Evaluation de fiabilité des moteurs CC à balais sans fer (coreless)

INTRODUCTION

Les moteurs cc à balais sans fer convertissent l'énergie électrique en énergie mécanique ; ils sont idéals dans les applications hautes performances qui nécessitent un frottement réduit, une faible tension de démarrage, un haut rendement, une bonne dissipation thermique et des caractéristiques couple-vitesse linéaires. Un moteur cc à balais sans fer miniature est composé d'un rotor sans fer (bobine autoportante), d'un système de commutation en métal précieux ou cuivre et carbone, et d'aimants terres rares ou en Alnico.

Les moteurs cc à balais sans fer sont utilisés dans des dispositifs de plus en plus perfectionnés qui requièrent une densité de puissance supérieure dans un boîtier compact, à l'instar des pompes à insuline ou à perfusion ou des dispositifs d’administration de produits biologiques. Étant donné l'importance particulière de la fiabilité du moteur pour les fabricants, ce livre blanc décrit les étapes de la méthode d'analyse Weibull pour prévoir la durée de vie des moteurs cc à balais sans fer. Pour estimer la durée de vie prévue d'un moteur, l'analyse Weibull utilise un modèle mathématique complexe basé sur les résultats d'essais d'un petit échantillon de moteurs dans des conditions d'utilisation simulées.(Figure 1)

COURBE COUPLE-VITESSE D'UN MOTEUR CC À BALAIS SANS FER

Les caractéristiques d'un moteur cc sont décrites par sa courbe couple-vitesse. Le graphique de la figure 2 représente le couple sur l'axe X et la vitesse sur l'axe Y d'un moteur cc à balais sans fer doté d'un système de commutation en métal précieux.

La ligne de couple continu maximum décrit la limite thermique du fonctionnement continu du moteur en conditions normales. La partie à gauche de la ligne de couple continu maximum représente la zone de service continu et celle à droite, la zone de service intermittent. Dans la zone intermittente, le moteur peut être utilisé pendant une durée qui est limitée par la constante de temps thermique et le niveau de couple développé. Lorsque le moteur approche de la valeur nominale de couple maximum, sa durée de fonctionnement diminue. Tout fonctionnement au-dessus de la limite de couple continu est également affecté par le cycle de service global.

La figure 2 montre également les facteurs de conception critiques qui définissent la fiabilité à différents points de charge des moteurs. La fiabilité aux points de charge à haute vitesse (1 et 4) dépend de la conception de la commutation et des paliers, tandis que la fiabilité aux points de charge au couple continu maximum (3 et 6) dépend de sa conception thermique. La fiabilité en n'importe quel point du côté droit de la ligne de couple continu maximum dépend à la fois de la conception thermique et mécanique. La courbe décrite par les points 1, 2 et 3 se situe à 95 % de la puissance continue maximale, alors que les points 4, 5 et 6 correspondent à 70 % de la puissance continue maximale. Un moteur présente une fiabilité plus élevée lorsqu'il fonctionne à 70 % plutôt qu'à 95 % de sa puissance continue maximale.

MÉTHODOLOGIES D'ESTIMATION DE LA FIABILITÉ

L'augmentation des demandes pour que les moteurs cc miniatures sans fer atteignent des vitesses plus élevées va également de pair avec celle des contraintes exercées sur la conception du système de commutation ou des paliers. L'augmentation du couple maximal requis accroît également les contraintes thermiques et mécaniques exercées sur différents sous-ensembles du moteur, ce qui montre que la fiabilité du moteur varie selon les points de charge (combinaisons de couple et de vitesse).

Identification des besoins de l'application et plan d'essai

Il est important de connaître les points de charge et le profil de mouvement de l'application, tels que les besoins de couple-vitesse dans le temps avec le sens de rotation, l'environnement dans lequel l'application fonctionne (température, humidité, vibrations, etc.), et la durée de vie prévue du moteur. La plupart des fabricants de matériel définissent des critères spécifiques pour la durée de vie de leur produit, ce qui a une incidence sur la garantie. La durée de vie cible d'un moteur dépend de la durée de vie prévue du produit.

Pour estimer la fiabilité d'un moteur, la méthode habituelle consiste à tester quelques échantillons dans un laboratoire capable de reproduire les conditions de fonctionnement réelles de l'application. Pour ce faire, un échantillon de moteur est monté sur un dispositif. Il est ensuite chargé avec un courant de Foucault ou un frein à hystérésis électromagnétique et relié à un générateur de fonction. Le frein exerce un couple constant sur l'arbre de sortie du moteur tandis que le générateur de fonction crée les caractéristiques couple-vitesse-temps requises, puis sollicite le moteur en conséquence. Le dispositif d'essai est conçu pour correspondre exactement aux spécifications du client.

