Phase Motion Control
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TK Torque Motors

Moteurs couple et Moteurs pour électrobroches

La série TK de moteurs brushless nus (en kit) offre la plus haute densité de couple disponible aujourd'hui pour les applications de haute performance à entraînement direct.

Les moteurs couple de la gamme TK sont des unités triphasées à aimant permanent en terre rare (fer-néodyme-bore) et atteignent la plus haute densité de couple continu et de pointe disponible aujourd'hui.

Contrairement aux moteurs couples traditionnels, les unités TK ont à la fois une capacité de couple et de vitesse élevée. Ils peuvent donc être utilisés à la fois comme moteurs de broche et comme entrainement de table rotative.

Les rotors utilisent des aimants spéciaux fabriqués par Phase Motion Control avec un facteur de perte minimisé permettant un fonctionnement à haute vitesse avec un rotor isotrope mince.

Les moteurs TK sont des servomoteurs triphasées à aimants permanents en terre rare (fer, néodyme, bore) et atteignent la plus haute densité de couple continu et de pointe disponible aujourd’hui, ainsi qu’une capacité de contrôle de la vitesse et du flux sur une plage de puissance constante allant jusqu’à 10:1.

Les moteurs couples TK sont constitués d’unités de stator et de rotor fournies séparément et adaptées au montage direct à l’intérieur de la structure de la machine.

Tous les rotors sont des unités rigides avec un maintien mécanique de l’aimant sans colle via un manchon en fibre de carbone préchargé pour un fonctionnement sûr même à très haute vitesse.

Les rotors sont souvent des unités semi-spécifiques qui permettent un couplage direct avec les roulements, les codeurs et les freins.

Des carcasses personnalisés avec refroidissement intégré ou même des sous-ensembles partiels de machine avec roulements et codeurs sont fabriqués sur demande sur la base des circuits magnétiques standard disponibles.

Torque Motors - Made in Italy - Servo Motor
Moteur couple TK - Moteur de broche - Phase Motion Control
Torque Motors - Made in Italy - Servo Motor
Moteur couple TK - Moteur de broche - Phase Motion Control

Tous les moteurs de couple TK sont conçus pour être refroidis par un fluide (eau) à l'extérieur du stator afin d'obtenir des performances optimales. Le fonctionnement à une puissance constante (contrôle de flux) nécessite toujours un refroidissement par eau.

