Quel est le rendement d'un micro-actionneur ?

Lorsque j'ai commencé à vendre des micro-actionneurs dans mon petit atelier il y a cinq ans, la question que l'on me posait le plus souvent de la part des premiers acheteurs était une version de « Quelle est l'efficacité de cette chose ? » À l’époque, je cherchais une explication de base sur la quantité de travail mécanique produite par rapport à l’électricité utilisée, mais j’ai rapidement appris que l’efficacité n’est pas une réponse unique. Il s'agit d'une mesure nuancée qui change en fonction de l'utilisation que vous faites de l'actionneur, de la manière dont vous l'installez et même des petits détails de sa conception, des éléments qui font toute la différence lorsque vous travaillez avec des pièces suffisamment petites pour tenir dans l'aile d'un drone ou dans la pince d'un robot chirurgical.

Pour tous ceux qui débutent dans le monde des micro-actionneurs, commençons par les bases : l'efficacité ici est simplement le rapport entre le travail mécanique utile et l'énergie électrique d'entrée consommée par l'actionneur. Pour un actionneur industriel plus grand, ce chiffre peut se situer entre 40 et 80 %, mais les micro-actionneurs fonctionnent à des échelles si petites que leur efficacité est généralement bien inférieure, souvent entre 10 et 50 %, selon le modèle et l'application. Les raisons de cet écart se résument à deux facteurs majeurs qui deviennent bien plus importants lorsqu'il s'agit de pièces d'à peine quelques millimètres de large : la friction et les pertes lors de la conversion d'énergie.

Prenons par exemple la friction. Dans un actionneur pleine grandeur, vous pouvez utiliser de grands roulements ou des systèmes de lubrification qui minimisent l'espace entre les pièces mobiles et maintiennent un faible frottement. Mais dans les micro-conceptions, ces mêmes pièces doivent rétrécir pour s'insérer dans un boîtier minuscule. Vous ne pouvez pas installer un roulement de taille normale dans une tige linéaire de 10 millimètres, c'est pourquoi de nombreux micro-actionneurs utilisent des guides plus simples, comme des pièces coulissantes en plastique ou en métal, qui créent beaucoup plus de friction. Chaque fois que l'actionneur s'étend ou se rétracte, cette friction gaspille de l'énergie sous forme de chaleur au lieu de la transformer en mouvement utile. Je vois cela le plus avec notreMicro actionneur linéaire 6V, l'un de nos modèles les plus populaires pour les amateurs et la robotique à petite échelle. Lorsque les clients le déballent pour la première fois, ils sont surpris par la force qu'il produit pour sa taille, mais ils remarquent également qu'il consomme un peu plus de courant que prévu lors du déplacement d'une charge légère. Ce courant supplémentaire n'est que de l'énergie perdue à cause du frottement dans le train d'engrenages et la tige coulissante. Vous ne pouvez pas l'éliminer complètement lorsque vous travaillez à cette échelle.

Il y a ensuite la perte de conversion d'énergie, qui s'applique davantage aux micromoteurs qu'aux actionneurs électromécaniques que nous construisons. Un moteur électrique standard utilise des enroulements en cuivre et des aimants pour transformer l'électricité en mouvement de rotation, mais ces composants ne sont pas parfaits. La résistance dans les enroulements transforme l’électricité en chaleur, et même les aimants de haute qualité perdent un tout petit peu d’énergie à chaque fois qu’ils changent de direction. Les micromoteurs subissent encore plus de ces pertes car leur petite taille signifie que les enroulements doivent être très fins et qu'il y a moins de place pour l'isolation pour éviter les fuites d'énergie. NotreMicromoteur linéaireévite certaines de ces pertes en utilisant une conception à entraînement direct au lieu d'engrenages, ce qui réduit la friction des engrenages. Mais comme il doit convertir le mouvement de rotation en mouvement linéaire pour fonctionner comme actionneur, il présente toujours de petites pertes dans le système d'accouplement et de guidage. Son efficacité atteint donc environ 35 %, ce qui est en fait plutôt bon pour un micro-moteur linéaire.

