Apprivoiser les secousses : Un guide sur le couple de cogging et l'ondulation du couple

J'utilise des moteurs depuis de nombreuses années. Mon expérience m'a appris que tous les couples ne sont pas identiques. Vous pouvez avoir un moteur qui semble avoir suffisamment de puissance. Mais il peut trembler, émettre des sons ou ne pas se déplacer aussi facilement que vous le souhaitez. Deux éléments sont souvent à l'origine de ces problèmes : le couple d'engrenage et l'ondulation du couple. Je souhaite partager ce que j'ai appris sur ces deux problèmes. Dans cet article, j'expliquerai ce qu'ils sont. J'expliquerai également pourquoi ils se produisent et ce que vous pouvez faire pour les résoudre. Cet article est fait pour vous si vous voulez que votre système de moteur fonctionne sans secousses.

Quelle est la principale raison du couple d'engrènement dans un moteur ?

Je me souviens de la première fois où j'ai tenu un petit moteur à courant continu sans balais. J'ai tourné l'arbre avec ma main. J'ai ressenti une sensation bizarre, comme si le rotor voulait s'enclencher à certains endroits. J'avais l'impression que le rotor voulait s'enclencher à certains endroits. Cette sensation, mes amis, est le couple de cogging. Il s'agit d'un couple de cliquetis que l'on peut ressentir même lorsque le moteur n'est pas alimenté. Cet effet est dû à la façon dont les aimants permanents du rotor et les pièces en acier du stator fonctionnent ensemble.

On peut l'envisager de la manière suivante. Les aimants permanents du rotor fonctionnent en permanence. Ils produisent un champ magnétique puissant. Le stator est constitué d'un matériau sur lequel le champ magnétique tire. Les aimants veulent emprunter le chemin le plus facile. Ce chemin mène directement aux dents du stator. Cette force d'attraction fait que les pièces s'alignent dans une position naturelle. Lorsque vous essayez de faire tourner le rotor, vous devez utiliser une certaine force pour éloigner les aimants des dents du stator. Il s'agit du couple de cogging. Cette sensation de cognement est un élément normal du fonctionnement de nombreux moteurs. C'est pourquoi vous avez besoin d'un certain couple pour que le rotor commence à bouger à partir d'un point d'arrêt.

Comment le rotor et le stator travaillent-ils ensemble pour créer une ondulation du couple ?

Ensuite, parlons de l'ondulation du couple. Elle peut ressembler au couple cogging, mais elle est différente. Elle se produit lorsque le moteur est en marche et qu'il fonctionne. L'ondulation de couple est le changement de couple qui se produit lorsque l'arbre du moteur tourne. La production inégale de couple par le moteur est due à plusieurs facteurs. La raison principale est la même interaction magnétique que celle dont nous avons parlé pour le couple de cogging. Les aimants du rotor sont toujours tirés vers les dents du stator. Cette traction crée un couple ondulatoire.

Mais il y a une autre raison importante pour laquelle cela se produit lorsque nous mettons le moteur sous tension. Le courant électrique qui traverse l'enroulement du stator crée son propre champ magnétique. Un moteur produit un couple grâce à la façon dont ce champ et le champ des aimants permanents du rotor fonctionnent ensemble. Les formes des pièces du stator et du bobinage ne sont pas parfaites. C'est pourquoi la façon dont ils travaillent ensemble n'est pas parfaitement lisse. Lorsque le rotor tourne, la façon dont les deux champs magnétiques s'alignent change constamment. Cela fait monter et descendre le couple. C'est ce qui crée l'ondulation du couple. Un bon système de commande de moteur essaiera de gérer cette ondulation du couple.

Pourquoi ressentez-vous un couple d'engrenage même lorsque le moteur est arrêté ?

C'est une très bonne question. Elle permet d'expliquer ce qu'est réellement le couple de cogging. Comme je l'ai déjà dit, vous pouvez ressentir le couple de cogging même si le moteur n'est pas alimenté. Il s'agit d'un phénomène physique qui se produit à cause des aimants. Les aimants permanents du rotor sont toujours actifs. Leur champ magnétique est toujours présent. Le noyau du stator a des parties qui dépassent, appelées dents. Ces parties donnent au flux magnétique un chemin à suivre.

