Un moteur linéaire peut être considéré comme un servomoteur rotatif déroulé et posé à plat pour produire un mouvement fondamentalement linéaire. Un actionneur linéaire traditionnel est un élément mécanique qui convertit le mouvement de rotation d'un servomoteur rotatif en déplacement rectiligne. Les deux 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 de plus près.
En règle générale, les moteurs linéaires sont performants dans les applications exigeant une forte accélération, des vitesses élevées ou une grande précision. En métrologie des semi-conducteurs, par exemple, où la résolution et le débit sont essentiels et où une seule heure d'arrêt peut coûter des dizaines de milliers de dollars, les moteurs linéaires constituent la solution idéale. Mais qu'en est-il des applications moins exigeantes ?
L'un des premiers problèmes rencontrés avec les 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 longueur de course. Certes, en théorie, les aimants peuvent être alignés pratiquement à l'infini, mais en réalité, outre la difficulté d'assurer une rigidité suffisante sur une longue course, les coûts augmentent, notamment pour les conceptions à profil en U.
Les moteurs à noyau de fer peuvent générer la même force avec des aimants plus petits que les moteurs sans fer équivalents. Ainsi, si la force musculaire est la principale exigence et que les spécifications de performance sont suffisamment souples pour tolérer certaines perturbations de la force d'encoche entraînant des erreurs de position ou de vitesse dynamiques, le noyau de fer pourrait être la meilleure approche. Si les exigences de performance sont encore plus souples, de l'ordre du micron plutôt que du nanomètre, la combinaison d'actionneurs linéaires offre peut-être le compromis le plus judicieux : choisir un actionneur linéaire pour le conditionnement de médicaments, par exemple, et un moteur linéaire pour le séquençage de l'ADN dans le cadre de la découverte de nouveaux médicaments.
Durée du voyage
Bien qu'il existe de nombreuses exceptions, la course optimale des moteurs linéaires varie de quelques millimètres à plusieurs mètres. En dessous, une solution comme une flexion peut s'avérer plus efficace ; au-delà, les entraînements par courroie et les conceptions à crémaillère sont probablement plus judicieux.
La course des moteurs linéaires est limitée non seulement par le coût et la stabilité du montage, mais aussi par la gestion des câbles. Pour générer le mouvement, le forceur doit être alimenté, ce qui implique que les câbles d'alimentation doivent parcourir toute la course. Les câbles très flexibles et les chemins de câbles qui les accompagnent sont coûteux, et le fait que le câblage soit le principal point de défaillance du contrôle de mouvement complique encore la situation.
Bien sûr, la nature même des moteurs linéaires peut apporter une solution astucieuse à ce problème. Pour résoudre ce problème, nous montons le forceur sur la base fixe et déplaçons la piste magnétique. De cette façon, tous les câbles arrivent au forceur fixe. L'accélération d'un moteur donné est légèrement inférieure, car on n'accélère pas une bobine, mais une piste magnétique, plus lourde. Si l'on utilisait cette solution pour des forces de gravité élevées, ce serait problématique. Si l'on n'a pas vraiment d'application à force de gravité élevée, cette conception pourrait être très intéressante.
Profeta cite les servomoteurs linéaires Aerotech dont les forces de pointe varient de 12,7 à 400 kg. Mais là encore, la conception fondamentale des moteurs linéaires se prête à des solutions uniques offrant bien plus. Certains de nos plus gros moteurs linéaires en assemblent six et génèrent près de 2700 kg de force. Il est possible d'installer plusieurs servomoteurs sur plusieurs rails, de les fixer mécaniquement, puis de les commuter ensemble pour qu'ils fonctionnent comme un seul moteur ; ou encore, d'installer plusieurs servomoteurs sur le même rail magnétique, de les monter sur le chariot supportant la charge et de les traiter comme un seul moteur.
Étant donné que nous vivons dans le monde réel et qu’il est impossible de faire correspondre exactement la commutation, cette approche entraîne une pénalité d’efficacité de quelques pour cent, mais elle peut néanmoins fournir la meilleure solution globale pour une application donnée.
Tête à tête
Du point de vue de la force, comment les moteurs linéaires se comparent-ils aux combinaisons moteur rotatif/actionneur linéaire ? Le compromis en termes de force est important. Nous comparons un moteur linéaire sans encoche à huit pôles de 10 cm de large avec un moteur à vis de 10 cm de large. Notre moteur linéaire à huit pôles présente une force maximale de 180 N (40 lb) et une force continue de 50 N (11 lb). Dans le même profil, avec un servomoteur NEMA 23 et notre moteur à vis, la charge axiale maximale est de 90 kg (200 lb), ce qui, vu sous cet angle, représente une réduction de la force continue d'un facteur 20.
Les résultats réels varient en fonction du pas et du diamètre de la vis, des bobines et de la conception du moteur, précise-t-il rapidement, et sont limités par les roulements axiaux qui soutiennent la vis. Le moteur linéaire à noyau de fer de 33 cm de large de l'entreprise peut générer une force axiale maximale de 720 kg, contre 200 kg pour un moteur à vis de 15 cm de large, par exemple, mais l'espace perdu est considérable.
