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MISE EN ŒUVRE DE LA REDONDANCE DANS UN MOTEUR PAS À PAS MINIATURE

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Turtorial

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Certaines des activités de recherche récentes dans le domaine des entraînements de moteurs électriques pour les applications critiques (telles que l'aérospatiale et les centrales nucléaires) sont axées sur l'étude de diverses topologies de moteurs et d'entraînements tolérants aux pannes.

Après avoir examiné différentes solutions, cet article se concentre sur la conception d'un moteur pas à pas PM miniature qui entre dans cette catégorie de tolérance aux pannes en fournissant une redondance accrue.

Les systèmes de sécurité critiques prennent une importance croissante dans le monde industriel. Parmi ces systèmes, on peut citer l'aérospatiale, les transports, les applications médicales et militaires, ainsi que les centrales nucléaires. Tous ces systèmes comportent un certain nombre d'entraînements de moteurs électriques installés à un point tel que les centrales en dépendent fortement. Toute défaillance de ces entraînements peut provoquer des pannes catastrophiques dans les centrales, ce qui peut être très coûteux en termes de ressources humaines et de coûts d'investissement, et clairement indésirable. Les techniques qui sous-tendent la plupart des entraînements électriques actuellement sur le marché ne sont pas adaptées aux applications critiques en matière de sécurité. Il est donc nécessaire d'améliorer la capacité de survie des systèmes critiques étant donné la dépendance croissante à leur égard et les graves conséquences de leur défaillance. L'un des outils couramment utilisés dans la conception des systèmes critiques pour la sécurité est la redondance. Dans l'idéal, de nombreux systèmes tolérants aux pannes devraient mettre en miroir toutes les opérations, c'est-à-dire que chaque opération devrait être effectuée sur deux ou plusieurs systèmes en double, de sorte que si l'un tombe en panne, l'autre peut prendre le relais. Par conséquent, la redondance au sein du système est un aspect essentiel.

Qu'est-ce qu'un moteur à tolérance de pannes ?

Les spécifications d'un moteur à tolérance de pannes sont les suivantes :

Une redondance plus élevée, en utilisant des segments de moteur identiques sur le même arbre.

Des phases électriquement isolées pour éviter les courts-circuits entre phases.

Des enroulements magnétiquement découplés pour éviter une réduction des performances en cas de défaillance des autres phases.

Des phases physiquement isolées pour éviter la propagation du défaut dans les phases voisines et pour augmenter l'isolation thermique.

Quelles solutions sont proposées ?

Coupler deux moteurs sur un même arbre (figure 1) est la solution qui vient normalement à l'esprit en premier. Bien que sa mise en œuvre soit simple, cette solution présente plusieurs limites à prendre en compte :

Cette solution coûte environ deux fois plus cher que le système non tolérant aux pannes.

Le moteur d'entraînement doit surmonter le couple de friction et le cogging du moteur au ralenti alors qu'il induit en plus des pertes en fer dans ce dernier, réduisant ainsi l'efficacité globale du système.

Il apporte des fréquences de résonance imprévisibles qui peuvent avoir un impact sévère sur le bon fonctionnement du système.

Il ne répond pas du tout aux exigences de petite taille et de légèreté requises par l'industrie aérospatiale

Tutoriel FAULHABER Moteur pas à pas

Figure 1 : Deux moteurs couplés sur le même arbre

L'existence des moteurs à aimant disque de FAULHABER simplifie la recherche de la capacité de redondance. Par défaut, cette conception de moteur brevetée comporte 4 enroulements qui sont normalement connectés par paire pour former un moteur pas à pas biphasé. Une solution personnalisée laissant les 4 enroulements indépendants les uns des autres crée deux moteurs pas à pas PM biphasés avec des phases physiquement et électriquement isolées, ce qui est la clé pour obtenir un système sans défaillance (Figure 2). Les enroulements ne sont que partiellement couplés magnétiquement et la configuration redondante n'entraîne qu'une réduction de couple de 30 % par rapport à la configuration standard du moteur, à puissance dissipée équivalente. Avec un dissipateur thermique approprié et une augmentation du courant de phase, le même couple de sortie peut être atteint.

Conclusion

La conception spécifique et brevetée de certains petits moteurs miniatures existants (jusqu'à Ø6mm) répond, avec très peu d'adaptation, aux spécifications d'un moteur tolérant aux pannes, robuste et fiable avec le degré de redondance qui est crucial dans les applications critiques de sécurité qui dépendent du fonctionnement sans défaillance des entraînements à moteur électrique.