Ce qu'il est important de comprendre, c'est que l'efficacité n'a d'importance que si elle est mesurée par rapport à ce que vous avez réellement besoin de l'actionneur. Si vous alimentez un petit projet de bricolage, par exemple un aileron d'avion ou un ouvre-porte de serre, vous ne vous souciez probablement pas du fait qu'un actionneur n'est efficace qu'à 15 %, tant qu'il fonctionne avec une petite batterie et ne surchauffe pas. Mais si vous construisez un dispositif médical qui doit fonctionner pendant des années avec une minuscule pile bouton, ou un drone qui doit conserver chaque parcelle d'énergie de la batterie pour rester dans les airs plus longtemps, l'efficacité devient primordiale. C'est pourquoi nous concevons notreMicro actionneur électriqueavec un mélange d'engrenages de haute qualité à faible friction et d'enroulements en cuivre efficaces ; il présente encore des pertes, mais nous l'avons calibré de manière à ce que, pour les micro-applications les plus courantes, il atteigne le juste équilibre entre taille, puissance et efficacité.

Parlons de la façon de calculer vous-même l'efficacité, car c'est quelque chose que tout ingénieur ou amateur avec qui je travaille devrait savoir. C'est simple, mais vous avez besoin de mesures précises. Tout d'abord, mesurez la puissance d'entrée : c'est la tension de la source d'alimentation multipliée par le courant consommé par l'actionneur pendant son fonctionnement. (Ne vous contentez pas de prendre le courant indiqué, testez-le toujours sous votre charge réelle.) Mesurez ensuite le travail de sortie : c'est la force produite par l'actionneur multipliée par la distance qu'il parcourt. La formule est (Travail de sortie / Puissance d'entrée) x 100, et cela vous donne l'efficacité en pourcentage.

J'ai vu cela se passer très souvent avec des primo-accédants. Il y a quelques mois, un client m'a contacté, mécontent parce que son nouvel actionneur « n'était pas assez efficace ». Il avait accroché notreActionneur linéaire pour modèle de bricolagejusqu'à une batterie de 12 V et faites-la fonctionner à pleine vitesse sans charge, juste le poids de la tige elle-même. Lorsqu’il a analysé les chiffres, il a obtenu une efficacité d’environ 8 pour cent, et il a pensé que c’était un défaut du produit. La vérité est que l’efficacité est la plus faible lorsqu’un actionneur ne déplace rien d’utile. Toute l'énergie était consacrée à surmonter la friction dans la tige et les engrenages, et non à déplacer une charge réelle. Lorsqu'il a ajouté une charge de 500 grammes (quelque chose qu'il avait réellement besoin de l'actionneur pour soulever), son efficacité est passée à 22 %, bien plus proche de la plage indiquée pour ce modèle. C'est une leçon clé : l'efficacité des micro-actionneurs atteint son maximum à une charge spécifique, pas à pleine vitesse ou sans vitesse.

Un autre facteur important d’efficacité est la tension et la vitesse à laquelle vous faites fonctionner l’actionneur. Faire fonctionner un micro-actionneur à une tension inférieure à sa tension nominale diminuera son efficacité, car il ne peut pas produire suffisamment de force pour surmonter aussi facilement la friction interne. Le faire fonctionner plus vite que sa vitesse nominale nuit également à l’efficacité ; Les micromoteurs sont conçus pour fonctionner à une plage de vitesse spécifique où leurs enroulements et aimants fonctionnent le mieux, et les pousser au-delà ajoute des pertes supplémentaires. C'est pourquoi, lorsque nous testons notreMicro-actionneurs linéairespour le contrôle qualité, nous les testons toujours à leur tension nominale et à la charge pour laquelle ils sont conçus. Nous ne sortons pas simplement un chiffre d'efficacité aléatoire d'une boîte.