Le champ magnétique recherche toujours le chemin le plus facile. Cela signifie que les aimants du rotor sont alignés juste à côté des dents du stator. Cela crée une attraction très forte. Cela crée également une position de repos stable. Lorsque vous tournez l'arbre, vous luttez contre cette force magnétique. Il faut appliquer un couple pour que les aimants se détachent d'une dent et passent à la suivante. C'est la raison pour laquelle on a l'impression que l'arbre est "cahoteux" ou qu'il clique. Il s'agit d'un comportement naturel pour tout moteur doté d'aimants permanents et d'un stator à fentes. C'est le résultat direct de la façon dont le moteur est construit. Tout moteur de ce type présentera un couple de cogging.

Quelle est la véritable différence entre le couple d'engrenage et l'ondulation du couple ?

Je vois souvent des gens utiliser les mots "couple cogging" et "ondulation de couple" comme s'ils signifiaient la même chose. Ils sont liés, mais ils ne sont pas identiques. Je pense que le fait de les placer dans un tableau permet de voir les différences plus clairement.

Le couple cogging est donc l'une des pièces du puzzle. Il contribue à créer l'ondulation du couple. Lorsque le moteur fonctionne, vous ressentez l'ondulation totale du couple. Il s'agit d'un mélange du couple de cogging et des ondulations dues à la façon dont nous appliquons le courant. Ainsi, lorsque le courant circule, c'est l'ondulation du couple que l'on essaie de contrôler. Le couple de cogging crée un niveau de changement de base que la commande du moteur doit ensuite essayer d'atténuer. Il est possible qu'un moteur ait un faible couple de cogging. Mais il peut toujours avoir une forte ondulation de couple si le système de contrôle n'est pas bien réglé.

Comment la conception du moteur modifie-t-elle ces forces indésirables ?

La conception du moteur est l'élément le plus important pour déterminer l'importance du couple de cogging. J'ai vu des ingénieurs travailler pendant de nombreuses heures sur ce sujet. L'importance du couple de cogging dépend du nombre d'encoches du stator et de pôles magnétiques sur le rotor. Modifier ces chiffres peut faire une grande différence. Une autre méthode souvent utilisée consiste à incliner le tôles de stator ou les aimants du rotor. Au lieu d'être droites, les fentes du stator ou les aimants sont légèrement inclinés. Le changement de l'attraction magnétique est ainsi plus progressif lorsque le rotor tourne. Cela permet d'atténuer l'effet de détente.

Pour l'ondulation du couple, la conception du moteur est également très importante. La forme des aimants permanents peut être améliorée. La façon dont le bobinage est placé dans les fentes du stator fait également une grande différence. Une bonne configuration du bobinage peut contribuer à créer un champ magnétique plus régulier lorsque le courant passe. L'objectif du concepteur de moteur est de construire un moteur qui produit un couple aussi constant que possible. Cela simplifie grandement le travail du système de commande du moteur. Même le matériau de laminage du stator peut affecter le champ magnétique et le couple ondulatoire qui se produit.

Peut-on contrôler l'ondulation du couple à l'aide de l'entraînement du moteur ?

Oui, c'est possible. C'est là que les nouvelles méthodes de contrôle des moteurs sont très utiles. Une fois que vous disposez d'un moteur physique, vous ne pouvez pas modifier son couple cogging intégré. Mais vous pouvez faire beaucoup de choses pour réduire l'ondulation totale du couple. La commande du moteur est comme un cerveau électronique. Il indique au moteur ce qu'il doit faire. Il contrôle le courant qui entre dans les enroulements du stator. En façonnant soigneusement ce courant, le variateur peut annuler les variations de couple.

