Arrêt contrôlé

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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

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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

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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.

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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.
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DMA Europa Ltd. : Annie Gough-Olaya
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