Pour paraphraser un slogan politique, c'est l'application qui compte, idiot. Si la densité de force est la préoccupation principale, alors un actionneur est probablement le meilleur choix. Si l'application requiert de la réactivité, par exemple dans une application de haute précision et à forte accélération comme l'inspection LCD, le compromis entre l'encombrement et la force pour obtenir les performances nécessaires est justifié.
Garder propre
La contamination est un problème majeur pour le contrôle des mouvements dans les environnements de fabrication, et les moteurs linéaires ne font pas exception. L'un des principaux problèmes des moteurs linéaires standard est l'exposition à la contamination, comme les particules solides ou l'humidité. Ce problème est plus important pour les conceptions à plat que pour les conceptions à profil en U.
Il est très difficile de sceller complètement la solution. Il est préférable d'éviter un environnement très humide. Si vous utilisez un moteur linéaire pour une application de découpe au jet d'eau, il est nécessaire de lui appliquer une pression positive et de bien le protéger, car l'électronique du moteur linéaire est directement connectée à l'actionneur.
Dans le cas des conceptions à canal en U, l'inversion du U peut minimiser le risque de pénétration de particules dans le canal, mais cela crée des problèmes de gestion thermique qui peuvent compromettre les performances en raison du déplacement de la masse du rail magnétique par rapport à celle du forceur. Là encore, il s'agit d'un compromis, et l'application détermine l'utilisation.
L'environnement n'est pas le seul facteur pouvant affecter le moteur linéaire : le moteur linéaire peut également créer des problèmes. Contrairement aux conceptions rotatives, les grands aimants des unités linéaires peuvent endommager les environnements sensibles au magnétisme, par exemple dans les machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cela peut même poser problème dans des applications plus courantes comme la découpe de métaux. Ces aimants à forte force tentent d'attirer les copeaux métalliques sur la piste magnétique. Sans protection adéquate, les moteurs linéaires ne fonctionneront donc pas correctement dans ce type d'applications.
À propos de ces applications…
Alors, quelle est la cible idéale pour les applications des moteurs linéaires ? La métrologie, pour commencer, dans des domaines comme la fabrication de semi-conducteurs, de LED et d'écrans LCD. L'impression numérique de grands panneaux est également un marché en pleine croissance, tout comme le secteur biomédical. Même pour la fabrication de petites pièces, nos clients installent des paires de moteurs linéaires en configurations portiques pour les tâches d'assemblage. Pour optimiser la cadence de production, l'accélération et la vitesse élevées de ces moteurs sont avantageuses. Nous nous sommes récemment intéressés à la fabrication de piles à combustible ; la découpe au pochoir en est une autre.
Cela répond à la question du « où ? », mais qu'en est-il de la quantité ? La technologie des moteurs linéaires est en développement depuis des décennies. Où en est-elle donc en termes d'acceptation sur le marché ? On les rencontre rarement en raison de leur coût, mais ils sont très pertinents dans certaines applications.
Nous attribuons cela au cycle de vie du consommateur. On trouve les innovateurs, les adopteurs précoces, la majorité précoce, la majorité tardive et les retardataires. Nous en sommes maintenant au stade où l'utilisation d'un moteur linéaire devient plus courante. Nous entrons dans cette phase de majorité précoce.
Le prix des moteurs linéaires baisse à mesure que nous optimisons le processus de fabrication et que les volumes augmentent. Nous les retrouvons donc dans de plus en plus d'applications. [Aerotech] fabrique également des platines à vis à billes. Je dirais qu'à l'heure actuelle, nous vendons autant, voire plus, de platines à moteur linéaire que de platines à vis à billes. Nous les intégrons à un nombre croissant d'applications. Il y a dix ans, la plupart des applications se limitaient aux laboratoires, en environnements propres. Aujourd'hui, nous les intégrons à des opérations beaucoup plus industrielles. L'un de mes segments de marché est l'automobile, et nous avons intégré des moteurs linéaires à un nombre croissant d'applications automobiles.
Selon votre configuration, vous pouvez obtenir un moteur linéaire pour un prix quasiment inférieur à celui d'une transmission par courroie. Vous bénéficiez de l'avantage d'un moteur linéaire à entraînement direct, d'un temps de réponse rapide et de l'absence de raideur de ressort comme la courroie, pour un prix très similaire. L'inconvénient est que vous ne bénéficiez pas de l'avantage mécanique de la courroie et de la poulie/réducteur pour obtenir cette force supplémentaire.
Avantages et inconvénients : voilà qui résume tout. Examinez attentivement votre application, comprenez vos besoins et déterminez votre flexibilité. Une fois que vous saurez comment envisager vos compromis, vous serez en mesure de décider en toute connaissance de cause lequel d'un moteur linéaire ou d'un actionneur linéaire répondra le mieux à vos besoins.
Date de publication : 12 juin 2023