Thèmes prototypes en BTS Microtechniques

  Détermination d'un micro-moteur électrique  
  d'un réducteur et d'une alimentation  
  d'un réducteur et d'une alimentation  
  dans un appareil microtechnique.  

Introduction.


1 - Présentation du problème.
    On désire réaliser un appareil microtechnique dans lequel une partie mécanique est entraînée par un moteur électrique à courant continu, à aimant permanent, de petites dimensions (diamètre inférieur à 40mm) et dont la puissance est faible (quelques watts au maximum). Ce moteur est alimenté soit par des piles ou des batteries, soit par une alimentation reliée au secteur. Il entraîne en général un réducteur qui entraîne à son tour la partie cinématique du mécanisme qui adapte et transforme le mouvement.
Le système se présente donc sous la forme suivante :

Système étudié
è Le problème est de savoir choisir le moteur et de dimensionner correctement le réducteur de manière à obtenir les performances voulues. Il faudra également choisir l'alimentation adéquate.
2 - Pourquoi une telle étude ?
    A priori, ce genre de problème peut paraître simple à résoudre ... Si l'on connaît les caractéristiques du moteur (sa puissance, le couple disponible, sa fréquence de rotation) et si l'on sait comment se comporte, ou doit se comporter, le système entraîné (quel est le couple nécessaire à son entraînement, à quelle vitesse il doit fonctionner) alors il semble facile de dimensionner le réducteur tout en vérifiant que le moteur convient.
Prenons un exemple simplifié :
    On désire réaliser un micro-tournevis électrique tournant à 150tr/mn. Cet appareil doit pouvoir exercer un couple de 0,02Nm maximum. Dans un catalogue, on trouve un moteur dont l'encombrement est satisfaisant et qui a un couple de sortie affiché de 0.001Nm. La fréquence de rotation indiquée est de 12.400tr/mn.
Le réducteur doit adapter la vitesse, il faut donc que le rapport de réduction soit égal à 150 / 12400, soit rr = 0,0121.
Il faut vérifier que le moteur est assez puissant :
    En estimant le rendement du réducteur et de la transmission du mouvement à l'empreinte du tournevis, on peut vérifier que le moteur convient : si hr = 0,7 alors la puissance demandée au moteur sera égale à 0,78 / 0,7 = 1,11 W. Le moteur convient donc.
è Ce raisonnement est faux !
    Pourquoi ? Parce que la fréquence de rotation des micro-moteurs (à courant continu et à aimants permanents) dépend fortement de la charge ! Il est donc nécessaire de connaître le couple que supporte le moteur pour savoir à quelle fréquence de rotation il va tourner.
    Il faut noter, à ce niveau, la différence qu'il y a entre les "gros" moteurs à aimants permanents et les micro-moteurs que nous utilisons dans nos thèmes : dans un gros moteur, la fréquence de rotation est fixée par la tension et la charge impose l'intensité. Mais la fréquence de rotation est indépendante de la charge. Alors que dans les micro-moteurs, la charge impose l'intensité et modifie la fréquence de rotation.
La problématique est donc finalement la suivante :
à On ne peut pas savoir à quelle vitesse le moteur va tourner tant que que l'on ne connait pas le couple auquel il est soumis.
à Or le couple appliqué à l'arbre moteur dépend du réducteur (on suppose que l'on connait le couple au niveau du système à entraîner, bien sûr).
à Mais pour calculer la raison du réducteur, il faut connaître la vitesse que l'on veut obtenir en sortie, que l'on connait, et la vitesse du moteur que l'on ne connait pas !.
Comment faire ?
Autres éléments joints à ce dossier, que vous pouvez consulter :

3 - Choix et dimensionnement de l'ensemble : alimentation - moteur - réducteur :.

Données de départ :
Pour faire ce choix et ce dimensionnement, il faut obligatoirement posséder les courbes caractéristiques des moteurs que l'on envisage d'utiliser. Il faut également connaître le système que l'on cherche à entraîner (Cu, wu, encombrement, ...).
Si les courbes caractéristiques des moteurs ne sont pas connues, il faut les déterminer en utilisant un banc d'essai.
Objectifs à atteindre en fonction des données de départ :

Quatre cas de figure vont être envisagés :
-A- Choix du moteur et calcul de la raison du réducteur en fonction de Cu, de I et de l'encombrement.
On connait le couple utile. On veut consommer le moins possible (alimentation par des piles qui doivent durer le plus longtemps possible). La vitesse en sortie est indifférente du moment qu'elle se situe dans une plage donnée (il suffira donc de vérifier, à la fin du calcul, qu'elle s'y trouve). L'encombrement est comme toujours un critère important (volume global minimum recherché).
-B- Choix du moteur et calcul de la raison du réducteur en fonction de Cu, wu et de l'encombrement.
Le couple en sortie est connu et on cherche à obtenir une fréquence de rotation en sortie bien précise. On vérifiera dans un second temps que l'intensité absorbée par le moteur n'est pas trop importante.
-C- Choix du moteur et calcul de la raison du réducteur en fonction de Cu, de hm et de wu.
On connait le couple utile. On veut que la durée de vie du moteur soit la plus grande possible et qu'il chauffe le moins possible (on cherche donc à le faire fonctionner à son meilleur rendement). La fréquence de rotation en sortie doit se situer dans une fourchette de valeurs assez serrée. L'encombrement n'est pas un critère important.
-D- Choix du moteur et calcul de la raison du réducteur en fonction de Cu et de Pm.
On connait le couple utile. On veut que le moteur fonctionne à puissance maximum. La fréquence de rotation en sortie doit se situer dans une fourchette de valeurs assez lache. L'encombrement est un critère important.


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