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 élevé 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.

COMMENT CHOISIR LE BON MOTEUR

OUTIL DE CONCEPTION PRÉLIMINAIRE DU MOTEUR

CONFIGURATEUR TK

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

Tous les moteurs TK Torque sont conçus pour un refroidissement par fluide (eau) sur l'extérieur du stator pour une performance maximale. Le refroidissement par conduction/convection est également possible. Le fonctionnement à puissance constante (contrôle du flux) nécessite toujours un refroidissement par eau.

Torque Motor code	Stack [mm]	L tot.[mm]	Øout [mm]	Øin [mm]	Torque (Water Cooled) [Nm]	Torque (Air Cooled)[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

Morphologie du moteur et directives d'application

Les moteurs TK se composent de :
Un stator triphasébobinés et soit imprégnés (3 trempages, solution préférée pour les cycles thermiques élevés), soit encapsulés sous vide dans un composé à très haute conductivité thermique (pour les opérations à basse température de surface), qui est soit intégré dans une micro-carcasse en acier fin, cylindrique, soit dans une carcasse métallique portant les chambres de refroidissement et les joints toriques et un ensemble de trous taraudés sur un côté (type Squid).

Les unités microframe sont rectifiées avec une tolérance h7 sur le diamètre extérieur et sont usinées parallèlement sur les deux côtés du paquet de tôles. Cette construction est destinée à un ajustement serré ou à un verrouillage par pression axiale.

La technologie microframe 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 une certaine attention dans la conception de l’application, mais permet d’obtenir la meilleure densité d’espace et de puissance possible aujourd’hui.

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 par un simple jeu de vis. La densité de couple obtenue est légèrement inférieure à celle de la micro-carcasse en raison de l’épaisseur de la douille.

Le système d’isolation des moteurs est classé en classe H (fil magnétique : classe C) avec une isolement renforcée 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 étoile de l’enroulement est aussi généralement disponible à des fins de filtrage. Tous les enroulements sont testés en usine pour une isolation de 4,5 kVdc à la terre et de 3,5 kVdc phase à phase, bien au-delà des 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 frittés FeNdB haute température et haute énergie, fabriqués à l’aide d’une technologie spéciale brevetée. Ils sont conçus pour la température maximale de la classe et sont pratiquement impossibles à démagnétiser, sauf en cas de défaillance du variateur ou de mauvais fonctionnement. Si une exposition continue à l’huile est prévue, des aimants spéciaux résistant à l’huile peuvent être spécifiés.

Le rotor peut être fixé sur l’arbre soit par ajustement serré, soit par un ensemble de boulons axiaux. Cette dernière construction est préférable 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 s’adapter aux besoins de la machine, à condition que le profil requis soit compatible avec le diamètre interne maximal requis par le champ magnétique, et spécifié dans les fiches techniques correspondantes.
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 aimant permanent et ne présente 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 suffisamment élevée pour garantir que le courant d’ondulation, pk-pk, est inférieur à 20 % du courant efficace nominal afin d’éviter l’apparition de pertes inacceptables et dangereuses dans le 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’un réducteur mécanique précis, qui limiterait à son tour la précision et les performances dynamiques du système. Les diviseurs mécaniques sont inutiles. La précision de la table est alors la précision du capteur de position. 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 achevé avec une grande précision dans un délai de quelques msec, avec un avantage sur le temps de cycle de la machine. Pour garantir des performances d’asservissement adéquates dans les applications de haute précision et de haute rigidité à entraînement direct, telles que l’indexation et les tables rotatives des 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 pour ne pas limiter les performances globales du système.

Moteurs de broches pour fraises et tours

Moteurs longs et fins, sans balais avec capacité de contrôle du flux, vitesse moyenne à élevée, densité de puissance élevée, adaptés à l’usinage lourd ou au contrôle d’inertie élevée pour l’enroulement/déroulement de bobines. Les moteurs TK ont actuellement la densité de puissance la plus élevée et permettent de fabriquer des électrobroches avec un couple jusqu’ici inatteignable, de l’ordre de plusieurs milliers de Nm, tout en atteignant des vitesses élevées de l’ordre de plusieurs milliers de tours/minute. Les moteurs de type broche sont de toute façon des servomoteurs à haute performance. Un autre domaine d’application émergent est donc le positionnement avec des cycles à haute fréquence. Les applications récentes sont l’entraînement direct du coulisseau d’une poinçonneuse 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 les cadres métalliques.

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 ?

Tout d’abord, définissez la faisabilité technique de l’application. En général, tous les moteurs partagent la même limitation physique, c’est-à-dire la capacité à 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.) affectent 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, 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 mis à l’échelle en diamètre, le couple est mis à l’échelle avec le carré du diamètre, alors qu’il n’est mis à l’échelle que linéairement en longueur. Par conséquent, pour vérifier si une nouvelle application est réalisable, si la disponibilité du couple est censée être une limitation, le diamètre maximal disponible doit être déterminé de manière compatible avec la limitation physique et la vitesse périphérique maximale (les valeurs inférieures à 150 m/sec ne posent aucun 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 anneaux de grande taille avec une longueur axiale très limitée sont la solution la plus efficace pour les applications à couple élevé et à faible vitesse. Ils présentent l’avantage supplémentaire de ne pas nécessiter de roulements séparés, car ils peuvent généralement être portés par les mêmes roulements que la charge. Cependant, l’inertie est proportionnelle au cube du diamètre, donc 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 à 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 fins. Des rapports diamètre/longueur des trous d’entrefer allant jusqu’à 1:3 sont couramment fabriqués. Dans ce cas, la technologie des aimants permanents de Phase autorise la fabrication de rotors et stators extrémement fins particulièrement utiles pour les applications multibroche.

Les moteurs de broche à aimants permanents fabriqués avec la technologie magnétique de Phase 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 choisi à contrôler une plage de défluxage profond.

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 moteur à courant continu et à induction. Dans la technologie de l’induction, la puissance est utilisée pour magnétiser le moteur (à faible vitesse, couple élevé), ce qui limite le couple de sortie disponible ; 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 TK, à l’inverse, tirent leur champ d’aimants permanents à haute énergie, de sorte qu’aucune puissance n’est nécessaire pour construire 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, il faut appliquer de la puissance juste pour abaisser le champ, de sorte que les moteurs à aimants permanents à grande 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 ; à la Fig. 2, la température du moteur à vide et à pleine charge est affichée. On peut observer qu’au-delà de la « vitesse nominale », 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 aimants permanents est la possibilité de fonctionner avec un grand entrefer, jusqu’à plusieurs millimètres dans les moteurs les plus grands. Cette caractéristique peut être utile dans les machines présentant d’importantes déformations, telles que les presses à injection de plastique ou le formage par impact. En règle générale, l’entrefer est de l’ordre de 1 mm dans le sens radial, ce qui permet de réaliser des conceptions dans lesquelles le moteur se déplace 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. En pratique, cela équivaut à une « rigidité négative » qui doit être compensée par une rigidité positive beaucoup plus élevée dans le système de roulement. Les données d’attraction peuvent être fournies à la 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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