Actionneurs - cadxfem.org

O. Brüls, PIM, Actionneurs, p 1

Actionneurs

1. Introduction

2. Actionneurs pneumatiques

3. Actionneurs hydrauliques

4. Actionneurs électriques

a) Moteurs pas-à-pas

b) Moteurs DC à aimants permanents

c) Moteurs DC sans balais


Un actionneur est un dispositif capable fournir la puissance

motrice à une machine

� Classification selon le type de mouvement généré :

�Actionneurs linéaires

�Actionneurs rotatifs

� Classification selon la nature de la source d’énergie :

�Actionneurs pneumatiques (air comprimé)

�Actionneurs hydrauliques (huile sous pression)

�Actionneurs électriques (électricité)

� Critères de comparaison objectifs

�Puissance massique

�Pouvoir d’accélération

Introduction


La puissance massique est le rapport entre la puissance

développée par l’actionneur à la masse de celui-ci

�0.5 à 0.6 kW/kg pour les actionneurs électriques

�2.5 à 5.0 kW/kg pour les actionneurs hydrauliques

Introduction


Actionneur idéal :

� faible inertie pour accroître le pouvoir d’accélération

des différentes articulations

�grande rigidité pour éviter la déflexion de l’organe

terminal sous la charge

�vitesse nominale V0 faible (quelques rad/s en rotation,

quelques cm/s en translation) pour limiter le rapport

de transmission nécessaire

�plage de vitesse continûment variable de -V0 à +V0

�effort de sortie important même à vitesse nulle (effort

de maintien)

� faible non-linéarité (frottements secs, jeux, etc.)

�possibilité de le commander en vitesse et/ou en effort

Introduction


Dimensionnement d’un actionneur

Introduction


Actionneurs pneumatiques

Vérins linéaires à tige Vérins linéaires sans tige



Circuit pneumatique



Pneumatics systems exploit the energy stored in

compressed air. Advantages :

� Air is available (almost) everywhere

� Air viscosity is not sensitive to temperature

� Compressed air is easily transported in a

pneumatic network

� Compressed air is easily stored

� No pollution (if not lubricated)

� Fast working medium (about 1 to 1.5 m/s)

� Limited risk in explosive environments

� Simplicity of control

� Low cost of pneumatic components

� Self-protection to overload


Drawbacks

� Cost of air preparation and treatment

(filtering, cooling, drying, lubrication, compression)

� Leakages are very expensive

� Difficulty to control piston speed due to air

compressibility

� Limited forces (about 30 kN)

� Pressure is limited to 8 bars in most industrial

applications

� Acoustic noise at exhaust



Actionneurs hydrauliques

� Vérins linéaires :

(course de quelques cm ou dizaines de cm)

� Vérins rotatifs :

(course limitée à 270°)

Il existe également des moteurs rotatifs permettant une

rotation continue (relativement sophistiqués)


Actionneurs hydrauliques

Main differences compared to pneumatic systems

� Pressurized oil (30 to 400 bars)

� Higher power to mass ratio

� High positioning accuracy due to incompressibility

� Advanced flow control valves

� Silent behaviour

� Automatic lubrication

� Low wear

� Storage of oil in tanks + return lines

� Dirty

� Temperature can increase

� Viscosity depends on temperature


Actionneurs électriques

Actionneurs répandus pour la commande en position

� Moteurs pas à pas

� Moteurs DC à aimants permanents

� Moteurs DC sans balais

[Cetinkunt p 397]


Un moteur pas à pas convertit directement une séquence

d’impulsions électriques en un déplacement angulaire de

type incrémental.

�Le système électronique de commande du moteur

reçoit un signal d’horloge de fréquence variable et

fait tourner le moteur à chaque impulsion d’une

quantité constante appelée pas angulaire.

� La vitesse de rotation moyenne (tr/min)

� f est la fréquence des impulsions d’horloge

� n est le nombre de pas par tour du moteur

(couramment 200 à 400 pas par tour)

� Cette relation reste vérifiée sous certaines conditions

limites de charge et d’accélération/décélération.



� Un moteur pas à pas est commandé en vitesse (ou en

position)

�Principal avantage : commande en boucle ouverte

(l’angle de rotation est proportionnel au nombre

d’impulsions d’horloge reçues)

� Trois catégories :

�Les moteurs à aimants permanents au rotor

�Les moteurs à reluctance variable

�Les moteurs hybrides qui allient les propriétés des

moteurs des deux premières catégories



Moteur à reluctance variable

Moteur à aimants permanent

Moteur pas à pas



Avantages :

� Petite taille

� Simplicité de la commande

� Bon marché

Inconvénient

� Faible puissance massique (comparé aux autres

moteurs électriques)

Moteur pas à pas



Moteurs à courant continu

� Vitesses élevées et efforts faibles ⇒ nécessité d’un réducteur important pour l’adaptation de l’impédance mécanique

�Vitesse de rotation nominale relativement élevée: 2000 à 3000 tr/min

�Présence de jeux dans les réducteurs

�Diminution du pouvoir d’accélération

� Moteurs à courant continu utilisés pour du positionnement

�Le moteur standard

�Le moteur en cloche : inertie du rotor réduite

�Le moteur à disque : faible inertie mais faible puissance massique



Moteur à courant continu standard

Moteur en cloche

Moteur à disque


Référence: S. Allano, Petits moteurs électriques,

Techniques de l’Ingénieur D 3 - 720.


Moteurs à courant continu

Couple:

Force contre-électromotrice:

Réponse dynamique:

� Commande en vitesse (~ fonction de transfert linéaire du 2ème ordre)

� Commande en couple (~ proportionnel au courant de commande)

Avantages :

� Simplicité de la commande

� Bon marché

Inconvénient

� Balais (friction, usure, étincelles…)



Moteurs à courant continu sans balai

Structure

� Le rotor est constitué par un aimant permanent

� Un capteur détecte la position angulaire du rotor

� Un système électronique de commande assure la

commutation du circuit statorique

Avantage : pas de balais

Inconvénient : commande plus délicate et plus coûteuse


[Handbook of Automation, ch17]


Moteurs électriques linéaires

� Courant continu / alternatif

� Pas de transmission (pas de jeux, raideur élevée,

vitesse élevée)

� Poids et coût élevés



Les moteurs DC - résumé

�Fonctionnent à vitesse élevée avec des efforts relativement faibles

�Besoin d’un rapport de transmission élevé

�Pouvoir d’accélération limité

�Faible puissance massique

�Facilité d’alimentation en électricité


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