Moteur électrique pour mélangeur à caoutchouc : puissance et choix du réducteur

Sur les mélangeurs à cylindres ouverts pour caoutchouc, l'entraînement principal est le plus souvent un moteur asynchrone triphasé 4 pôles, d'une vitesse synchrone d'environ 1500 tr/min, associé à un réducteur qui ramène cette vitesse à celle des cylindres. Ce qui dimensionne le moteur, c'est le couple nécessaire sur l'arbre du cylindre : par exemple, le DRG-160M-4 de 11 kW fournit 71,7 Nm à sa vitesse nominale de 1465 tr/min et consomme 20,4 A sous 400 V ; avec un réducteur d'un rapport d'environ 81,4, le cylindre tourne à 18 tr/min et il reste environ 5 305 Nm sur l'arbre après la marge de pertes. La puissance par machine dépend de la longueur, du diamètre des cylindres et de la dureté du mélange ; la valeur exacte figure sur la plaque de la machine ou dans les données du constructeur.

Dans le mélange du caoutchouc, la charge est à fort couple, basse vitesse et à-coups ; le moteur ne se choisit donc pas d'après la puissance, mais d'après le couple requis en sortie de réducteur, le couple de pointe et le démarrage en charge. Nous traitons ci-dessous, dans l'ordre, le calcul pour le mélangeur ouvert et le mélangeur interne à rotors, l'accouplement moteur–réducteur, le démarrage et l'arrêt d'urgence. Le raccordement du moteur, le mode de démarrage et le circuit d'arrêt d'urgence doivent être réalisés par un électricien qualifié. Vous trouverez la carcasse adaptée parmi les 120 modèles de notre page Acheter un moteur électrique en ligne grâce aux filtres de puissance et de vitesse.

Mélangeur ouvert ou mélangeur interne : la différence de charge pour le moteur

Sur un mélangeur ouvert, les deux cylindres tournent l'un vers l'autre à des vitesses légèrement différentes ; cet écart de vitesse (rapport de friction) cisaille le caoutchouc dans l'entrefer et le mélange. Sur la plupart des machines, un seul moteur entraîne les deux cylindres via le réducteur et les engrenages de friction. À mesure que l'opérateur coupe et replie la galette, la charge varie ; lorsqu'un nouveau lot de caoutchouc froid entre dans l'entrefer, le couple fait un bond de courte durée. Plus l'entrefer est serré et le mélange dur, plus le couple requis augmente.

Dans un mélangeur interne, deux rotors tournent dans une chambre fermée tandis qu'un piston (fouloir) presse le mélange sur les rotors. Le cycle dure quelques minutes : le piston descend, les charges et l'huile sont ajoutées et le couple atteint son maximum ; en s'échauffant et en s'homogénéisant, le mélange demande moins de couple, le lot est vidé et le cycle recommence. Sur cette machine, l'écart entre puissance moyenne et puissance de pointe est bien plus grand que sur un mélangeur ouvert.

Les deux types ont trois points communs : la charge est à couple constant (le besoin en couple ne baisse pas avec la vitesse), la vitesse de sortie est faible et la machine peut rester pleine après un arrêt d'urgence. Le choix du moteur repose sur ces trois réalités.

Calcul de la puissance du cylindre : P = T · n / 9550

Si le couple nécessaire sur l'arbre du cylindre est connu, la puissance du moteur se calcule directement. Ce couple provient des données du constructeur ; sur une machine existante, on peut l'estimer grossièrement à partir du courant moteur en charge et du rapport du réducteur. Les hypothèses de l'exemple ci-dessous sont explicites : couple du cylindre 4 000 Nm, vitesse du cylindre 18 tr/min, diamètre du cylindre 0,40 m, et puissance moteur = puissance à l'arbre × 1,1 pour couvrir les pertes du réducteur, de l'accouplement et des paliers.

Le calcul indique un besoin légèrement supérieur à 8 kW ; on retient la puissance normalisée immédiatement supérieure, 11 kW. Cette marge n'est pas perdue : lorsqu'un lot froid est introduit et que l'entrefer est resserré, le couple dépasse brièvement la valeur nominale. La vitesse périphérique du cylindre, v = π · D · n / 60, vaut 0,38 m/s (environ 22,6 m/min) ; elle influence directement la cadence de l'opérateur et la distance d'arrêt en cas d'arrêt d'urgence, et la vitesse indiquée par le constructeur ne doit pas être dépassée.

Si une hypothèse change, le résultat change aussi : à couple égal, doubler la vitesse du cylindre double la puissance. Le calcul donne donc un ordre de grandeur ; la plaque de la machine ou les données du constructeur restent prioritaires.

