Étapes complètes de moteurs linéaires – comprenant plaque de base, moteur linéaire, guides linéaires, codeur et commandes.

L'adoption des servomoteurs linéaires à entraînement direct a connu une forte progression ces dernières années, notamment grâce aux exigences des utilisateurs finaux en matière de débit et de précision. Si les moteurs linéaires sont surtout reconnus pour leur capacité à offrir une combinaison de vitesses élevées, de longues courses 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. De fait, la technologie des moteurs linéaires offre une telle variété de fonctionnalités – force de poussée, vitesse, accélération, précision de positionnement et répétabilité – qu'il existe peu d'applications pour lesquelles les moteurs linéaires ne constituent pas une solution adaptée.

Les moteurs linéaires se déclinent en plusieurs variantes : servomoteurs linéaires, moteurs pas à pas linéaires, moteurs à induction linéaires et moteurs linéaires à tube de poussée. Si un servomoteur linéaire s’avère être la solution optimale pour une application donnée, voici trois points à prendre en compte lors de la sélection initiale du moteur.

La considération « principale » : Noyau de fer ou sans fer ?
Les servomoteurs linéaires à entraînement direct se déclinent en deux grandes catégories : à noyau de fer et sans noyau de 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 la résine époxy. Le choix du type de moteur linéaire (à noyau de fer ou sans noyau de 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 exigeant des forces de poussée extrêmement élevées. En effet, la structure du noyau primaire comporte des dents (protubérances) qui concentrent le flux électromagnétique vers les aimants du noyau secondaire (analogues au rotor d'un moteur rotatif). Cette attraction magnétique entre le fer du noyau primaire et les aimants permanents du noyau secondaire permet au moteur de développer des forces importantes.

Les moteurs linéaires sans fer ont généralement une force de poussée inférieure et ne conviennent donc pas aux applications exigeant une poussée extrêmement élevée, comme 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 à noyau de fer réside dans l'effet de crantage, qui dégrade la fluidité du mouvement. Cet effet se produit car la conception à fentes de la partie primaire lui confère des positions privilégiées lors de son déplacement le long des aimants de la partie secondaire. Pour compenser cette tendance à s'aligner avec les aimants de la partie secondaire, le moteur doit développer une force accrue, ce qui engendre une ondulation de vitesse : l'effet de crantage. Cette variation de force et cette ondulation de vitesse dégradent la fluidité du mouvement, ce qui peut s'avérer problématique dans les applications où la qualité du mouvement pendant le déplacement (et pas seulement la précision du positionnement final) est primordiale.

Il existe de nombreuses méthodes utilisées par les fabricants pour réduire l'effet de crantage. Une approche courante consiste à incliner la position des aimants (ou des dents), créant ainsi des transitions plus douces lorsque les dents primaires passent sur les aimants secondaires. Un effet similaire peut être obtenu en modifiant la forme des aimants pour leur donner une forme octogonale allongée.

Une autre méthode pour réduire les effets de crantage est l'enroulement fractionné. Dans cette conception, le primaire comporte plus de dents de tôle que le secondaire d'aimants, et l'empilement de tôles présente une forme particulière. Ces deux modifications combinées permettent d'annuler les forces de crantage. De plus, le logiciel offre toujours une solution. Les algorithmes anti-crantage permettent aux servovariateurs 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 présentent pas d'effet de crantage, car leurs bobines primaires sont encapsulées dans de la résine époxy, au lieu d'être enroulées autour d'une tôle d'acier. De plus, les servomoteurs linéaires sans fer ont une masse réduite (l'époxy est plus léger, bien que 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 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 d'effet de crantage ou d'ondulation de vitesse qui en découle, permettent également aux moteurs linéaires sans fer de fournir un mouvement très lent et régulier, avec une variation de vitesse généralement inférieure à 0,01 %.

Quel niveau d'intégration ?
À l'instar des moteurs rotatifs, les servomoteurs linéaires ne constituent qu'un élément d'un système de mouvement. Un système complet de moteur linéaire requiert également des roulements pour supporter et guider la charge, la gestion des câbles, un système de retour d'information (généralement un codeur linéaire), ainsi qu'un variateur et un contrôleur. Les équipementiers et constructeurs de machines les plus expérimentés, ou ceux ayant des exigences de conception ou de performance très spécifiques, peuvent concevoir un système complet en interne à partir de composants standard de différents fabricants.

La conception d'un système de moteur linéaire est sans doute plus simple que celle de systèmes à courroies, crémaillères ou vis. Elle comporte moins de composants et réduit les étapes d'assemblage complexes (absence d'alignement des supports de vis à billes et 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, il existe une multitude d'options pour les actionneurs linéaires complets, les platines de haute précision, et même les systèmes cartésiens et portiques.

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

Cependant, si l'environnement contient des copeaux, de la poussière ou des particules métalliques, un servomoteur linéaire n'est peut-être pas la solution optimale. Cela est particulièrement vrai pour les moteurs linéaires à noyau de fer, car leur conception ouverte expose la piste magnétique à la contamination. La conception semi-fermée des moteurs linéaires sans fer offre une meilleure protection, mais il convient de veiller à ce que la fente de la partie secondaire ne soit pas directement exposée aux sources de contamination. Il existe des solutions pour encapsuler les moteurs linéaires, qu'ils soient à noyau de fer ou sans fer, mais celles-ci peuvent réduire la capacité de dissipation thermique du moteur, ce qui risque de déplacer un problème vers un autre.