Choisir le bon moteur pour votre solution de pompe FEO

par Brad Blum et John Batts

Masterflex, une partie d’Avantor, est renommée pour ses technologies de pompes Masterflex ^® et Ismatec^® de haute qualité. Nombreux sont les FEO qui se tournent vers l’équipe FEO de Masterflex lorsqu’ils ont besoin d’une pompe personnalisée intégrée dans l’équipement qu’ils sont en train de développer. Lors du choix d'une solution de pompe, il faut considérer non seulement le style de pompe, mais également le type de moteur. Lors du choix d'un moteur pour votre solution de pompe FEO, gardez à l’esprit ces nombreux éléments à prendre en compte.

Types de moteurs

Parmi les nombreux types de moteurs différents utilisés actuellement, quatre technologies couvrent la plupart des applications, chacune ayant ses avantages et ses limites, qu'il faudrait tous prendre en compte.

Moteurs à courant continu (CC) à balais / à aimants permanents (PMDC)

Pour de nombreuses raisons, les moteurs CC et à aimants permanents tendent à être le choix préféré pour les applications sensibles aux coûts. Le coût initial du cycle de vie est généralement bas. Un ensemble fort de fonctionnalités est utile pour de nombreuses applications différentes. Ces moteurs incorporent des balais intérieurs qui convertissent le courant électrique en mouvement mécanique. De nombreuses technologies de moteur requièrent l’utilisation d'un pilote pour contrôler le fonctionnement du moteur. Les moteurs CC à balais n’en ont pas forcément besoin, notamment si l'application ne requiert que le fonctionnement du moteur à une vitesse fixe. Pour les applications qui requièrent un pilote pour une commande plus avancée, le contrôleur d'un moteur CC à balais tend à coûter moins cher que des contrôleurs similaires utilisés avec d'autres technologies de moteurs.

L'usure des balais intérieurs qui survient dû à deux principaux facteurs, la vitesse du moteur et la charge imposée au moteur, est inhérente à la conception d’un moteur CC à balais. Deux issues possibles dépendent du type de moteur CC à balais utilisé :

• Dans les moteurs à balais non remplaçables, la durée de vie du balai varie et se situe généralement entre 500 et 4 000 heures, la durée de vie réelle étant déterminée par de nombreux facteurs, après quoi le moteur doit être éliminé et remplacé.
• Dans les moteurs à balais remplaçables, la durée de vie tend à être plus longue. Les balais de ces moteurs peuvent être remplacés, ce qui diminue les coûts de maintenance initiaux. Dû à l’usure des barres du commutateur (ce contre quoi les balais se frottent à l'intérieur du moteur pour transférer la puissance électrique au moteur), le nombre de remplacements possibles des balais avant de devoir remplacer l’assemblage du moteur complet est limité.

En plus de l’usure des balais, un moteur CC à balais nécessite aussi l’utilisation d’un codeur s’il est nécessaire de régler étroitement la vitesse du moteur, augmentant ainsi le coût initial et contrebalançant l’un des principaux facteurs de cette technologie de moteur.

Quel que soit le type de moteur CC à balais de votre choix, la maintenance ajoutée nécessaire pour ces moteurs augmente le coût total de possession. C’est pourquoi les avantages des moteurs CC à balais peuvent être réalisés lorsqu’ils sont intégrés dans des applications impliquant une utilisation sporadique, par ex. la distribution.

Moteurs CC sans balais / BLDC

Les moteurs CC sans balais sont différents des moteurs CC à balais, car aucun balai intérieur n'est utilisé pour transporter le courant qui alimente ces appareils. L’usure subie par les moteurs CC sans balais est très faible et ils ne requièrent pratiquement aucune maintenance pendant leur durée de vie, ce qui constitue de loin le plus grand avantage de travailler avec ce type de moteur. Un avantage supplémentaire est la très faible formation de particules pendant le fonctionnement car le moteur est conçu sans balai. Ceci fait des moteurs CC sans balais une option viable pour les dispositifs médicaux et d’autres applications similaires sensibles aux particules et aux débris.

La défaillance la plus typique se produit dans la boîte de vitesse attachée à l'avant du moteur. La boîte de vitesse réduit la vitesse du moteur et augmente le couple transmis à la pompe. Les engrenages peuvent s'user avec le temps.

Sans balais ou de barres de commutateur dans l’assemblage, les moteurs CC sans balais ont besoin d'une carte de commande effectuant la commutation électronique nécessaire pour fonctionner correctement. Malheureusement, les cartes de commande des moteurs CC sans balais tendent à être plus chères que les cartes de commande utilisées avec les moteurs CC à balais. Ceci s'ajoute au coût initial lors de l’utilisation de ces moteurs. De plus, il faut utiliser un codeur pour un contrôle étroit de la vitesse, ce qui augmente davantage le coût initial.