Moteur de couple code Stack [mm] L tot.[mm] Øout [mm] Øin [mm] Couple (refroidi à l'eau) refroidi à l'eau) [Nm] Couple (refroidi à l'air) refroidi à l'air) [Nm] Peak Torque
[Nm]
Nominal Speed (rpm) Max Speed (rpm)
TK.085 50 110 96 44 7,30 3,70 24,10 5000 18000
100 160 96 44 16,20 8,10 48,20
150 210 96 44 25,40 12,70 72,30
200 260 96 44 34,70 17,40 96,40
TK.110 50 125 121 43 12,50 6,30 33,20 5000 20000
100 175 121 43 26,90 13,50 66,30
150 225 121 43 41,60 20,80 99,50
200 275 121 43 56,30 28,20 132,70
TK.120 50 125 134 54 21,90 11,00 47,50 5000 15000
100 175 134 54 48,20 24,10 95,10
150 225 134 54 75,10 37,60 142,60
200 275 134 54 102,40 51,20 190,00
TK.164 50 125 173 76 48,30 24,10 93,50 4000 10000
100 175 173 76 104,70 52,30 187,00
150 225 173 76 162,10 81,10 280,40
200 275 173 76 219,90 110,00 374,00
300 375 173 76 336,00 168,00 560,90
TK.188 50 140 202 80 34,80 17,40 119,50 6000 28000
100 90 202 80 79,10 39,50 238,90
150 240 202 80 125,80 62,90 358,40
200 290 202 80 173,60 86,80 477,80
300 390 202 80 270,50 135,20 716,80
TK.195 50 160 207 76 49,50 24,80 93,50 2000 15000
100 210 207 76 108,69 54,30 187,00
150 260 207 76 169,20 84,60 280,40
200 310 207 76 230,20 115,00 374,00
300 410 207 76 352,70 176,40 560,90
TK.220 50 170 240 110 75,60 37,80 159,00 3000 14000
100 220 240 110 172,40 86,20 318,10
150 270 240 110 274,40 137,20 477,10
200 320 240 110 378,70 189,30 636,20
300 420 240 110 590,10 295,10 954,30
TK.240 50 135 249 142 111,20 55,60 216,50 3000 8000
100 185 249 142 240,00 120,00 433,00
150 235 249 142 371,30 185,60 649,40
200 285 249 142 465,90 251,60 865,90
TK.270 50 140 282 160 112,30 56,20 282,70 3000 8000
100 190 282 160 253,00 126,50 565,50
150 240 282 160 399,30 199,60 848,20
200 290 282 160 547,70 273,90 1.131,00
TK.310 50 120 310 198 215,60 107,80 373,90 500 3000
100 170 310 198 475,90 238,00 748,00
150 220 310 198 743,30 371,70 1.121,80
200 270 310 198 1.013,00 506,60 1.495,70
TK.340 50 145 358 190 242,00 121,00 407,20 2000 6000
100 195 358 190 547,20 273,60 814,30
150 245 358 190 864,70 432,40 1.221,50
200 295 358 190 1.186,90 593,50 1.628,60
300 395 358 190 1.837,00 918,50 2.442,90
TK.370 50 140 380 268 271,70 135,90 636,20 1000 4000
100 190 380 268 604,50 302,20 1.272,30
150 240 380 268 947,40 473,70 1.908,50
200 290 380 268 1.294,00 647,00 2.544,70
300 390 380 268 1.991,40 995,70 3.817,00
TK.450 50 170 465 320 468,20 234,10 916,10 1000 3000
100 220 465 320 1.033,70 516,90 1.832,20
150 270 465 320 1.613,00 806,50 2.748,30
200 320 465 320 2.196,90 1.098,40 3.664,40
TK.485 50 145 485 345 544,00 213,00 1.068,00 1000 2000
100 195 485 345 1.197,00 500,00 2.136,00
150 245 485 345 1.858,00 802,00 3.204,00
200 295 485 345 2.521,00 1.110,00 4.272,00
TK.540 50 145 548 400 712,80 356,40 1.431,40 400 1500
100 195 548 400 1.547,50 773,80 2.862,80
150 245 548 400 2.397,40 1.198,70 4.294,20
200 295 548 400 3.252,00 1.626,00 5.725,60
TK.570 50 115 578 450 745,40 372,70 1.767,10 400 1500
100 165 578 450 1.673,00 836,50 3.534,30
150 215 578 450 2.632,50 1.316,20 5.301,40
200 265 578 450 3.603,60 1.801,80 7.068,60
TK.795 50 160 815 640 1.631,10 815,50 3.365,40 200 800
100 210 815 640 3.781,20 1.890,60 6.730,70
150 260 815 640 6.063,60 3.031,80 10.096,10
200 310 815 640 8.402,10 4.201,10 13.461,40
TK.1150 50 190 1210 908 3.495,00 1.785,00 6.789,00 100 400
100 240 1210 908 7.996,00 4.281,00 13.577,00
150 290 1210 908 12.696,00 6.952,00 20.366,00
200 340 1210 908 17.457,00 9.695,00 27.155,00
TK.1340 50 190 1420 1100 4.542,80 2.271,40 9.842,30 100 400
100 240 1420 1100 10.639,40 5.319,70 19.684,60
150 290 1420 1100 17.147,10 8.573,50 29.526,90
200 340 1420 1100 23.831,50 11.915,70 39.369,20
TK.1700 50 190 1770 1420 8.113,80 4.056,90 15.946,80 100 300
100 240 1770 1420 18.951,20 9.475,60 31.893,50
150 290 1770 1420 30.480,20 15.240,10 47.840,30
200 340 1770 1420 42.301,80 21.150,90 63.787,00
TK.2000 50 260 2085 1700 8.587,40 4.293,70 23.004,10 100 300
100 310 2085 1700 20.713,90 10.356,90 46.008,20
150 360 2085 1700 34.103,80 17.051,90 69.012,30
200 410 2085 1700 48.132,40 24.066,20 92.016,40
TK.3080 50 260 3170 2760 24.318,60 12.159,30 51.035,20 100 250
100 310 3170 2760 57.331,50 28.665,80 102.070,30
150 360 3170 2760 92.790,20 46.395,10 153.105,50
200 410 3170 2760 129.340,00 64.670,00 204.140,70
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Morphologie du moteur et directives d'application

