu'à la suite d'un arrêt d'urgence ou d'une perte de puissance inattendue, la machine est désynchronisée. Au pire, un mouvement non contrôlé peut compromettre gravement la sécurité. Heureusement, les concepteurs de machines disposent d'une solution simple, compacte et économique à ce problème. Des freins électromagnétiques à ressort peuvent arrêter un moteur en toute sécurité, ou maintenir sa position statique, sans avoir recours à un réseau externe. Matrix, membre du groupe Altra, spécialisé dans la transmission de puissance, conçoit et fournit de tels freins depuis plus de 30 ans. Les freins de servomoteurs sont robustes et fiables. Leur intégration exige toutefois des précautions et l'examen approfondi des caractéristiques spécifiques de chaque installation de moteur. Un servomoteur est un moteur électrique hautement dynamique à grande vitesse, utilisé normalement avec un réducteur, dans de nombreuses applications industrielles tels que les systèmes d'automatisation et de manutention. L'objectif essentiel est souvent un cycle de service rapide avec des taux d'accélération et de décélération rapides. Pour y parvenir, les servomoteurs sont réalisés dans des dimensions minimales : généralement une section carrée compacte est préférable à une longueur totale courte, pour maintenir une inertie faible du moteur. Dans certaines applications, on utilise un servomoteur de longueur totale courte du type « galette ». Les freins les plus courants et les plus économiques pour la majorité des applications de servomoteurs sont ceux à ressort. Ils fonctionnent en appliquant la force d'un ressort à une plaque de friction montée sur l'arbre de moteur. En service, une tension CC envoyée à une bobine desserre le frein. Si la tension est supprimée, le frein est actionné. La gamme Matrix 1EB est un exemple de ce type de frein. Au cours des trois dernières décennies, la société à produit plus de 700 variantes de cette conception. Critères de conception En choisissant un frein approprié pour une application de servomoteur, le concepteur doit étudier attentivement les conditions d'exploitation et les exigences de l'application. Le frein sélectionné doit posséder un couple statique (de maintien) suffisant pour garder l'arbre en position dans toutes les conditions opérationnelles. L'orientation du moteur doit être établie, tout spécialement si son axe n'est pas horizontal, car les charges subies par le frein peuvent en être affectées. Dans une application hautement dynamique, l'armature et le moyeu du frein doivent avoir une inertie minimale, car cette inertie vient s'ajouter à celle qui doit être accélérée et décélérée par le moteur, augmentant ainsi son besoin en puissance. Les dimensions du frein doivent être minimales pour un couple statique donné. Les ALTRA06 (fr-FR) First released on 29/10/2009 Page 1 of 4 servomoteurs possèdent généralement un diamètre total compact, et le diamètre du frein doit être plus petit, tout en minimisant sa longueur totale. Les considérations de montage importent également. La façon dont les parties statiques du frein sont montées sur le moteur, afin de préserver la concentricité et la perpendicularité du frein par rapport à l'arbre, doit être prise en compte au stade de la conception. Comment fixer le moyeu de frein à l'arbre de moteur, en ce qui concerne la transmission de couple et le positionnement axial ? Normalement un alésage et une rainure de clavette sont utilisés ; on peut faire appel à d'autres méthodes : frettage, axe d'entraînement, connexion en D. Si l'espace est restreint, la cannelure du moyeu peut-elle être usinée sur l'arbre de moteur ? En plus des besoins conceptuels mécaniques, les aspects électriques doivent faire l'objet d'une réflexion poussée. La puissance absorbée par la bobine de frein doit être minimale, car la bobine est continuellement alimentée tant que le moteur est en service, générant de la chaleur dans un espace confiné à des températures ambiantes élevées (allant jusqu'à 150 C). Il convient de spécifier comment la bobine de frein va être câblée dans le moteur ainsi que la longueur et les connexions des fils nus. Il faut vérifier s'il existe des réglementations portant sur le câblage ou les connecteurs utilisés. La bobine de frein nécessite une tension CC, fournie habituellement en redressant la tension CA utilisée pour alimenter le moteur. Le concepteur du moteur doit faire en sorte que le courant et la tension CC nécessaires pour maintenir le frein desserré soient toujours alimentés à la bobine de frein tant que le moteur fonctionne. Ceci est important car il est possible de réguler la vitesse du servomoteur en variant la tension d'alimentation. La vitesse de réponse électrique dans le circuit de commande du frein doit également être prise en compte, pour assurer que le frein est desserré avant que le moteur ne commence à tourner. Le concepteur du moteur devra considérer cette synchronisation dans les cas où le moteur contrôle des charges verticales, telles que les ascenseurs ou les grues. Un bruit faible peut également entrer en jeu, par exemple dans les applications médicales ou théâtrales. Ce bruit peut être le « clunk » de l'engagement ou du désengagement ou le cliquetis de la cannelure du