Le choix d'un moteur est essentiel pour faire fonctionner efficacement des pompes miniaturisées dans les tâches exigeantes liées au débit ou à la pression/dépression. Toutefois, les considérations de conception peuvent se révéler complexes, compte tenu du large éventail d'applications et de besoins quant à l'optimisation du rapport prix/performance.

Par Dave Beckstoffer, Portescap

Des analyseurs de sang aux échantillonneurs de gaz et aux concentrateurs d'oxygène, et des appareils de diagnostic de table aux dispositifs médicaux portables, il existe une multitude de produits différents qui s'appuient sur des pompes miniaturisées pour déplacer un fluide ou créer soit une pression soit un vide. Bien que de nombreux paramètres de conception du produit final puissent être adaptés par le choix voire la personnalisation de la pompe, c'est le moteur de cette dernière qui est essentiel pour optimiser les performances du système.

Le choix du moteur le plus approprié pour entraîner ces pompes miniaturisées exige de l'ingénieur concepteur qu'il se concentre non seulement sur les paramètres clés de la pression et du débit, mais aussi sur les exigences souvent contradictoires en ce qui concerne la durée de vie, le bruit, la température, la consommation de courant, le retour d'information et le poids. Et le point d'équilibre entre toutes ces considérations de performance est, bien sûr, le coût.

L'ingénieur concepteur a le choix entre plusieurs technologies de moteurs miniatures, notamment les moteurs à courant continu avec ou sans balais, les moteurs pas-à-pas et les différentes sous-catégories de chacun d'entre eux. Ces différentes technologies présentent chacune des avantages et des inconvénients en ce qui concerne les variables de base de la pompe. C'est l'application individuelle de la pompe qui dictera la pondération de ces critères.

Voyons donc comment cela oriente la décision de l'ingénieur concepteur dans le choix du moteur.

Débit et pression

Le débit ou la pression d'une pompe est le facteur clé du rendement pour l'application. En maximisant le débit ou la pression dans le plus petit format, on obtient un produit final optimal. Les variables décisives pour le moteur sont le couple et la vitesse, qui affectent directement le débit ou la pression de la pompe. Les moteurs pas-à-pas et les moteurs à courant continu à balais ont des vitesses finales inférieures à celles des mêmes moteurs mais sans balais. Certaines sous-technologies peuvent offrir des gains de performance différents. Par exemple, les moteurs pas-à-pas à aimant disque peuvent fonctionner à des vitesses plus élevées tandis que les moteurs à courant continu sans balais à encoches peuvent offrir un couple plus élevé.

Portescap propose une gamme étendue de produits pour moteurs spécialisés et minimoteurs du secteur, couvrant les technologies des moteurs DC à balais sans fer, DC sans balais, pas-à-pas "can stack", réducteurs, actionneurs linéaires numériques, et à aimant disque. Ces produits répondent à diverses exigences de contrôle de mouvement pour un vaste éventail d’applications médicales et industrielles.

Le débit ou la pression détermine le point de fonctionnement, c'est-à-dire le couple nécessaire à une vitesse donnée. Une application de pompe chimique peut nécessiter un débit différent en fonction du produit chimique spécifique pompé. Le point de fonctionnement requis peut recouper plusieurs technologies de moteurs, de sorte que les autres exigences de l'application sont alors prises en compte.

La durée de vie opérationnelle peut être une considération clé pour l'application. Les produits médicaux, tels que les concentrateurs d'oxygène et les appareils d'anesthésie, exigent que la pompe assure de nombreuses heures de fonctionnement sans dégradation des performances, ce qui a une incidence sur le choix du moteur. Contrairement aux moteurs à commutation électronique, les moteurs à noyau de fer et les moteurs sans noyau utilisent des balais pour leur commutation, qui s'usent avec le temps en raison des frottements et des arcs électriques. La durée de vie du moteur est dictée par le matériau des balais utilisés. Des options sont disponibles pour prolonger la durée de vie des balais, y compris des métaux précieux. En général, avec leur conception à bobines en couches, les moteurs sans noyau durent jusqu'à quatre fois plus longtemps que les moteurs à noyau de fer. Toutefois, lorsqu'il s'agit d'assurer une durée de vie longue, les ingénieurs concepteurs sont mieux servis par les moteurs sans balais à courant continu et les moteurs pas-à-pas.

Au-delà de la commutation, ce sont les roulements qui constituent le principal point d'usure commun à tous les moteurs. Deux principaux types de roulements sont disponibles : à paliers lisses et à roulements à billes. Les paliers lisses ont une force et une durée de vie plus faibles (environ 3 000 heures), mais un coût moindre. Les roulements à billes offrent une durée de vie nettement plus longue (environ 20 000 heures) et supportent des charges radiales et axiales élevées (généralement deux fois plus élevées que les paliers lisses) ; de ce fait, ils sont parfaitement adaptés pour les applications exigeantes telles que les systèmes de traitement médical. L'augmentation de la durée de vie entraîne toutefois un coût plus élevé.

Consommation électrique

Pour les applications alimentées par des batteries, la consommation d'énergie est une considération importante, et l'efficacité du moteur est essentielle. Les moteurs sans encoches ou sans noyau sont les plus efficaces, car la conception unique de leur bobine minimise les pertes mécaniques. Les moteurs à encoches, comme les moteurs pas-à-pas et à noyau de fer, sont les moins rentables, car leur forte teneur en fer produit des pertes électriques importantes.

Un autre avantage de la conception des bobines sans encoches, ainsi que des moteurs sans noyau, est la réduction du poids, ce qui peut être un facteur clé pour les équipements portables tels que les analyseurs de gaz.

La sélection du moteur étant influencée par un si grand nombre de paramètres différents, le choix du produit optimal peut être difficile, et il faut souvent faire des compromis pour satisfaire les différentes exigences spécifiques. Mais, en connaissant les avantages et les inconvénients des différentes technologies, l'ingénieur concepteur peut être sûr de trouver un moteur qui répond à la fois aux exigences de performance et à la sensibilité du prix de l'application.

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