Dans l'idéal, il faudrait tester 5 à 30 échantillons en fonction de la disponibilité des moteurs, du niveau de précision exigé des données et des capacités de l'installation d'essai. Plus le nombre de moteurs testés est important, plus le niveau de confiance de la durée de vie prévue du moteur sera élevé.

Essai de fiabilité et analyse Weibull

Les essais de fiabilité sont réalisés sur chaque moteur aux points de charge, au cycle de service et dans les conditions ambiantes définis. Les essais sont conçus pour déterminer le point de défaillance du moteur, après avoir préalablement défini clairement les critères d'échec. Les défaillances peuvent être détectées par l'observation d'une soudaine augmentation de la consommation électrique, d'une surchauffe, de vibrations et de bruits importants ou encore d'une panne mécanique, d'où la nécessité de demander à un ingénieur en fiabilité de mesurer en permanence les paramètres pour identifier des changements par rapport aux données de référence.

Une fois que les données de durée de vie avant défaillance de tous les échantillons (au moins trois si possible) ont été recueillies, les points de données de défaillance sont analysés selon la méthode Weibull. Les tracés de distribution Weibull sont largement utilisés pour estimer la fiabilité, étant donné que l'analyse est basée sur une distribution générique des données qui peuvent être utilisées pour tous les types de défaillances (décroissantes, constantes ou croissantes) en fonction de la valeur bêta.

Une distribution Weibull peut être représentée par une droite (voir Annexe) sur un tracé de probabilité Weibull ou sur un papier bilogarithmique où l'axe Y représente le taux de défaillance, ou défiabilité, et l'axe X la durée de vie avant défaillance. La pente de cette distribution, ou droite, est appelée « paramètre de forme » (β). Le point d'intersection de cette droite avec l'axe X permet de calculer le paramètre d'échelle ou durée de vie caractéristique (η). La durée de vie caractéristique est la durée de vie avec un taux de défaillance de 63,2 %.(Figure 3)

Sur le tracé Weibull, la durée de vie du moteur peut se situer dans trois périodes distinctes, qui forment ce que l'on appelle la « courbe en baignoire ». Si β <1, la défaillance est un défaut de jeunesse, souvent dû à des problèmes de fabrication tels que des défauts de soudure, un jeu axial important, une précharge incorrecte, etc. Si β = 1, le taux de défaillance est constant. L'on parle alors de défaillances aléatoires. Il s'agit de la durée de vie généralement ciblée. Si β >1, les défaillances sont des défaillances d'usure ou de durée de vie utile, dont la probabilité augmente avec le temps.

Estimation des paramètres de la distribution Weibull

L'approche traditionnelle de l'analyse Weibull est la méthode du tracé, qui commence par une évaluation initiale des données disponibles. Les différents moments de défaillance sont classés en fonction du nombre de défaillances et de suspensions observées, puis tracés sur le papier à échelle fonctionnelle Weibull. Il est alors possible de tracer une droite de régression à travers les points de données, qui permet aux analystes de déterminer l'ajustement de la distribution aux données. La droite de régression révèle la durée de vie caractéristique du moteur (η) et détermine si et comment le taux de défaillance évolue avec le temps (pente = β).

Afin de permettre la manipulation de la fonction de densité cumulée (CDF) de Weibull F(t) sous forme linéaire (y=mx+b), l'axe Y du papier à échelle fonctionnelle Weibull se trouve dans une échelle logarithmique naturelle alors que l'axe X est positionné dans une échelle logarithmique naturelle simple.

Pour faciliter la compréhension, nous allons examiner un cas où cinq moteurs cc d'une taille de 16 mm sont testés à 70 % de la puissance et de la vitesse maximale (point 4 de la courbe de couple-vitesse), et tous les moteurs ont été soumis à un test de défaillance, avec enregistrement de leur durée de vie avant défaillance. Les durées de vie avant défaillance consignées sont de 1 488, 2 304, 1 224, 2 304 et 2 976 heures. Les durées de vie avant défaillance doivent être disposées en ordre croissant afin de permettre le calcul du rang médian qui sera utilisé pour tracer les points de données sur le papier à échelle fonctionnelle.

Le classement des défaillances individuelles a pour but de déterminer les valeurs des coordonnées Y pour le graphique Weibull. Les valeurs des coordonnées X sont, quant à elles, simplement les heures auxquelles se sont produites les différentes défaillances.

