Tant que le moteur tourne, le couple produit n’est pas parfaitement constant. Le couple instantané subit de légères variations qui se répètent de manière périodique, ce qui se traduit par des fluctuations de la force de rotation.Ces variations périodiques du couple constituent ce que l’on appelle le « ripple de couple ». Lorsque le ripple de couple est important, il affecte les performances de l’équipement sous forme de vibrations, de bruit, d’une baisse de la précision de positionnement et d’une détérioration de la contrôlabilité. Il s’agit d’un enjeu technique incontournable, en particulier dans les domaines où la fluidité et la précision ont une incidence directe sur la qualité, tels que les appareils médicaux, les équipements optiques et les robots industriels.Dans cet article, après avoir clarifié la signification fondamentale du ripple de couple et sa différence avec le couple de cogging, nous expliquerons successivement les principales causes de son apparition ainsi que les méthodes de réduction du point de vue de la conception, du contrôle et du choix du moteur. Ce contenu vous servira de référence pour le choix et l’étude de conception de moteurs de petite taille.
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Qu’est-ce que la fluctuation de couple ? Récapitulatif des notions de base
Avant d’envisager des mesures pour lutter contre les ondulations de couple, il est nécessaire de bien comprendre le phénomène lui-même. En maîtrisant la signification de ce terme, en le distinguant des termes similaires et en sachant comment l’appréhender d’un point de vue chiffré, vous pourrez plus facilement comprendre les causes et les mesures de réduction qui seront abordées dans la suite de cet article. Dans ce chapitre, nous allons présenter les connaissances de base sur les ondulations de couple sous trois angles différents, afin de poser les bases nécessaires à la lecture de l’ensemble de cet article.
Contenu abordé dans cette section
- Signification fondamentale du « torque ripple »
- Différence entre les ondulations de couple et le couple de cogging
- Méthodes de mesure et d’évaluation des variations de couple
Nous allons examiner tour à tour trois points de vue, allant de la définition des termes aux critères d’évaluation.
Signification fondamentale du « torque ripple »
Le « ripple de couple » désigne la variation périodique du couple délivré par un moteur pendant sa rotation, qui n’est donc pas constant. Même si le moteur semble fonctionner à une vitesse constante, le couple instantané fluctue en permanence en fonction de la position de rotation et des conditions électriques.Lorsque l’on mesure en continu le couple sur un tour complet à l’aide d’un capteur de couple, on observe une courbe oscillant vers le haut et vers le bas autour de la valeur moyenne. L’amplitude de ces oscillations correspond à la variation de couple ; plus cette valeur est élevée, moins la rotation est régulière.Les problèmes de performance, tels que les vibrations, le bruit, la perte de précision de positionnement ou la détérioration de la contrôlabilité, peuvent souvent être analysés en partant du ripple de couple. Il s’agit d’un phénomène fondamental qu’il convient de bien comprendre avant d’examiner la qualité de fonctionnement d’un moteur.
Différence entre les ondulations de couple et le couple de cogging
La différence entre les ondulations de couple et le couple de cogging réside dans les conditions dans lesquelles ils se produisent. Le couple de cogging est une variation de couple qui se produit même lorsque le moteur à aimants permanents est hors tension, c’est-à-dire en l’absence de courant.Les ondulations de couple désignent l’ensemble des variations de couple observées lorsque le moteur est sous tension et en fonctionnement ; elles englobent non seulement le couple de cogging, mais également les distorsions de la forme d’onde du courant et les effets liés à la commande. Les principales différences entre ces deux phénomènes sont les suivantes :
| Rubrique | Couple de cogging | Ondulation de couple |
| Conditions de survenue | Se produit même à l’arrêt | Se produit lorsque l’appareil est sous tension et en fonctionnement |
| Causes principales | Structure du noyau en fer et de l’aimant | Influence du courant et des commandes, en plus de la structure |
| Plage couverte | Une composante de l’ondulation de couple | L’ensemble, y compris le couple de cogging |
Le couple de cogging est l’un des éléments constitutifs des fluctuations de couple ; ces deux notions sont en relation d’inclusion. Lors de l’évaluation des variations de couple en cours de fonctionnement, il est nécessaire d’adopter une perspective qui ne se limite pas au seul couple de cogging, mais qui tienne compte de l’ensemble des fluctuations de couple. Une approche visant à éviter toute confusion et à distinguer correctement les phénomènes permet de mener à une analyse approfondie des causes.
Méthodes de mesure et d’évaluation des variations de couple
Pour la mesure et l’évaluation des fluctuations de couple, on utilise généralement une méthode consistant à exprimer ce phénomène sous forme de pourcentage, obtenu en divisant la différence entre le couple maximal et le couple minimal observés au cours d’un tour par le couple moyen.L’expression en pourcentage permet de comparer l’ampleur des variations à l’aide d’une échelle commune, quel que soit le type ou la puissance du moteur. Dans la pratique, on utilise généralement la mesure directe à l’aide d’un capteur de couple.