Réducteur et accouplement : de l'arbre moteur au cylindre

Le rapport du réducteur est la vitesse nominale du moteur divisée par la vitesse du cylindre : 1465 / 18 ≈ 81,4. Le couple de sortie du réducteur vaut couple moteur × rapport / marge de pertes, soit environ 5 305 Nm dans l'exemple. La même sortie peut être obtenue avec un moteur 6 pôles : un moteur 6 pôles de 11 kW fournit 108,3 Nm à 970 tr/min, le rapport tombe à 53,9 et le couple de sortie reste identique. La contrepartie : un réducteur de rapport plus faible, mais une carcasse moteur plus grande (160L au lieu de 160M). Le rapport du réducteur existant et la place sur le châssis décident ; lors d'un remplacement, conserver le même nombre de pôles que l'ancien moteur préserve le rapport et la vitesse des cylindres.

Il existe deux façons de relier le moteur au réducteur. Dans la première, un moteur à pattes (B3) repose sur un châssis commun et entraîne l'arbre d'entrée du réducteur par un accouplement élastique ; l'alignement des arbres détermine alors les vibrations et la durée de vie des roulements. Dans la seconde, un moteur à bride B5 se monte directement sur la bride d'entrée du réducteur via une lanterne d'accouplement. Sur la carcasse 160M, le bout d'arbre mesure 42 × 110 mm ; la bride B5 a un diamètre extérieur P = 350 mm, un diamètre de centrage N = 250 mm, un cercle de perçage M = 300 mm et des trous de S = 18,5 mm. Le moyeu d'accouplement est usiné selon ce diamètre d'arbre et cette clavette.

Sous charge à à-coups, l'accouplement et le réducteur se dimensionnent sur le couple de pointe du moteur, pas sur son couple nominal. Avec un rapport de couple de décrochage Tmax/Tn = 2,3, le moteur de 11 kW peut produire brièvement jusqu'à environ 164,9 Nm ; en cas de bourrage, ce couple est multiplié par le réducteur et transmis au cylindre. Un accouplement à élément élastique amortit les chocs, et le réducteur est choisi avec un facteur de service adapté aux à-coups. Pour le détail du facteur de service et du choix du rapport, voir Choisir un moto-réducteur : couple, rapport et facteur de service ; pour vérifier rapidement le rapport et le couple de sortie, utilisez le Calculateur de vitesse et couple de sortie du réducteur.

Puissance d'un mélangeur interne : estimation à partir de l'énergie du lot

Comme le couple varie sans cesse dans un mélangeur interne à rotors, la puissance s'estime à partir de l'énergie consommée par lot. Nos hypothèses : lot de 25 kg, énergie spécifique de mélange 0,12 kWh/kg (variable selon le mélange), cycle de 4 minutes et charge de pointe égale à 1,5 fois la moyenne.

• Énergie du lot : 25 × 0,12 = 3 kWh
• Puissance moyenne : 3 kWh / (4/60 h) = 45 kW
• Puissance de pointe : 45 × 1,5 = 67,5 kW

Cette pointe correspond à la puissance normalisée de 75 kW. Par exemple, le DRG-280S-4 fournit 482,0 Nm à 1486 tr/min et consomme 129,0 A sous 400 V ; avec une vitesse de rotor de 40 tr/min, le rapport du réducteur est d'environ 37,1. Sur les machines de cette classe, on souhaite souvent régler la vitesse des rotors selon le mélange ; on utilise pour cela un variateur de fréquence en mode couple constant, et le refroidissement du moteur est évalué à part si un fonctionnement prolongé à basse vitesse est prévu. La surveillance du courant moteur est aussi une méthode courante pour détecter la fin du lot : le courant baisse à mesure que le mélange s'homogénéise.

Démarrer un mélangeur plein : pourquoi l'étoile-triangle peut ne pas suffire

Après un arrêt d'urgence, du caoutchouc reste entre les cylindres et la machine doit redémarrer en charge. Le moteur de 11 kW a un rapport de couple de démarrage Ts/Tn = 2,2 ; en démarrage direct, le couple de démarrage est donc d'environ 157,7 Nm. En démarrage étoile-triangle, le couple en étoile tombe au tiers : 157,7 / 3 ≈ 52,6 Nm, soit seulement 0,73 fois le couple nominal. Si le couple de décollage de la charge dépasse le couple nominal, le moteur ne tourne pas en étoile ou tourne très lentement, et le passage en triangle provoque un fort appel de courant.

En démarrage direct, le courant monte selon le rapport Is/In = 7,7 à environ 157 A ; le réseau et l'armoire doivent le supporter. Solutions pratiques : démarrage direct si le réseau le permet ; variateur de fréquence, qui donne un couple proche du nominal avec un courant faible ; ou procédure consistant à ouvrir l'entrefer et à vider la galette avant le démarrage. Un démarreur progressif réduit lui aussi le couple en abaissant la tension ; seul, il ne règle pas le démarrage en charge. Pour comparer les méthodes, consultez la page Méthodes de démarrage moteur et étoile-triangle.