Grâce à leur conception, les moteurs CC sans balais sont parfaits pour les applications pour lesquelles une longue durée de vie est nécessaire ou dans le cas où le moteur se situe à un emplacement dangereux ou difficile d'accès. Dans ces applications, même si le coût initial de possession d’un moteurs CC sans balais est supérieur, le coût total de possession du moteur pendant la durée de vie est inférieur, ce qui en fait une bonne option.

Moteurs pas à pas

Les moteurs pas à pas sont un type de moteurs CC sans balais, mais le mouvement du moteur est contrôlé différemment. Un moteur pas à pas fonctionne en divisant une rotation complète en un nombre égal de pas. Le moteur peut se déplacer et rester à un emplacement spécifique dans sa rotation via des impulsions contrôlées aux électro-aimants internes. Un codeur ou mécanisme de retour similaire n’est pas requis. Les moteurs pas à pas offrent aussi d'autres avantages, y compris une longue durée de vie, une faible voir aucune usure et maintenance, un couple de démarrage élevé et un coût total compris généralement entre un moteur CC à balais et un sans balais.

Toutefois, il faut considérer certaines limitations significatives lors de l'intégration de moteurs pas à pas dans une application. Le changement de couple que peut fournir le moteur lors du changement de vitesse est une limitation. Lorsque le couple initial est élevé, le couple disponible à des vitesses élevées est considérablement inférieur et peut entraîner des inexactitudes dans la rotation, y compris un décrochage.

De plus, certains effets tangibles importants peuvent aussi limiter l’utilisation de moteurs pas à pas, y compris le bruit (ils peuvent « gémir » avec un volume élevé), la génération de chaleur dû à des inefficacités générales (ce qui peut nécessiter une ventilation ou d’autres méthodes de refroidissement) et des vibrations mécaniques.

Tandis que les moteurs pas à pas ne sont pas le choix favorable pour des applications à fonctionnement continu, ces moteurs sont un choix excellent pour les applications de distribution répétées et rapides. Ils peuvent résister à une forte sollicitation sans requérir de maintenance régulière et offrent un contrôle étroit et inhérent de la position et de la vitesse.

Moteurs AC à bague de démarrage

Les moteurs AC à bague de démarrage sont une autre option populaire de moteurs pour un sous-ensemble limité de clients et d'applications. Dans l'industrie agro-alimentaire, là où des pompes fonctionnent en continu et où les coûts initiaux et ceux encourus pendant la durée de vie comptent, les moteurs AC à bague de démarrage peuvent offrir certains avantages significatifs :

• Faible coût initial
• Faibles coûts de possession dû au fait qu’ils ne nécessitent pratiquement aucune maintenance
• Longue durée de vie (généralement limitée seulement par la durée de vie des engrenages, comme les moteurs CC sans balais)
• Fonctionnement avec une alimentation AC
• Fonctionnement silencieux
• Aucune interférence électromagnétique (EMI)

Il faut également tenir compte des limitations des moteurs AC à bague de démarrage. La plus grande limitation est le fait que ces moteurs fonctionnent à vitesse fixe. Les moteurs AC à bague de démarrage sont conçus pour fonctionner à une seule vitesse, déterminée par le rapport de la boîte de vitesse intégrée dans leur conception. Les codeurs et autres mécanismes de retour ne peuvent pas être utilisés avec ces moteurs pour garantir une vitesse de rotation appropriée, ce qui peut entraîner des inexactitudes et des variations de l’écoulement pendant l’utilisation.

De plus, ces moteurs tendent à générer une chaleur considérable, un effet secondaire seulement aggravé par une utilisation continue. Généralement, il faut intégrer un ventilateur dans la conception pour fournir un refroidissement en temps réel du moteur assemblé. Ces moteurs ne sont pas aussi puissants que les autres types de moteurs.

Étant donné les avantages et les limitations de ces moteurs, il est recommandé de manière générale de considérer les moteurs AC à bague de démarrage pour les applications nécessitant une utilisation continue moins sensibles aux légères variations du débit. Pour les autres applications, notamment celles impliquant une distribution, il serait préférable d'utiliser l’un des autres types de moteurs.

Résumé

Pour visualiser les avantages et les limitations de chacun de ces types de moteurs, consultez le tableau suivant :

Excellent -------------------------> Médiocre

Chacune des quatre options de moteurs abordées dans cette article présente des avantages et des limites et il faut tenir compte de chaque moteur lors du choix du meilleur moteur pour votre application.