La coordonnée Y correspondante sur le tracé de probabilité nécessite de calculer la probabilité de défaillance F(t), qui se définit comme la défiabilité de ces moteurs. Les estimations de défiabilité se calculent avec la méthode du rang médian (MR) modifié en utilisant l'approximation de Bernard. L'équation pour la méthode de calcul du rang médian modifié est la suivante :

Où N est le nombre total de défaillances (dans le cas présent, N = 5) et j est le numéro d'ordre de défaillance. Ici, j =1 pour une défaillance à 1 224 h, j=2 pour une défaillance à 1 488 h, etc.

Les coordonnées X et Y se calculent comme indiqué dans le tableau 1 et sont utilisées pour tracer la probabilité.

TABLE 1 - CALCUL DU RANG MÉDIAN

Défaillance Moment de la défaillance Estimation du rang
médian F(to)
(j) (t) (j-0,3)/(N+0,4)
1 1224 0,117
2 1488 0,283
3 2304 0,45
4 2304 0,617
5 2976 0,783

Une droite de régression est tracée à travers les points de données pour déterminer les valeurs des paramètres de la distribution Weibull.

Paramètres Weibull

Avec la méthode du tracé de probabilité, la valeur bêta estimée (paramètre de forme) est de 2,8 tandis que la valeur êta (paramètre d'échelle) est de 2 300 heures. La valeur bêta estimée étant supérieure à 1, l'analyse Weibull indique que le type de défaillance est une défaillance par usure.

PRÉVISION DE LA DURÉE DE VIE AVEC LA LOI DE WEIBULL

Durée de vie B10/fiabilité

Il est possible de calculer la durée de vie B10 une fois que les paramètres Weibull ont été estimés. La durée de vie B10 décrit l'instant où 10 % des unités d'une population ont connu une défaillance ou celui où le niveau de fiabilité est de 90 %.

Dans le cas présent, la valeur B10 calculée est de 1 080 heures. Elle peut être estimée à partir du tracé de probabilité en traçant une droite verticale à partir du point où la ligne de probabilité rencontre un niveau de défiabilité de 10 % comme illustré à la figure 4. La valeur correspondante sur l'axe X représente la durée de vie B10.

RÉSUMÉ

Cette approche systématique permet de mieux estimer les caractéristiques de fiabilité des moteurs cc à balais sans fer dans leurs différentes applications. Ce document a passé en revue la méthode d'estimation de la fiabilité des moteurs au moyen d'essais et de l'analyse des données de défaillance dans des conditions d'utilisation normales. Étant donné que la période d'essai dans des conditions d'utilisation normales peut durer plusieurs mois, voire des années, la méthode de l'essai de durée de vie accéléré (ALT, Accelerated Life Test) estime la fiabilité dans le cadre d'un programme abrégé où une ou plusieurs contraintes (couple, vitesse, température, vibrations, etc.) sont contrôlées.

RÉFÉRENCES

1. An Introduction to Reliability and Maintainability Engineering : Charles E Ebeling (juillet 2017)
2. Probability Plotting : Reliability Hotwire Issue 8 (octobre 2001)
3. Reliability-estimation-of-permanent-magnet-dc-motor : Assembly (IAM 2015)

ANNEXE

Linéarisation de la fonction de distribution de Weibull

La distribution de Weibull est largement utilisée pour la prévision de la durée de vie des produits en raison de sa répartition plus générique et, dans certains cas spéciaux (en fonction des données et de leurs paramètres de distribution), se limite à d'autres types de distribution (normale, exponentielle, binomiale, etc). La fonction de distribution cumulative (CDF), ou fonction de défiabilité de la distribution de Weibull à deux paramètres est exprimée par la formule suivante :

Où η est le paramètre d'échelle et β est le paramètre de forme.
L'étape suivante consiste à linéariser cette fonction sous la forme d'une droite y = mx + b :
Pour ce faire, il faut transférer 1 vers le membre gauche de l'équation ci-dessus et calculer le logarithme naturel correspondant

Si l'on calcule maintenant le logarithme naturel de ceci :

Cette équation ressemble à y = mx + b car toutes les variables sont de premier ordre. Nous avons désormais une équation linéaire avec une pente de β et une intersection de –βln(η).

Nous pouvons par conséquent établir les axes X et Y du tracé de probabilité Weibull. L'axe X est simplement logarithmique, puisque X = 1n(t). L'axe Y est légèrement plus compliqué, puisqu'il doit représenter :

Où F(t) est la défiabilité.

CONTACTER UN INGÉNIEUR

Figure 1 - Moteur cc à balais sans fer
Figure 2 - Courbe couple-vitesse
Figure 3 - Exemple de tracé de probabilité
Figure 4 - Tracé de probabilité