Un moteur linéaire peut être vu comme un servomoteur rotatif déroulé et aplati, produisant un mouvement fondamentalement linéaire. Un actionneur linéaire classique est un élément mécanique qui convertit le mouvement de rotation d'un servomoteur rotatif en un déplacement rectiligne. Ces deux types de moteurs offrent un mouvement linéaire, mais avec des performances et des compromis très différents. Il n'existe pas de technologie supérieure ou inférieure : le choix dépend de l'application. Examinons cela de plus près.
En règle générale, les moteurs linéaires excellent dans les applications exigeant une forte accélération, une vitesse élevée ou une grande précision. En métrologie des semi-conducteurs, par exemple, où la résolution et le débit sont essentiels et où même une heure d'arrêt peut coûter des dizaines de milliers de dollars, les moteurs linéaires constituent la solution idéale. Mais qu'en est-il dans des situations moins exigeantes ?
L'un des premiers problèmes des moteurs linéaires était leur compétitivité en termes de coûts. Ces moteurs nécessitent des aimants en terres rares, ce qui constitue l'un des facteurs limitant la course. Certes, en théorie, on peut aligner les aimants quasiment à l'infini, mais en pratique, outre la difficulté à garantir une rigidité suffisante sur une grande course, les coûts s'accumulent, notamment pour les modèles à profil en U.
Les moteurs à noyau de fer peuvent générer la même force avec des aimants plus petits que leurs homologues sans fer. Ainsi, si la force est le critère principal et que les spécifications de performance sont suffisamment souples pour tolérer une certaine perturbation due à l'effet de crantage, entraînant des erreurs dynamiques de position ou de vitesse, un moteur à noyau de fer pourrait s'avérer la meilleure solution. Si les exigences de performance sont encore moins strictes, de l'ordre du micron plutôt que du nanomètre, une combinaison d'actionneurs linéaires pourrait constituer le compromis le plus approprié : par exemple, un actionneur linéaire pour le conditionnement de médicaments et un moteur linéaire pour le séquençage d'ADN dans le cadre de la recherche pharmaceutique.
Durée du voyage
Malgré de nombreuses exceptions, la course optimale des moteurs linéaires se situe entre quelques millimètres et plusieurs mètres. En dessous de cette valeur, une alternative comme un système à courroie flexible peut s'avérer plus efficace ; au-delà, les transmissions par courroie, puis les systèmes à crémaillère, sont probablement de meilleurs choix.
La course des moteurs linéaires est limitée non seulement par le coût et la stabilité de montage, mais aussi par la gestion des câbles. Pour générer un mouvement, le moteur doit être alimenté, ce qui implique que les câbles d'alimentation doivent l'accompagner sur toute la course. Les câbles haute flexibilité et les chemins de câbles associés sont onéreux, et le fait que le câblage représente le principal point de défaillance des systèmes de commande de mouvement complexifie encore davantage le problème.
Bien sûr, la nature même des moteurs linéaires permet une solution ingénieuse à ce problème. Dans ce cas, nous fixons le dispositif d'entraînement à la base fixe et déplaçons le rail magnétique. Ainsi, tous les câbles convergent vers le dispositif d'entraînement fixe. L'accélération obtenue avec un moteur donné est légèrement inférieure, car on n'accélère pas une bobine, mais un rail magnétique, plus lourd. Ce système ne serait pas adapté aux fortes accélérations. En revanche, pour les applications à faible accélération, cette conception peut s'avérer très performante.
Profeta cite les servomoteurs linéaires Aerotech dont les forces de pointe varient de 12,7 à 408 kg (28 à 900 lbs). Cependant, la conception fondamentale des moteurs linéaires permet des solutions uniques offrant des performances bien supérieures. Certains de nos clients utilisent nos plus gros moteurs linéaires, en assemblent six et génèrent une force de près de 2720 kg (6000 lbs). Il est possible de placer plusieurs actionneurs sur plusieurs rails, de les fixer mécaniquement et de les faire fonctionner ensemble comme un seul moteur ; ou encore, de placer plusieurs actionneurs sur le même rail magnétique, de les fixer au chariot supportant la charge et de les considérer comme un seul moteur.
Étant donné que nous vivons dans le monde réel et qu'il est impossible de reproduire exactement la commutation, cette approche entraîne une perte d'efficacité de quelques pourcents, mais elle peut néanmoins constituer la meilleure solution globale pour une application donnée.
Face à face
Du point de vue de la force, comment les moteurs linéaires se comparent-ils aux combinaisons moteur rotatif/actionneur linéaire ? Il existe un compromis important en termes de force. Nous comparons un moteur linéaire sans encoches à huit pôles de 10 cm de large avec un produit à vis de même largeur. Notre moteur linéaire à huit pôles développe une force de pointe de 180 N et une force continue de 50 N. Dans les mêmes conditions, avec un servomoteur NEMA 23 et notre produit à vis, la charge axiale maximale est de 90 N. Ainsi, la force continue est réduite d'environ un facteur 20.