moyeu/armature du frein si la transmission présente une vibration de torsion ou une ondulation de la chaîne cinématique. Matrix est en mesure de minimiser ces bruits. Les attentes du client en cas d'arrêt d'urgence, c'est-à-dire perte du réseau lorsque le moteur est en condition dynamique, doivent être prises en considération car ces freins ont une capacité limitée à absorber l'énergie. Si le frein peut supporter l'énergie d'un seul arrêt dynamique, la fréquence de ces arrêts dynamiques doit être déterminée, car l'usure du matériau de friction entre en ligne de compte. Jeu Dans de nombreuses applications à sécurité critique, il suffit que le frein puisse assurer un arrêt contrôlé du moteur, ou le maintenir dans une position approximative en cas de perte de réseau. Dans certaines applications de haute précision, cependant, dans lesquelles plusieurs servomoteurs différents peuvent fonctionner en parfaite synchronisation, il s'avère nécessaire de contrôler la position précise de l'arbre de ALTRA06 (fr-FR) First released on 29/10/2009 Page 2 of 4 moteur. Dans ce cas, le concepteur doit tenir compte du degré de jeu intrinsèque dans la conception du frein. Les freins actionnés par ressort possèdent un jeu faible mais significatif. Dans de nombreux cas, par exemple si le moteur est accouplé à un réducteur qui lui-même possède un certain jeu, le jeu du frein sera inférieur à celui produit par d'autres organes du système et la conception par action de ressorts assurera une précision adéquate. Dans certains cas, toutefois, le besoin d'un frein sans jeu exige une conception radicalement différente. Les freins à aimants permanents (gamme Matrix 4PMB) offrent cette capacité. Dans cette conception, des aimants permanents génèrent la force de freinage. Une tension CC appliquée à la bobine génère une force magnétique, qui s'oppose à celle de l'aimant permanent, et un ressort de déclenchement desserre le frein. Conceptions rigoureuses Matrix fournit aux fabricants de servomoteurs leaders en Europe et en Amérique. Depuis plus de 30 ans, Matrix développe des solutions à tous les problèmes rencontrés dans des applications spécifiques. Une équipe expérimentée d'étude et de développement met au point continuellement la gamme de produits 1EB et évalue les matériaux nouveaux et alternatifs. Les ingénieurs de conception utilisent un progiciel d'analyse par éléments finis pour optimiser le flux magnétique à l'intérieur des freins, maximiser le couple et minimiser la consommation de courant tout en réduisant les coûts au maximum. Les systèmes de qualité de Matrix sont accrédités ISO 9001, assurant ainsi que la conception et le développement des produits, la fabrication et le service sont du niveau le plus élevé. Matrix est en passe actuellement de satisfaire aux normes environnementales ISO 14001, afin de minimiser son bilan CO2 et de devenir fabricant écologique, respectueux de l'environnement. Le marché des servomoteurs est très attentif aux coûts. Matrix a perfectionné sa chaîne de production et de fourniture pour maximiser le rapport qualité-prix, tout en fournissant un produit qui réponde aux besoins des applications des clients. L'appartenance à Altra a considérablement favorisé cette évolution, en augmentant largement la présence de la société sur le marché international de la transmission de puissance, avec accès à des fournisseurs et à des ressources de fabrication dans le monde entier. À propos de Matrix : Membre du Groupe de Sociétés Altra. Dans le marché des chariots élévateurs, la société Matrix est spécialisée dans les chariots à moteurs électriques, alimentés par batteries, destinés aux secteurs industriels et de l'entreposage. Elle est fournisseur des principaux constructeurs de chariots élévateurs du monde, offrant à ses clients une assistance fiable en matière de conception et de développement assurée par des ingénieurs qui bénéficient de nombreuses années d'expérience et de connaissance dans les applications de chariots. Ce savoir-faire, combiné avec une activité continue de recherche et l'introduction d'aimants en lanthanide, garantit que le dimensionnement total des freins Matrix est le plus compact possible. ALTRA06 (fr-FR) First released on 29/10/2009 Page 3 of 4 Matrix utilise l'analyse par éléments finis dans ses études et un matériel d'essai informatisé sophistiqué dans ses services de développement des produits et d'assemblage des freins. La société assure ainsi la fourniture de produits perfectionnés et d'une qualité constante. Les systèmes de gestion de la qualité de Matrix sont accrédités ISO 9001 et garantissent que l'étude et le développement des produits, la fabrication et le service respectent les exigences les plus rigoureuses. Matrix s'apprête actuellement à recevoir la norme environnementale ISO 14001, visant à minimiser son bilan de CO2 et à devenir un fabricant « vert », respectueux de l'environnement. Editor Contact DMA Europa Ltd. : Annie Gough-Olaya Tel: +44 (0)1562 751436 Fax: +44 (0)1562 748315 Web: www.dmaeuropa.com Email: [email protected] Reader Contact Matrix International : Pierre Lootvoet Tel: +33 6 07 57 87 54 Web: www.matrix-international.com Email: [email protected] ALTRA06 (fr-FR) First released on 29/10/2009 Page 4 of 4