Les moteurs TK se composent de :
Un stator triphasé, bobiné et imprégné (3 cycles de trempage, solution préférée pour les cycles thermiques élevés), ou encapsulé sous vide dans un composé à très haute conductivité thermique (pour les opérations à basse température de surface), qui est soit intégré dans un micro-cadre en acier mince, cylindrique, soit dans un cadre métallique portant les chambres de refroidissement, les joints toriques d’accouplement à l’extérieur et un ensemble de trous taraudés d’un côté (type Squid).

Les unités microframe sont rectifiées à la tolérance h7 sur le diamètre extérieur et sont usinées parallèlement sur les deux côtés de l’empilement.
Cette construction est destinée à un ajustement serré ou à un verrouillage par pression axiale.

La technologie des microcadres maximise l’utilisation de l’espace dans l’assemblage et exige que le corps de la machine porte les cavités de refroidissement à l’intérieur.
Elle nécessite un certain soin dans la conception de l’application, mais permet d’obtenir aujourd’hui l’espace et la densité de puissance les plus élevés possibles.

Par ailleurs, le cadre SQUID est beaucoup plus simple à utiliser et ne nécessite qu’une cavité cylindrique, tandis que l’assemblage et la fixation du moteur se font simplement à l’aide d’un jeu de vis.
La densité de couple obtenue est légèrement inférieure à celle du microcadre en raison de la taille radiale du cadre.

Le système d’isolation des moteurs est réalisé en classe H (fil magnétique : classe C) avec un isolement renforcé spécialement conçue pour la DV/dt élevée typique de l’application des servomoteurs 600 Vdc ; les enroulements sont équipés de trois capteurs PTC pour la protection et d’une sonde de température linéaire PT1000 pour la surveillance du processus.

Le point neutre de l’enroulement est généralement disponible à des fins de filtrage. Tous les enroulements sont testés en usine pour une isolation de 4,5 kVdc des enroulements vers la terre et de 3 kVac entre les phases, ce qui dépasse largement les exigences réglementaires.

Un rotor à aimants permanents, de forme tubulaire et isotrope à la base, qui porte les aimants sur la périphérie extérieure, protégé par un anneau en fibre de carbone préchargé (autorisant une vitesse périphérique jusqu’à 150 m/sec).

Les aimants sont généralement des aimants sinterisés FeNdB à haute température et à haute énergie, fabriqués par Phase Motion Control à l’aide d’une technologie spéciale brevetée. Ils sont conçus pour la température maximale de la classe et il est pratiquement impossible de les démagnétiser, sauf en cas de défaillance de l’entraînement ou de mauvais fonctionnement. Si une exposition continue à l’huile est prévue, des aimants spéciaux résistants à l’huile peuvent être spécifiés.