Arrêt d'urgence et freinage : la distance d'arrêt sur un mélangeur

L'entrefer entre les deux cylindres est le point où le risque d'happement de la main est le plus élevé. Ces machines disposent d'une barre d'arrêt d'urgence ou d'un câble que l'opérateur actionne avec le corps ou la main ; le but est d'arrêter les cylindres sur une très courte distance et, si nécessaire, d'ouvrir l'entrefer par une brève inversion de rotation. Couper l'alimentation du moteur ne suffit pas : à cause de l'inertie des cylindres, du réducteur et du rotor, la machine continue de tourner un moment.

Il faut donc un moyen de freinage : frein électromagnétique à l'arrière du moteur, frein à disque séparé à l'entrée du réducteur, ou freinage dynamique avec résistance de freinage dans un système à variateur. Le couple de freinage doit pouvoir arrêter la charge et les masses en rotation dans le temps requis. La distance d'arrêt admise est fixée par la réglementation sur la sécurité des machines et la documentation du constructeur ; la machine ne doit pas être utilisée tant que cette valeur n'a pas été mesurée après l'installation, puis périodiquement. Le circuit de frein et la chaîne d'arrêt d'urgence relèvent d'un électricien qualifié.

Choix du modèle et liste de contrôle du moteur de mélangeur à caoutchouc

Le tableau ci-dessous présente les modèles DRG 4 pôles en fonte dans la plage de puissance courante sur les mélangeurs ouverts et les petits mélangeurs internes. Les courants sont donnés pour 400 V ; le relais thermique est réglé sur cette valeur.

Caractéristiques du modèle retenu dans l'exemple de calcul :

• Puissance: 11 kW
• Vitesse nominale: 1465 tr/min
• Couple nominal: 71,7 Nm
• Courant 400 V: 20,4 A
• cos φ: 0,85
• Ts/Tn: 2,2
• Tmax/Tn: 2,3
• Is/In: 7,7
• Arbre D×E: 42 × 110 mm
• Carcasse CEI: 160M · fonte

Avant de commander ou de remplacer un moteur, vérifiez les points suivants :

• Couple et vitesse requis sur l'arbre du cylindre ou du rotor (données constructeur ou mesure)
• Rapport du réducteur = vitesse moteur / vitesse de sortie ; couple de sortie = Tn × rapport / marge de pertes
• Accouplement et réducteur dimensionnés pour le couple de pointe du moteur (Tmax/Tn)
• Montage : à pattes B3 ou à bride B5 ; arbre D × E et clavette
• Démarrage : en cas de démarrage en charge, démarrage direct ou variateur plutôt qu'étoile-triangle
• Arrêt d'urgence : type de frein, résistance de freinage et distance d'arrêt mesurée
• Relais thermique : réglé sur le courant de plaque (Sélection relais thermique, fusible et contacteur)
• Environnement : le noir de carbone et le talc ne doivent pas colmater le capot de ventilateur ni les ailettes ; nettoyage régulier

Moteurs de cette puissance

• DRG-160M-4 – 11 kW – 1465 tr/min – 160M fonte
• DRG-160L-4 – 15 kW – 1465 tr/min – 160L fonte
• DRG-180L-4 – 22 kW – 1470 tr/min – 180L fonte
• DRG-200L-4 – 30 kW – 1475 tr/min – 200L fonte

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Questions fréquentes

Quelle puissance de moteur pour un mélangeur à cylindres ?

Elle dépend de la longueur, du diamètre des cylindres et du mélange ; la valeur exacte est celle de la plaque de la machine. Le calcul demande le couple et la vitesse du cylindre : avec 4 000 Nm et 18 tr/min, la puissance à l'arbre est de 7,54 kW, 8,29 kW avec la marge de pertes, et l'on retient un moteur de 11 kW.

Combien d'ampères consomme un moteur 11 kW 4 pôles ?

À pleine charge, le DRG-160M-4 consomme 20,4 A sous 400 V et 21,5 A sous 380 V. En démarrage direct, le courant de démarrage atteint 7,7 fois le courant nominal.

Peut-on installer un variateur sur un mélangeur à caoutchouc ?

Oui. Un variateur en mode couple constant permet de démarrer un mélangeur plein avec un courant faible et de régler la vitesse des cylindres. En cas de fonctionnement prolongé à basse vitesse, le refroidissement du moteur doit être prévu à part, ainsi qu'une résistance de freinage si un arrêt rapide est requis.

Pourquoi le moteur d'un mélangeur est-il généralement 4 pôles ?

Un moteur 4 pôles atteint la vitesse des cylindres avec un rapport de réducteur raisonnable et offre un bon équilibre entre taille de carcasse et couple. Un moteur 6 pôles donne plus de couple à puissance égale et demande un réducteur de rapport plus faible, mais sa carcasse est plus grande.

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