Étages de moteur linéaires complets – y compris plaque de base, moteur linéaire, guides linéaires, encodeur et commandes.

Les servomoteurs linéaires à entraînement direct ont connu une croissance significative ces dernières années, notamment grâce aux exigences des utilisateurs finaux en matière de cadence et de précision. Bien que les moteurs linéaires soient généralement reconnus pour leur capacité à offrir une combinaison de vitesses élevées, de courses longues et d'une excellente précision de positionnement, impossible à obtenir avec d'autres mécanismes d'entraînement, ils permettent également des mouvements extrêmement lents, fluides et précis. En effet, la technologie des moteurs linéaires offre une telle variété de capacités – force de poussée, vitesse, accélération, précision de positionnement et répétabilité – qu'il existe peu d'applications pour lesquelles ils ne constituent pas une solution adaptée.

Les moteurs linéaires comprennent les servomoteurs linéaires, les moteurs pas à pas linéaires, les moteurs à induction linéaires et les moteurs linéaires à tube de poussée. Lorsqu'un servomoteur linéaire est la meilleure option pour une application, voici trois éléments à prendre en compte lors du choix initial du moteur.

La considération « principale » : noyau de fer ou sans fer ?
Les servomoteurs linéaires à entraînement direct se déclinent en deux principaux types : à noyau de fer ou sans fer, selon que les enroulements de la partie primaire (analogue au stator d'un moteur rotatif) sont montés dans un empilement de tôles de fer ou dans de l'époxy. Déterminer si l'application nécessite un moteur linéaire à noyau de fer ou sans fer constitue généralement la première étape de la conception et de la sélection.

Les moteurs linéaires à noyau de fer sont particulièrement adaptés aux applications nécessitant des forces de poussée extrêmement élevées. En effet, le laminage de la partie primaire comporte des dents (protubérances) qui concentrent le flux électromagnétique vers les aimants de la partie secondaire (à l'instar du rotor d'un moteur rotatif). Cette attraction magnétique entre le fer de la partie primaire et les aimants permanents de la partie secondaire permet au moteur de fournir des forces élevées.

Les moteurs linéaires sans fer ont généralement une force de poussée plus faible et ne sont donc pas adaptés aux exigences de poussée extrêmement élevées des applications telles que le pressage, l'usinage ou le moulage. En revanche, ils excellent dans l'assemblage et le transport à grande vitesse.

L'inconvénient de la conception du noyau de fer est l'effet de cogging, qui altère la fluidité du mouvement. Ce phénomène se produit car la conception rainurée de la partie primaire lui confère des positions « préférentielles » lors de son déplacement le long des aimants de la partie secondaire. Pour contrer la tendance de la partie primaire à s'aligner avec les aimants de la partie secondaire, le moteur doit produire une force accrue, ce qui provoque une ondulation de vitesse, appelée cogging. Cette variation de force et d'ondulation de vitesse altère la fluidité du mouvement, ce qui peut constituer un problème majeur dans les applications où la qualité du mouvement pendant le déplacement (et pas seulement la précision du positionnement final) est importante.

Les fabricants utilisent de nombreuses méthodes pour réduire le cogging. Une approche courante consiste à incliner la position des aimants (ou des dents), créant ainsi des transitions plus douces lorsque les dents primaires traversent les aimants secondaires. Un effet similaire peut être obtenu en modifiant la forme des aimants pour leur donner un octogone allongé.

Une autre méthode pour réduire l'effet de cogging est l'enroulement fractionné. Dans cette conception, le primaire comporte plus de dents de tôle que le secondaire n'a d'aimants, et l'empilement des tôles présente une forme particulière. Ces deux modifications combinées permettent d'annuler les forces d'effet de cogging. Et bien sûr, le logiciel offre toujours une solution. Les algorithmes anti-cogging permettent aux servomoteurs et aux contrôleurs d'ajuster le courant fourni au primaire afin de minimiser les variations de force et de vitesse.

Les moteurs linéaires sans fer ne subissent pas de cogging, car leurs bobines primaires sont encapsulées dans de l'époxy plutôt que enroulées autour d'une tôle d'acier. De plus, leur masse est plus faible (l'époxy est plus léger, quoique moins rigide, que l'acier), ce qui leur permet d'atteindre des valeurs d'accélération, de décélération et de vitesse maximale parmi les plus élevées des systèmes électromécaniques. Les temps de stabilisation sont généralement meilleurs (plus courts) pour les moteurs sans fer que pour les versions à noyau de fer. L'absence d'acier dans le primaire, et l'absence de cogging ou d'ondulation de vitesse qui en résulte, permettent également aux moteurs linéaires sans fer d'assurer un mouvement très lent et régulier, avec une variation de vitesse généralement inférieure à 0,01 %.

Quel niveau d'intégration ?
Tout comme les moteurs rotatifs, les servomoteurs linéaires ne sont qu'un composant d'un système de mouvement. Un système complet de moteur linéaire nécessite également des roulements pour supporter et guider la charge, un système de gestion des câbles, un système de rétroaction (généralement un codeur linéaire), ainsi qu'un servomoteur et un contrôleur. Les équipementiers et constructeurs de machines expérimentés, ou ceux ayant des exigences de conception ou de performances spécifiques, peuvent construire un système complet grâce à leurs capacités internes et à des composants standard de différents fabricants.

La conception d'un système à moteur linéaire est sans doute plus simple que celle de systèmes à courroies, à pignons et crémaillères ou à vis. Le nombre de composants et les étapes d'assemblage sont réduits (pas d'alignement des supports de vis à billes ni de tension des courroies). De plus, les moteurs linéaires étant sans contact, les concepteurs n'ont pas à se soucier de la lubrification, des réglages ou de la maintenance de l'unité d'entraînement. Cependant, pour les équipementiers et les constructeurs de machines à la recherche d'une solution clé en main, une multitude d'options s'offrent à eux : actionneurs à moteur linéaire complet, platines de haute précision, et même systèmes cartésiens et portiques.

L'environnement est-il adapté à un moteur linéaire ?
Les moteurs linéaires sont souvent la solution privilégiée dans les environnements difficiles, tels que les salles blanches et les environnements sous vide, car ils comportent moins de pièces mobiles et peuvent être associés à presque tous les types de guidage linéaire ou de gestion des câbles pour répondre aux exigences de l'application en matière de génération de particules, de dégazage et de température. Dans les cas extrêmes, la partie secondaire (piste magnétique) peut servir de partie mobile, la partie primaire (enroulements, câbles et gestion des câbles inclus) restant fixe.

Cependant, si l'environnement est constitué de copeaux, de poussières ou de particules métalliques, un servomoteur linéaire peut ne pas être la meilleure option. Cela est particulièrement vrai pour les moteurs linéaires à noyau de fer, car leur conception est intrinsèquement ouverte, ce qui expose la piste magnétique à la contamination. La conception semi-fermée des moteurs linéaires sans fer offre une meilleure protection, mais il faut veiller à ce que l'encoche de la partie secondaire ne soit pas directement exposée à des sources de contamination. Il existe des options de conception pour enfermer les moteurs linéaires à noyau de fer et sans fer, mais celles-ci peuvent réduire la capacité du moteur à dissiper la chaleur, ce qui peut inverser les problèmes.