Les résultats réels varieront en fonction du pas et du diamètre de la vis, des bobines et de la conception du moteur, précise-t-il, et seront limités par les paliers axiaux supportant la vis. Le moteur linéaire à noyau de fer de 33 cm de large de l'entreprise peut générer une force axiale maximale de 725 kg, contre 200 kg pour un produit à vis de 15 cm de large, par exemple, mais l'encombrement est considérable.
Pour paraphraser un slogan politique, c'est l'application qui compte. Si la densité de force est primordiale, un actionneur est probablement le meilleur choix. Si l'application exige de la réactivité, par exemple pour une application de haute précision et à forte accélération comme l'inspection d'écrans LCD, le compromis entre encombrement et force nécessaire pour obtenir les performances requises est justifié.
Garder propre
La contamination représente un problème majeur pour la commande de mouvement dans les environnements de production, et les moteurs linéaires ne font pas exception. L'un des principaux problèmes liés à la conception standard des moteurs linéaires est leur exposition à la contamination, notamment par des particules solides ou de l'humidité. Ceci est particulièrement vrai pour les moteurs à plateau et moins problématique pour les moteurs à profilé en U.
Il est très difficile de rendre la solution parfaitement étanche. Il faut éviter les environnements à forte humidité. Si vous utilisez un moteur linéaire dans une application de découpe au jet d'eau, vous devez le mettre sous pression et veiller à ce qu'il soit bien protégé, car l'électronique du moteur linéaire est directement liée à l'actionnement.
Dans le cas des conceptions à canal en U, inverser le U peut minimiser le risque de pénétration de particules dans le canal, mais cela engendre des problèmes de gestion thermique susceptibles de compromettre les performances, car le déplacement de la masse du rail magnétique diffère de celui de la masse du dispositif de force. Il s'agit donc d'un compromis, et le choix dépendra de l'application.
Ce n'est pas seulement l'environnement qui peut affecter le moteur linéaire ; le moteur linéaire peut aussi créer des problèmes avec l'environnement. Contrairement aux moteurs rotatifs, les puissants aimants des moteurs linéaires peuvent perturber les environnements magnétiquement sensibles, comme les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cela peut même poser problème dans une application plus courante comme la découpe des métaux. Ces aimants à forte force tentent d'attirer chaque copeau métallique sur le rail magnétique ; par conséquent, les moteurs linéaires ne fonctionnent pas correctement dans ce type d'applications sans une protection adéquate.
À propos de ces applications…
Alors, quel est le principal domaine d'application des moteurs linéaires ? La métrologie, pour commencer, notamment dans des secteurs comme la fabrication de semi-conducteurs, de LED et d'écrans LCD. L'impression numérique de grands panneaux est également un marché en pleine expansion, tout comme le secteur biomédical et même la fabrication de petites pièces. Nos clients utilisent des paires de moteurs linéaires en configuration portique pour les opérations d'assemblage. L'objectif est d'optimiser la productivité, et la vitesse et l'accélération élevées offertes par ces moteurs sont un atout majeur. Parmi nos applications récentes, citons la fabrication de piles à combustible et la découpe de pochoirs.
Cela répond à la question du lieu, mais qu'en est-il du coût ? La technologie des moteurs linéaires est en développement depuis des décennies, alors où en est-elle en termes d'acceptation par le marché ? On les rencontre peu en raison de leur coût, mais dans certaines applications, ils sont tout à fait pertinents.
Nous l'attribuons au cycle de vie du consommateur. On distingue les innovateurs, les premiers adoptants, la majorité précoce, la majorité tardive et les retardataires. Nous sommes actuellement dans une phase où l'utilisation d'un moteur linéaire se généralise. Nous entrons dans la phase de la majorité précoce.
Le prix des moteurs linéaires diminue grâce à l'optimisation du processus de fabrication et à l'augmentation des volumes de production. De ce fait, on les retrouve dans de plus en plus d'applications. [Aerotech] fabrique également des platines à vis à billes. À l'heure actuelle, je dirais que nous vendons autant, voire plus, de platines à moteur linéaire que de platines à vis à billes. Leur utilisation se développe rapidement. Il y a dix ans, la plupart des applications étaient de type laboratoire, en environnement contrôlé. Aujourd'hui, nous les utilisons dans des opérations beaucoup plus industrielles. L'un des segments dont je m'occupe est l'automobile, et nous avons considérablement augmenté le nombre d'applications automobiles intégrant des moteurs linéaires.
Selon votre configuration, vous pouvez presque obtenir une solution à moteur linéaire pour un prix inférieur à celui d'une transmission par courroie. Vous bénéficiez ainsi des avantages d'un moteur linéaire avec entraînement direct, temps de réponse rapide et absence de raideur, contrairement à la courroie, pour un prix très similaire. L'inconvénient est l'absence de l'avantage mécanique de la courroie et du système poulie/réducteur, qui permet de générer une force supplémentaire.
Avantages et inconvénients : voilà qui résume bien la situation. Analysez attentivement votre application, comprenez vos besoins et déterminez vos marges de manœuvre. Une fois que vous saurez évaluer les compromis possibles, vous serez en mesure de décider en toute connaissance de cause si un moteur linéaire ou un actionneur linéaire répondra le mieux à vos besoins.
Date de publication : 12 juin 2023