Le rotor peut être fixé sur l’arbre soit par ajustement serré, soit par une série de boulons axiaux.
Cette dernière construction est préférée pour les applications à couple élevé et à faible vitesse, telles que les tables rotatives.
En général, le profil intérieur du rotor est personnalisé pour répondre aux besoins de la machine, à condition que le profil requis soit compatible avec le trou maximum requis par le champ magnétique, et spécifié dans les fiches techniques jointes.
Pour un fonctionnement correct, les moteurs ont besoin d’un capteur de position sur l’arbre (non fourni) à la fois pour l’orientation du champ et pour le contrôle de la position/vitesse.
Le rotor est de type à aimant permanent et n’a pas de pertes primaires, de sorte qu’aucun refroidissement du rotor n’est en principe nécessaire.
Cependant, la fréquence du hacheur de l’onduleur doit être réglée suffisamment haut pour que le courant d’ondulation, pk-pk, soit inférieur à 20 % du courant efficace nominal afin d’éviter l’apparition de pertes inacceptables et dangereuses au niveau du rotor.

Des carcasses personnalisés avec refroidissement intégré ou même des sous-ensembles partiels de machine avec roulements et codeurs sont fabriqués sur demande sur la base des circuits magnétiques standard disponibles.
Les rotors sont fournis non équilibrés ; le fonctionnement à grande vitesse nécessite un équilibrage dynamique lors du montage sur l’arbre de l’application.

En fonction de leur géométrie et de leur circuit magnétique, les moteurs TK peuvent être divisés en trois branches principales:

_Moteurs à anneau mince et à grand diamètre pour un couple élevé et une faible vitesse (moteurs couples)

Applications typiques :

  • Tables rotatives pour machines-outils à CN, souvent avec capacité de tournage
  • Indexeurs pour machines de transfert
  • Orientation de la tête de la machine CN
  • Grandes tables rotatives (verre, emballage, assemblage)
  • Machines de dépôt de fibres de carbone
  • Entraînement direct de broyeurs (béton, céramique, caoutchouc)
  • Grands générateurs à faible vitesse (mini hydro, énergie éolienne)
  • Formage des métaux : presse électrique et pliage
  • Machines d’injection de plastique à entraînement direct

Dans toutes ces applications, l’entraînement direct élimine le jeu et supprime la nécessité d’une boîte de vitesses mécanique précise, qui limiterait à son tour la précision et les performances dynamiques du système.
Les freins-diviseurs mécaniques sont inutiles.
La précision de la table est celle du système d’encodage.
Le système est donc extrêmement simple, flexible et reprogrammable.
La suppression du système de transmission, de son jeu et de son élasticité permet d’obtenir une bande passante de contrôle allant jusqu’à 250 Hz, de sorte qu’un cycle de positionnement peut être réalisé avec une grande précision en quelques ms, ce qui permet de réduire le temps de cycle de la machine.
Pour garantir des performances d’asservissement adéquates dans les applications de haute précision et de grande rigidité à entraînement direct, telles que l’indexation et les tables rotatives dans les machines-outils à commande numérique, le capteur doit être sinusoïdal afin que l’entraînement puisse interpoler la position réelle avec une résolution au moins dix fois supérieure à la précision requise.
En outre, la fixation du capteur ou le support à ressort doit avoir une fréquence de résonance intrinsèque supérieure à 2000 Hz afin de ne pas limiter les performances globales du système.

_Moteurs de broches pour fraises et tours

moteurs longs et minces, sans balais avec capacité de contrôle du flux, vitesse moyenne à élevée, densité de puissance élevée, adaptés à l’usinage lourd ou au contrôle de charges d’inertie importantes pour l’enroulement/déroulement de bobines.
Les moteurs TK ont actuellement la densité de puissance la plus élevée et permettent la fabrication d’électrobroches avec des couples jusqu’ici inégalés, de l’ordre de plusieurs milliers de Nm, tout en atteignant des vitesses élevées de l’ordre de plusieurs milliers de tours par minute.
Les moteurs de type broche sont de toute façon des servomoteurs à haute performance, de sorte qu’un autre domaine d’application émergent est l’actionnement à cycle très court.
Les applications récentes concernent l’entraînement direct du coulisseau d’une presse de poinçonnage à tourelle à grande vitesse, avec des taux de course supérieurs à 300 coups/min, ou l’indexation rapide et lourde dans les machines à souder à cadre métallique.

