Les moteurs linéaires prolifèrent. Ils confèrent aux machines la plus haute précision et les meilleures performances dynamiques.

Les moteurs linéaires sont très rapides et précis pour le positionnement, mais sont également capables d'une vitesse de déplacement lente et constante pour les têtes de machines et les coulisses, ainsi que pour les systèmes de manipulation d'outils et de pièces. Une variété d'applications (chirurgie au laser, inspection visuelle et manipulation de bouteilles et de bagages) utilisent des moteurs linéaires car ils sont extrêmement fiables, nécessitent peu d'entretien et améliorent les cycles de production.

Vitesse et force plus élevées

Les moteurs linéaires sont directement couplés à leur charge, ce qui élimine une multitude de composants d'accouplement : accouplements mécaniques, poulies, courroies de distribution, vis à billes, entraînements par chaîne, crémaillère et pignons, pour n'en nommer que quelques-uns. Cela réduit à son tour les coûts, voire les réactions négatives. Les moteurs linéaires permettent également un mouvement cohérent, un positionnement précis sur des centaines de millions de cycles et des vitesses plus élevées.

Les vitesses typiques pouvant être atteintes avec les moteurs linéaires varient : Machines de prélèvement et de placement (qui effectuent de nombreux mouvements courts) et utilisation d'équipements d'inspectionpas à pas linéairesavec des vitesses allant jusqu'à 60 po/sec ; applications de cisaille volante et machines de sélection et de placement qui effectuent des mouvements plus longssans balaismoteurs linéaires pour des vitesses allant jusqu'à 200 po/sec ; les montagnes russes, les lanceurs de véhicules et les transports de personnes utilisent desinduction à courant alternatifmoteurs pour atteindre des vitesses allant jusqu'à 2 000 po/sec.

Un autre facteur qui détermine quelle technologie de moteur linéaire est la meilleure : la force requise pour déplacer la charge de l'application. La charge ou la masse ainsi que le profil d'accélération de l'application déterminent en fin de compte cette force.

Chaque application présente des défis différents ; cependant, en général, les systèmes de transfert de pièces utilisent des moteurs pas à pas linéaires avec des forces allant jusqu'à 220 N ou 50 lb ; les semi-conducteurs, la découpe laser, la découpe au jet d'eau et la robotique utilisent des moteurs sans balais et sans engrenages jusqu'à 2 500 N ; les systèmes de convoyeurs utilisent des moteurs à induction linéaires à courant alternatif jusqu'à 2 200 N ; et les lignes de transfert et les machines-outils utilisent des moteurs sans balais à noyau de fer jusqu'à 14 000 N. Gardez à l'esprit que chaque application est différente et que les ingénieurs d'application du fabricant fournissent généralement une assistance à cette étape de spécification.

D'autres facteurs que la vitesse et la force existent. Par exemple, les systèmes de convoyeurs utilisent des moteurs à induction linéaires à courant alternatif en raison de leur longue course et des avantages d'avoir un secondaire passif sans aimants permanents. Des applications telles que la chirurgie oculaire au laser et la fabrication de semi-conducteurs utilisent un système sans balais pour une précision et une fluidité de déplacement.

Fonctionnement de base

Les moteurs linéaires fonctionnent grâce à l’interaction de deux forces électromagnétiques – la même interaction de base qui produit le couple dans un moteur rotatif.

Imaginez découper un moteur rotatif puis l'aplatir : cela donne une idée approximative de la géométrie d'un moteur linéaire. Au lieu de coupler la charge à un arbre rotatif pour obtenir un couple, la charge est connectée à un wagon plat en mouvement pour un mouvement et une force linéaires. En bref, le couple est l'expression du travail fourni par un moteur rotatif, tandis que la force est l'expression du travail d'un moteur linéaire.

Précision

Considérons d'abord un système pas à pas rotatif traditionnel : connecté à une vis à billes avec un pas de 5 tours par pouce, la précision est d'environ 0,004 à 0,008 pouces, ou 0,1 à 0,2 mm. Un système rotatif alimenté par un servomoteur a une précision de 0,001 à 0,0001 pouce.

