Les entraînements directs transmettent le mouvement sans qu’un composant mécanique n’intervienne sur le système ou l’objet qu’il doit entraîner. Par conséquent, il n’a aucun lien de type transmission ou transducteur de mouvement entre la machine électrique qui transforme et fournit de l’énergie et la machine dite de travail qui reçoit l’énergie transformée. Par conséquent, la machine de travail et la machine d’entraînement sont directement couplées l’une après l’autre. Les régimes du moteur et de la machine de travail sont ainsi alignés l’un sur l’autre, le moteur étant l’unité qui s’adapte. Les machines de travail utilisées en entraînement direct, qui sont pour la plupart des moteurs électriques, sont souvent, dans ce contexte, conçues spécifiquement. Le couple ou plutôt la force nécessaire doit également être fourni par le moteur. L’énorme intérêt dont l’entraînement direct fait l’objet émane en particulier de sa caractéristique première, à savoir qu’il crée les conditions favorables pour un très court chemin entre électronique et mécanique.
L’entraînement direct : dynamique, compact et rentable
Sa forme légère et compacte et son faible nombre de composants mécaniques, comme les transmissions, évitent les coûts d’entretien élevés, de réparation et d’énergie. Dans le même temps, cela garantit une utilisation de longue durée de l’entraînement direct. Par ailleurs, l’entraînement direct se caractérise par sa grande qualité, une disponibilité maximale et une usure minimale, ainsi qu’un fonctionnement silencieux. Le lien direct entre le moteur et la machine de travail évite tout inconvénient tel que le jeu ou les élasticités. L’entraînement offre ainsi davantage de précision et de fiabilité. Par ailleurs, l’entraînement direct dispose d’une très haute disponibilité en raison de son plus petit nombre d’éléments intermédiaires mécaniques, mais également d’une grande rigidité due au renforcement dans le circuit de régulation.
Comme l’entraînement direct ne recourt à aucun transducteur de mouvement, le moment d’inertie se trouve nettement réduit. Par rapport aux formes classiques d’entraînement, les entraînements directs disposent donc d’une plus grande dynamique. Ceci engendre des effets positifs sur d’autres propriétés de l’entraînement comme notamment un court temps de latence et une vitesse résiduelle élevée. En résultent une extrême efficacité et une très grande effectivité de l’unité d’entraînement.
L’entraînement direct dans la pratique
Afin d’atteindre les caractéristiques citées dans la pratique, les entraînements directs sont intégrés dans des systèmes d’entraînement spécifiques. Des commandes pilotes peuvent permettre de réguler avec précision la taille de systèmes tels que le couple et le régime de manière à ce que l’utilisateur du système obtienne une solution optimale et constructive. En raison de l’énorme puissance volumique des entraînements directs, d’importants réchauffements de l’entraînement peuvent se produire dans certaines conditions, et doivent souvent être corrigés au moyen de systèmes de refroidissement adaptés. En outre, il convient de prendre en compte qu’il n’y a dans ce cas pas d’arrêt automatique. Selon l’application, il est possible de recourir à des freins pour contrer cette problématique. Par rapport aux entraînements à transmission, l’entraînement direct est de plus grande taille et plus lourd. D’un point de vue de la consommation d’électricité plus élevée et de la très grande perte de chaleur, les grands régulateurs s’avèrent plutôt désavantageux.
Les moteurs linéaires et moteurs couple, comme base de l’entraînement direct
Les moteurs linéaires translationnel et les moteurs couples rotatifs sont souvent la base des entraînements directs et ont en principe un fonctionnement similaire. Le moteur couple est une forme particulière de l’entraînement direct. Il est conçu comme un moteur synchrone avec un grand nombre de pôles et produit ainsi un plus grand couple que le moteur synchrone doté d’un plus petit nombre de pôles. Mais le régime maximal est plus bas qu’avec le moteur synchrone avec moins de pôles. Les moteurs couple sont utilisés dans les domaines qui requièrent un couple élevé et un régime bas — par exemple pour venir remplacer l’association habituelle de transmission et de moteur électrique.
Les avantages du moteur couple correspondent à ceux d’un entraînement direct. Les moteurs couple sont souvent dotés d’un refroidissement à eau externe afin d’augmenter la puissance volumique. Celle-ci est, d’une part, onéreuse, présente cependant l’avantage de permettre une température constante dans la pièce de travail. Une température constante est une condition essentielle et indispensable dans le cas des machines-outils de haute précision telles que les fraiseuses à plusieurs axes.
Les moteurs couple appartiennent au groupe des moteurs à faible vitesse du fait du grand nombre de pôles qu’ils possèdent et de leur régime. Au regard de leurs valeurs de performance, les moteurs à régime élevé comme les moteurs de broche se rapprochent des moteurs à faible vitesse. Contrairement aux machines rotatives, les moteurs linéaires ne mettent pas les objets en mouvement, mais les placent plutôt dans une trajectoire linéaire ou courbe. Les entraînements directs rotatifs et les linéaires disposent tous deux, en plus de leur type de moteur respectif, d’un système de mesures et d’un convertisseur de fréquences.
Les moteurs couple et linéaires peuvent utiliser des principes très variés pour générer de la force et du couple ; ils englobent d’un point de vue physico-technique notamment les moteurs asynchrones, les moteurs synchrones à excitation permanente et les moteurs pas à pas. Toutes les formes et conceptions de l’entraînement direct ont cependant un point commun : la transmission directe du mouvement.
Les domaines d’application de l’entraînement direct
En matière de spectre d’application des entraînements directs, on peut constater de nettes différences entre les moteurs à faible vitesse d’une part et les moteurs à régime élevé d’autre part. Les moteurs à faible vitesse dotés de nombreux pôles disposent ainsi d’un plus grand diamètre et sont donc souvent utilisés dans les applications de plus grande taille. Pour exemple, on les trouve notamment dans les centrales hydroélectriques ou les éoliennes avec un diamètre d’environ 5 m. Les moteurs couple qui appartiennent au groupe des moteurs à faible vitesse sont particulièrement adaptés aux tâches de positionnement rapides et précises qui exigent une très grande capacité d’adaptation. Ce sont par exemple les machines-outils, les servopresses et les servovalves, mais aussi le domaine de la navigation intérieure.
Les entraînements directs à vitesse rapide en revanche sont le plus souvent utilisés dans des applications qui requièrent un régime élevé. Les entraînements de broche pour machines textiles et équivalentes sont montés directement à l’intérieur de la broche. Les pompes turbomoléculaires, les pompes à vide et les turbocompresseurs électriques bénéficient eux aussi des caractéristiques marquées des moteurs à régime élevé.
On trouve encore des entraînements directs dans d’autres applications telles que les centrifugeuses qui sont surtout utilisées dans le domaine de la chimie ou de la médecine. Par ailleurs, des objets du quotidien comme les ventilateurs, les mixeurs et les aspiro-souffleurs ou du moins leur fonctionnement reposent sur la technique de l’entraînement direct.