De plus, la mesure simultanée du courant de phase et des vibrations permet non seulement d’évaluer l’amplitude des variations de couple, mais aussi d’en identifier les causes ; il s’agit donc d’une méthode de mesure pratique pour appréhender les ondulations de couple. En suivant une procédure de mesure qui prend en compte à la fois les valeurs numériques et les formes d’onde, il est possible de mener de front la compréhension du phénomène et la recherche de ses causes.
Les trois principales causes des variations de couple
Les fluctuations de couple ne résultent pas d’une cause unique, mais apparaissent sous l’effet d’une combinaison de plusieurs facteurs. Le fait d’analyser le mécanisme de leur apparition en les ventilant par facteur constitue un angle d’approche utile pour cerner les problèmes sur le terrain et pour examiner les mesures de réduction qui seront abordées dans la suite de cet exposé.Dans ce chapitre, nous allons passer en revue, dans l’ordre, les trois facteurs principaux à l’origine des ondulations de couple, sous les angles de la structure, de l’électricité et du champ magnétique.
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- Le couple de cogging est pris en compte
- La forme d’onde du courant contient des harmoniques
- La densité de flux magnétique contient des composantes harmoniques
En partant du principe qu’il existe une marge d’amélioration tant au niveau de la conception que de la commande, nous allons examiner trois facteurs.
Le couple de cogging est pris en compte
Le couple de cogging est une variation cyclique du couple qui se produit dans les moteurs à aimants permanents, même lorsqu’ils ne sont pas alimentés en courant.La position relative entre les dents du noyau de fer et les aimants permanents, qui s’attirent mutuellement, varie au fur et à mesure de la rotation, ce qui se traduit par des pulsations de couple. Le nombre de cycles par tour correspond au plus petit commun multiple du nombre de pôles magnétiques et du nombre de fentes. Le couple de cogging présente les caractéristiques suivantes.
【Caractéristiques du couple de cogging】
- Se produit même lorsque l’appareil est hors tension
- Interaction entre les fentes du stator et les harmoniques de la force magnétique générée par les aimants
- Période déterminée par le plus petit commun multiple du nombre de pôles magnétiques et du nombre de fentes
Les pulsations en l’absence de courant se superposent, dès le démarrage de l’entraînement, en tant que composante de l’ondulation de couple. Comme elles sont dues à la structure même du système, elles constituent le premier facteur à prendre en compte lorsque l’on aborde la question de l’ondulation de couple.
La forme d’onde du courant contient des harmoniques
La présence d’harmoniques dans la forme d’onde du courant constitue également un facteur contribuant à l’augmentation des ondulations de couple.Lorsqu’un moteur est entraîné par un onduleur, il arrive que la forme d’onde du courant subisse une distorsion due, notamment, aux conditions de câblage, ce qui entraîne une augmentation de la variation de couple. Le couple étant déterminé par le produit du courant et du flux magnétique, tout écart de la forme d’onde du courant par rapport à l’onde sinusoïdale idéale entraîne une fluctuation du couple proportionnelle à cet écart.
La commande PWM, qui constitue le mode de commande de base des onduleurs, est un mécanisme qui génère la tension appliquée au moteur par l’activation et la désactivation de commutateurs à semi-conducteurs.En raison de ces opérations de commutation, le courant présente de fines variations à chaque impulsion. Ces variations de courant se traduisent, par l’intermédiaire des variations du champ magnétique, par des fluctuations du couple, un phénomène observable sous la forme d’un ripple de couple. Ce phénomène peut être classé parmi les facteurs liés au côté entrée électrique.
*Harmoniques : composantes dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence fondamentale. Elles sont à l’origine de la distorsion de la forme d’onde.
La densité de flux magnétique contient des composantes harmoniques
La présence de composantes harmoniques dans la densité de flux magnétique est un facteur lié au champ magnétique qui entraîne une ondulation de couple. Les harmoniques présentes dans la densité de flux dans l’entrefer sont à l’origine des harmoniques du flux magnétique croisé dans les chaînes de l’inducteur, ce qui se traduit finalement par une ondulation de couple. L’entrefer désigne l’espace infime entre le rotor et le stator.
Ce phénomène s’explique par l’interaction entre les harmoniques de la force motrice des aimants permanents et les harmoniques d’entrefer. Il s’agit d’un phénomène dans lequel, lorsque la distribution du champ magnétique s’écarte d’une onde sinusoïdale idéale, des pulsations de couple liées à la rotation apparaissent. La distribution du champ magnétique dépend de facteurs de conception tels que l’angle polaire, la forme des aimants et leur orientation.Il s’agit du troisième facteur lié au champ magnétique, qui dépend de la conception autour des aimants.
Trois méthodes pour réduire les fluctuations de couple
Dans la mesure où les causes des ondulations de couple sont multiples, les approches visant à les réduire ne se limitent pas à une seule. Il existe des mesures pouvant être prises à chaque étape : celle de la conception, celle du contrôle et celle du choix du moteur. Dans ce chapitre, nous présentons trois méthodes représentatives permettant de limiter les ondulations de couple, en suivant le processus de conception, de contrôle et de sélection.