Les méthodes de contrôle intelligentes peuvent apprendre le schéma d'ondulation du couple d'un moteur. Le système de contrôle sait qu'à une certaine position du rotor, le moteur aura une baisse de couple. Il envoie donc un peu plus de courant à ce moment précis pour compenser. Ensuite, lorsque le moteur atteint un pic de couple, le système de contrôle réduit légèrement le courant. Cela nécessite des informations très précises sur la position du rotor et une boucle de traitement rapide. Un système d'entraînement de haute technologie peut réduire considérablement l'ondulation du couple, parfois de plus de 90 %. C'est un objectif pour de nombreux systèmes qui doivent être très précis.

À partir de quelle vitesse l'ondulation du couple devient-elle un problème plus important ?

C'est une question très intéressante. On pourrait penser que l'ondulation du couple est toujours mauvaise. Mais son effet dépend réellement de la vitesse du moteur. À très faible vitesse, l'ondulation de couple est facile à remarquer. Pensez à un bras de robot qui essaie d'effectuer un mouvement très lent et fluide. Toute fluctuation du couple le fera bouger de manière saccadée. Dans cette situation, le couple cogging et le couple ondulatoire posent de gros problèmes. Vous avez besoin d'un moteur et d'un système de commande conçus pour fonctionner en douceur à faible vitesse.

Mais à grande vitesse, l'effet de l'ondulation du couple peut être moins préoccupant. La tendance du rotor et de sa charge à rester en mouvement permet de lisser les choses. Le moteur tourne si vite que les petites variations rapides du couple n'ont pas le temps d'entraîner une variation importante de la vitesse. Le mouvement vers l'avant du système agit comme un filtre. Néanmoins, même à grande vitesse, l'ondulation du couple peut provoquer des problèmes indésirables tels que des tremblements et du bruit. Le mouvement peut donc sembler fluide. Mais l'ondulation de couple qui se produit en dessous peut toujours causer des tensions sur le moteur et l'ensemble du système. Les vitesses de moteur auxquelles l'ondulation de couple pose problème dépendent de l'utilisation spécifique.

Quels sont les problèmes causés par un couple irrégulier ?

Lorsque je crée un nouveau système, je dois toujours penser aux résultats de l'effet de couple. Les problèmes peuvent être de petites choses ennuyeuses. Il peut aussi s'agir de problèmes importants qui entraînent la défaillance de l'ensemble du système. Les problèmes les plus courants sont les secousses et le bruit. La variation constante du couple peut faire trembler l'ensemble du moteur et les pièces auxquelles il est relié. Cela se traduit souvent par un ronronnement ou un bourdonnement. Ce bruit s'aggrave lorsque la vitesse du moteur augmente ou diminue.

Dans les systèmes qui doivent être plus précis, les résultats sont pires.

• Ne pas s'arrêter au bon endroit : Dans les robots ou les machines de découpe, l'ondulation du couple peut faire en sorte que le moteur ne s'arrête pas à la position cible exacte. Il perd alors en précision.
• Mauvais contrôle de la vitesse : Pour un système qui a besoin d'une vitesse très constante, l'ondulation du couple est un très gros problème. Elle crée de petites variations de vitesse, parfois appelées "ondulation de vitesse". Ce n'est pas une bonne chose pour les scanners, les imprimantes ou les tourne-disques.
• Usure des pièces : Les secousses constantes provoquées par le couple ondulatoire peuvent accélérer l'usure des roulements et des autres pièces du système. Elles peuvent provoquer des tensions et des dommages sur une longue période. Un moteur à forte ondulation de couple nécessitera un système de contrôle plus difficile et plus coûteux pour obtenir une réponse régulière.

Comment les aimants permanents affectent-ils ce comportement ?

Les aimants permanents sont un élément très important de ce sujet, en particulier pour les moteurs à courant continu sans balais. Ces moteurs sont puissants et consomment moins d'énergie grâce au champ magnétique puissant des nouveaux types d'aimants. Mais c'est ce même champ puissant qui est à l'origine du couple de cogging. La force, ou densité de flux, des aimants a un effet direct sur l'intensité du couple de cogging. Un moteur doté d'aimants plus puissants présente généralement un couple de cogging plus élevé.