Applications typiques :

  • Tours à forte puissance pour l’automobile
  • Moteurs de broche pour le fraisage et les centres d’usinage à grande vitesse
  • Fabrication de grilles métalliques

_Moteurs tubulaires, de petit diamètre, pour unités à broches multiples

Applications typiques :
  • Moteurs haute vitesse/puissance où l’espace latéral (pas) est limité
  • Têtes de forage multiples
  • Tours de type suisse
Taille standard des câbles de raccordement par rapport au courant nominal du moteur
PTFE insulation, 2500 Vac, L=500 mm
Nominal current Wire size
In < 15 Arms 1.22 mmq = AWG 16
15 Arms <= In< 25 Arms 2.97 mmq = AWG 12
25 Arms <= In< 45 Arms 8.6 mmq = AWG 8
45 Arms <= In< 82 Arms 15 mmq
82 Arms <= In< 110 Arms 25 mmq
110 Arms<=In< 200 Arms 50 mmq

Comment choisir le moteur TK optimal ?

Il faut d’abord définir la faisabilité technique de l’application.
En général, tous les moteurs partagent la même limitation physique, à savoir la capacité de générer une « poussée d’entrefer », c’est-à-dire une poussée latérale entre le stator et le rotor qui est une poussée linéaire dans un moteur linéaire et qui devient un couple lorsque le moteur est rond.
La quantité de poussée par unité de surface dépend de la technologie du moteur mais est fondamentalement limitée par les propriétés des matériaux (aimants, cuivre, acier) utilisés dans les moteurs.
La technologie PM offre la poussée spécifique la plus élevée disponible aujourd’hui, et cette valeur est progressivement augmentée au fur et à mesure que la technologie s’améliore.
De nombreux facteurs (conditions de refroidissement, taille, épaisseur de l’entrefer, vitesse linéaire, etc.) influencent cette valeur, qui ne doit être utilisée qu’à titre indicatif.
Les moteurs rotatifs Tk et les moteurs linéaires Wave se caractérisent par une poussée maximale d’environ 8000 N/m2, et une poussée continue avec refroidissement par eau d’environ 5500 N/m2.

La limitation de la poussée explique pourquoi il convient toujours d’utiliser le diamètre maximal disponible pour maximiser le couple de sortie.
En général, si un moteur est dimensionné en diamètre, le couple est dimensionné avec le carré du diamètre, alors qu’il n’est dimensionné que linéairement en longueur.
Par conséquent, pour vérifier si une nouvelle application est réalisable, si l’on s’attend à ce que la disponibilité du couple soit une limitation, le diamètre maximal disponible doit être déterminé en fonction de la limitation physique et de la vitesse périphérique maximale (les valeurs inférieures à 150 m/sec ne posent pas de problème) et la surface de l’entrefer peut alors être évaluée.
Cela donnerait une estimation approximative de la longueur du moteur et indiquerait donc si l’application est réalisable ou non.

Les grandes bagues dont la longueur axiale est très limitée constituent la solution la plus efficace pour les applications à couple élevé et à faible vitesse, et elles présentent l’avantage supplémentaire de ne pas nécessiter de roulements séparés puisqu’elles peuvent généralement être portées par les mêmes roulements que la charge.
Cependant, l’inertie augmente avec le cube du diamètre, de sorte que où l’inertie est la charge dominante, les moteurs longs et fins sont plus appropriés. Un exemple typique est l’entraînement direct du coulisseau des poinçonneuses à grande vitesse, dans lesquelles le mouvement est inversé plus de 300 fois/min, ou dans les cisailles volantes à grande vitesse ; dans ce cas, les moteurs tubulaires TK refroidis à l’eau constituent la solution la plus performante.

Les entraînements de broche exigent généralement un couple et une vitesse élevés, mais le diamètre est généralement limité, de sorte qu’ils ont tendance à être longs et minces.
Des rapports diamètre/longueur des trous d’entrefer allant jusqu’à 1:3 sont couramment fabriqués.
Dans ce cas, la technologie de l’aimant Phase PM permet de fabriquer des stators et des rotors extrêmement fins, particulièrement utiles dans les applications multibroches.