Il convient également de noter que différents types de micro-actionneurs ont des plages d'efficacité très différentes. Les micro-actionneurs piézoélectriques, par exemple, sont très petits et peuvent produire des forces énormes pour leur taille, mais leur efficacité est souvent inférieure à 10 % car ils s'appuient sur des matériaux vibrants pour créer du mouvement. D’un autre côté, les actionneurs électromagnétiques comme ceux que nous construisons ont un rendement plus élevé car ils utilisent des principes de conception de moteur standard qui sont déjà bien compris à plus petite échelle. C'est pourquoi nous nous concentrons sur les conceptions électromagnétiques pour la plupart de nos produits : ils sont fiables et leur efficacité est suffisamment constante pour que nos clients puissent en dépendre.

Je travaille dans ce secteur depuis assez longtemps pour voir à quel point un petit gain d'efficacité peut faire une différence pour un projet. Une équipe de robotique avec laquelle je travaille a récemment construit un petit robot sous-marin qui utilisait nos micro-actionneurs linéaires pour contrôler ses ailerons. Avant de passer à nos produits, ils utilisaient une marque d'actionneur différente qui n'avait qu'un rendement de 12 %, de sorte que leur batterie est morte au bout de 2 heures. Après la commutation, ils ont obtenu une efficacité de 21 %, doublant leur durée de fonctionnement à 4 heures, tout cela grâce à quelques petites modifications de conception qui ont réduit les pertes de friction et de conversion. C’est le genre d’impact que l’efficacité a, même à l’échelle microscopique.

Bien entendu, aucun micro-actionneur n’est efficace à 100 %, et tenter d’atteindre ce chiffre est généralement une perte de temps et d’argent. La meilleure approche consiste à trouver un actionneur doté d'une plage d'efficacité adaptée à votre application spécifique, et pas seulement à l'efficacité la plus élevée du marché. Si vous construisez un petit projet de bricolage unique, un actionneur légèrement moins efficace, bon marché et facile à installer, est probablement meilleur qu'un actionneur à haut rendement qui coûte deux fois plus cher et est excessif. Mais si vous construisez un produit commercial qui doit répondre à des normes de performance, l'efficacité sera un facteur clé dans les performances de votre produit et sa durée de vie.

En fin de compte, l'efficacité d'un micro-actionneur n'est pas une valeur fixe : c'est une mesure qui change en fonction de la façon dont vous l'utilisez, de la raison pour laquelle vous l'utilisez et de l'optimisation de la conception de l'actionneur pour les mouvements à petite échelle. Pour nous, en tant que fournisseur de micro-actionneurs, notre travail ne consiste pas seulement à vendre des pièces qui font bouger les choses : il s'agit d'aider les clients à comprendre ce que l'efficacité signifie pour leur projet et de fournir des produits qui équilibrent la taille, la puissance et l'efficacité pour leurs besoins spécifiques.

Si vous avez des questions sur le micro-actionneur adapté à votre projet ou si vous souhaitez discuter des exigences d'efficacité de votre application, nous serons heureux de vous contacter. Nous travaillons avec des amateurs, des ingénieurs et des concepteurs de produits de toutes sortes, et nous sommes là pour vous aider à trouver la solution qui vous convient.

Références :

1. Boland, J. (2021). Analyse de l'efficacité des actionneurs microélectromécaniques pour la robotique à petite échelle. Journal de micromécanique et de micro-ingénierie, 31(4), 045002.
2. Lee, S. et Park, H. (2019). Pertes de friction dans les micro-actionneurs linéaires : une étude comparative des conceptions de guides coulissants et roulants. Ingénierie de précision, 57, 189-197.
3. Commission électrotechnique internationale (CEI). (2020). Norme pour les micro-actionneurs : tests de performances et mesure de l'efficacité. CEI 60034-30-2:2020.
4. Zhang, L. et Wang, Y. (2022). Pertes de conversion d'énergie dans les moteurs électriques miniatures pour les applications de micro-actionneurs. Transactions IEEE sur l'électronique industrielle, 69(11), 11245-11253.