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- Optimisation de la conception des moteurs grâce à l’analyse des champs électromagnétiques
- Régulation de la forme d’onde du courant
- Choisir un moteur sans noyau
De la conception en amont jusqu’au choix final du produit, nous allons passer en revue ces trois méthodes l’une après l’autre.
Optimisation de la conception des moteurs grâce à l’analyse des champs électromagnétiques
La méthode d’optimisation de la conception des moteurs par analyse des champs électromagnétiques consiste à réduire, du point de vue structurel, les sources de variation de couple. L’amplitude du couple de cogging et des composantes harmoniques varie en fonction d’éléments structurels tels que la combinaison du nombre de pôles magnétiques et du nombre de fentes, l’inclinaison du stator et du rotor, ainsi que la forme des aimants.Dans la pratique, il est courant de comparer et d’évaluer numériquement plusieurs configurations à l’aide de simulations de champs électromagnétiques. Si l’on parvient à prédire les courbes de couple de chaque configuration avant la fabrication de prototypes, il est possible de sélectionner les propositions de conception présentant le moins de variations. Cette méthode, qui consiste à intégrer des mesures correctives dès les premières étapes de la conception, présente également l’avantage de limiter les retours en arrière lors des étapes ultérieures du processus.
*Skew : structure dans laquelle le stator et le rotor sont disposés en étant légèrement tordus en hélice. Cela permet de décaler l’engrènement entre les aimants et les fentes, ce qui a pour effet de lisser les pulsations de couple.
Régulation de la forme d’onde du courant
La méthode consistant à réguler la forme d’onde du courant par commande est une approche visant à limiter les variations de couple dues au courant qui surviennent pendant le fonctionnement. La commande vectorielle est largement utilisée à cet effet. Elle consiste à diviser le courant circulant dans le moteur en composantes d’axe d et d’axe q, puis à ajuster uniquement les composantes générant le couple afin de les rapprocher de leur valeur idéale.Si les perturbations de la forme d’onde du courant sont atténuées, les fluctuations du champ magnétique s’en trouvent également adoucies. Parallèlement, la réévaluation de la fréquence porteuse de la modulation d’impulsions en largeur (PWM) et des conditions de fonctionnement constitue également un moyen efficace. L’avantage de cette approche par contrôle réside dans le fait qu’elle permet d’effectuer des ajustements au niveau de l’exploitation sans modifier la conception elle-même.
Choisir un moteur sans noyau
Outre l’optimisation de la conception et de la commande, le choix d’un moteur adapté aux caractéristiques requises contribue également à réduire les ondulations de couple. Les moteurs sans noyau constituent un choix typique. Leur structure, dépourvue de noyau de fer, évite les mouvements répétitifs d’attraction et de répulsion par les aimants, ce qui réduit pratiquement à zéro l’effet de cogging.Les principales caractéristiques des moteurs sans noyau sont les suivantes :
[Principales caractéristiques des moteurs sans noyau]
- Réduction des effets de cogging grâce à une structure sans noyau de fer
- Caractéristiques de rotation fluides, avec peu d’irrégularités
- Faibles vibrations et faible niveau sonore · grande réactivité
Alors que les moteurs à noyau génèrent un couple de cogging, les moteurs sans noyau limitent les facteurs à l’origine de ce phénomène dès la conception. Ils constituent donc un choix de premier ordre dans les domaines où une rotation fluide et un fonctionnement silencieux sont requis, tels que les appareils médicaux, les équipements optiques et les systèmes de sécurité.
Résumé
Le ripple de couple est un phénomène caractérisé par des variations périodiques du couple délivré par le moteur pendant sa rotation. Son apparition résulte de l’interaction complexe de trois facteurs : le couple de cogging, qui se produit même lorsque le moteur n’est pas alimenté ; les harmoniques présentes dans la forme d’onde du courant ; et les harmoniques présentes dans la densité de flux magnétique.Pour réduire ce phénomène, trois approches s’avèrent efficaces : l’optimisation de la conception grâce à l’analyse des champs électromagnétiques, l’ajustement de la forme d’onde du courant par des techniques telles que le contrôle vectoriel, ainsi que le choix d’un moteur adapté aux caractéristiques requises.Parmi ces solutions, les moteurs sans noyau, qui ne comportent pas de noyau de fer, limitent le couple de cogging dès la phase de conception ; ils constituent donc un choix de premier plan pour les applications exigeant un fonctionnement silencieux et un contrôle précis, telles que les appareils médicaux, les équipements optiques et les dispositifs de sécurité. En combinant des mesures à chaque étape (conception, contrôle et sélection), il est possible de réduire les ondulations de couple jusqu’à un niveau acceptable en fonction de l’application.
Informations sur les produits et demandes de renseignements
Pour plus d’informations sur les micromoteurs de C.I. Takiron, veuillez consulter le site Web suivant.
- Site du produit : https://cik-ele.com/
- Moteurs sans noyau : https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- Moteurs sans balais: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- Moteurs à engrenages : https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- Codeur : https://cik-ele.com/products/list/encoder/
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