La forme des aimants permanents et leur emplacement sur le rotor sont également des éléments très importants de la conception du moteur. Les concepteurs peuvent façonner les aimants pour rendre le champ magnétique plus lisse. Cela permet de réduire à la fois le couple de cogging et l'ondulation du couple. Par exemple, au lieu d'un simple aimant carré, ils peuvent utiliser une forme plus arrondie. La façon dont les aimants sont disposés autour du rotor peut également être utilisée. Par exemple, une configuration spéciale peut concentrer le champ magnétique d'un côté et l'affaiblir de l'autre. Il s'agit d'un autre outil permettant d'améliorer le fonctionnement du moteur et de réduire les variations de couple indésirables. Le type de moteur est important, car tous les moteurs n'utilisent pas les aimants permanents de la même manière.

Quels sont les meilleurs moyens de réduire le couple d'emboîtement et le couple d'ondulation ?

J'ai constaté que pour résoudre ces problèmes, il faut procéder en deux étapes. Il faut améliorer le moteur et utiliser une méthode de contrôle plus intelligente. Il n'est pas possible de résoudre le problème à l'aide de programmes informatiques si le moteur a un couple de cogging très élevé dès le départ. Il s'agit avant tout d'une bonne conception du système.

Tout d'abord, vous devez choisir le bon moteur. Si votre travail nécessite des mouvements très fluides à faible vitesse, vous devez trouver un moteur conçu pour avoir un faible couple de cogging. Il peut s'agir d'un moteur "sans noyau" ou "sans fente". Dans ces moteurs, il n'y a pas de dents de stator sur lesquelles les aimants tirent. Il peut aussi s'agir d'un moteur dont les tôles du stator sont inclinées, qui comporte plus de pôles ou dont les aimants ont des formes spéciales. Ces caractéristiques permettent de surmonter la cause physique du problème. Un moteur standard peut coûter moins cher, mais il n'est peut-être pas le bon pour le travail à effectuer.

Deuxièmement, vous devez appliquer un contrôle intelligent. Un nouveau variateur doté d'un processeur rapide peut utiliser des instructions spéciales pour se débarrasser activement de l'ondulation du couple. Cela nécessite généralement un dispositif de retour d'information, tel qu'un codeur. Cet élément indique à la boucle de commande la position exacte du rotor. Grâce à cette connaissance, le variateur peut modifier le courant plusieurs centaines ou milliers de fois par seconde. Cela permet de lisser le couple. L'utilisation conjointe d'un bon moteur et d'un variateur intelligent vous donne les meilleures chances d'obtenir un mouvement souple, continu et précis.

Principaux enseignements

Après de nombreuses années de travail avec tous les types de moteurs possibles et imaginables, voici les éléments les plus importants à retenir sur le couple cogging et l'ondulation de couple :

• Le couple de cogging est un couple de cliquetis magnétique. Vous pouvez le ressentir lorsqu'un moteur n'a pas de puissance. Il est causé par l'attraction entre les aimants permanents du rotor et les dents du stator.
• L'ondulation du couple est la variation du couple vers le haut et vers le bas lorsque le moteur est en marche. Il s'agit d'un mélange de couple cogging et d'ondulations qui proviennent de la façon dont le courant est envoyé au bobinage du moteur.
• Il n'est pas possible d'éliminer le couple de cogging avec un programme de contrôle. Mais vous pouvez choisir un moteur qui est conçu pour en avoir moins. Les tôles inclinées et les conceptions sans fentes sont deux moyens d'y parvenir.
• Vous pouvez lutter contre l'ondulation du couple avec une commande de moteur intelligente. Des méthodes de contrôle de haute technologie peuvent modeler le courant pour annuler les variations de couple. Mais il faut pour cela disposer d'informations exactes sur la position.
• Les problèmes liés à l'ondulation du couple se font surtout sentir à faible vitesse. À un régime plus élevé, le mouvement propre du moteur permet de lisser les choses. Mais les secousses et le bruit peuvent encore poser problème.