Les moteurs PM de broche fabriqués avec la technologie de phase magnétique à haute fréquence peuvent fonctionner à la fois en mode couple constant et en mode puissance constante.
La plage de puissance constante, selon le type, peut dépasser 10:1, bien que cela soit généralement limité par la capacité de l’entraînement sélectionné à contrôler une plage de défluxage profonde.

Par rapport aux moteurs de broche à induction à courant alternatif, la conception du moteur à aimants permanents offre :

  • Couple nominal approximativement doublé dans la même taille
  • Arbre creux plus grand par rapport au diamètre extérieur
  • Les pertes ne sont limitées qu’au stator, le rotor est « froid », ce qui permet aux roulements de fonctionner de manière plus précise et plus fiable.
  • Rotor solide, « mécanique » (non laminé) qui garantit la stabilité de l’équilibrage.
  • Large plage de contrôle de la puissance constante (jusqu’à 10:1) sans changement de câblage.
  • Absence de flux radial pouvant générer des courants dans les roulements

Dans la technologie des moteurs TK de Phase, il n’y a pas de différence physique fondamentale entre les moteurs couples et les moteurs de broche ; ils ont la même stabilité et une bande passante élevée nécessaires à l’indexation et au contournage par entraînement direct, de sorte que les opérations de fraisage et de tournage sur le même moteur sont désormais possibles.

Il existe toutefois une différence fondamentale entre les entraînements de broches à PM et à induction.
Dans la technologie de l’induction, l’énergie est utilisée pour magnétiser le moteur (à faible vitesse, couple élevé), ce qui se traduit par un couple de sortie disponible limité ; la réduction du flux est facilement obtenue en réduisant simplement le courant de magnétisation.

Le moteur est donc « chaud » à charge maximale et « froid » à vide.
Les moteurs PM, à l’inverse, tirent leur champ d’aimants permanents à haute énergie, de sorte qu’aucune puissance n’est nécessaire pour créer le champ du moteur et qu’une plus grande puissance peut être consacrée à la génération du couple.
Cependant, lorsque le flux doit être réduit, une puissance doit être appliquée juste pour abaisser le champ, de sorte que les moteurs PM à haute vitesse ont besoin d’un certain courant, même à vide.

Une courbe typique de puissance et de couple en fonction de la vitesse est présentée à la Fig.
1 pour un moteur combiné couple/broche de 570 mm de diamètre et 100 mm de longueur axiale.
2, la température du moteur à vide et à pleine charge est affichée.
On peut observer qu’au-dessus de la « vitesse de genou », c’est-à-dire la vitesse de transition entre le fonctionnement à couple constant et le fonctionnement à puissance constante, la température du moteur devient progressivement indépendante de la charge du moteur.

Assemblage mécanique, contrôle de l'entrefer et attraction magnétique

Une autre caractéristique utile de la technologie PM est la possibilité de fonctionner avec un large entrefer, jusqu’à plusieurs millimètres pour les moteurs les plus importants.
Cette caractéristique peut être utile dans les machines présentant d’importantes déformations, telles que les presses à injection de plastique ou les marteaux à percussion.
En règle générale, l’entrefer est de l’ordre de 1 mm, dans le sens radial, ce qui permet de concevoir des modèles dans lesquels le moteur repose sur les supports de la machine sans nécessiter de roulements séparés.
Le flux magnétique dans le rotor génère des forces d’attraction radiales.

Ceux-ci ne sont parfaitement équilibrés que si le rotor se trouve au centre du stator, et augmentent avec l’excentricité.
Dans la pratique, cela équivaut à une « rigidité négative » qui doit être compensée par une rigidité positive beaucoup plus élevée dans le système de roulements.
Les données d’attraction peuvent être fournies sur demande, l’ordre de grandeur est indiqué dans le graphique de la Fig.
3, pour un moteur-couple de 1000 Nm, 370 mm de diamètre, 105 mm de long avec un entrefer radial de 1 mm.

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