En revanche, un moteur linéaire couplé directement à sa charge donne une précision allant de 0,0007 à 0,000008 pouces. Notez que le jeu de l'accouplement et de la vis à billes ne sont pas inclus dans ces figures, et ceux-ci dégradent encore la précision des systèmes rotatifs.

La précision relative varie : le moteur pas à pas rotatif typique que nous détaillons ici peut toujours se positionner avec précision dans le diamètre d'un cheveu humain. Cela dit, les servos améliorent cela jusqu'à 80 fois, tandis qu'un moteur linéaire peut encore améliorer ce résultat, jusqu'à 500 fois plus petit que le diamètre des cheveux humains.

Parfois, la maintenance et le coût (sur la durée de vie de l'équipement) sont des considérations plus importantes que la précision. Les moteurs linéaires excellent ici aussi : les coûts de maintenance diminuent généralement avec l'utilisation de moteurs linéaires, car les pièces sans contact améliorent le fonctionnement de la machine et augmentent le temps moyen entre pannes. De plus, le jeu nul des moteurs linéaires élimine les chocs, ce qui prolonge encore la durée de vie de la machine. Autres avantages : le temps entre les cycles de maintenance peut être augmenté, permettant un plus grand flux opérationnel. Moins de maintenance et moins de personnel impliqué améliorent les résultats financiers (bénéfices) et réduisent le coût de possession tout au long de la durée de vie de l'équipement.

Avantages comparés

Les applications nécessitent un mouvement linéaire. Si vous utilisez un moteur rotatif, un mécanisme de conversion mécanique est nécessaire pour convertir le mouvement rotatif en mouvement linéaire. Ici, les concepteurs sélectionnent le mécanisme de conversion le plus adapté à l'application tout en minimisant les limitations.

• Moteur linéaire versus courroie et poulie :Pour obtenir un mouvement linéaire à partir d’un moteur rotatif, une approche courante consiste à utiliser une courroie et une poulie. Généralement, la force de poussée est limitée par la résistance à la traction de la courroie ; des démarrages et des arrêts rapides peuvent provoquer un étirement de la courroie et donc une résonance, entraînant un temps de stabilisation accru. L'enroulement mécanique, le jeu et l'étirement de la courroie diminuent également la répétabilité, la précision et le débit de la machine. Parce que la vitesse et la répétabilité sont la clé du jeu en matière de mouvement asservi, ce n'est pas le meilleur choix. Là où une conception à poulie et courroie peut atteindre 3 m/s, la conception linéaire peut atteindre 10 m/s. Sans aucun jeu ni enroulement, les moteurs linéaires à entraînement direct améliorent encore la répétabilité et la précision.
• Moteur linéaire versus crémaillère et pignon :Les pignons et crémaillères offrent plus de poussée et de rigidité mécanique que les conceptions à courroie et poulie. Cependant, l'usure bidirectionnelle au fil du temps entraîne des répétabilités et des inexactitudes douteuses, qui constituent les inconvénients majeurs de ce mécanisme. Le jeu empêche le retour du moteur de détecter la position réelle de la charge, ce qui entraîne une instabilité et entraîne des gains plus faibles et des performances globales plus lentes. En revanche, les machines alimentées par des moteurs linéaires sont plus rapides et se positionnent avec plus de précision.
• Moteur linéaire versus vis à billes :L'approche la plus courante pour convertir un mouvement rotatif en mouvement linéaire consiste à utiliser une vis à bille ou à bille. Ceux-ci sont peu coûteux mais moins efficaces : les vis-mères généralement à 50 % ou moins, et les vis à billes, environ 90 %. Une friction élevée produit de la chaleur et une usure à long terme réduit la précision. La distance de déplacement est mécaniquement limitée. De plus, les limites de vitesse linéaires ne peuvent être étendues qu'en augmentant le pas, mais cela dégrade la résolution positionnelle ; une vitesse de rotation trop élevée peut également provoquer le fouettage des vis, entraînant des vibrations. Les moteurs linéaires offrent des déplacements longs et illimités. Avec un codeur sur la charge, la précision à long terme est généralement de ±5 µm/300 mm.

Types de moteurs linéaires de base

Comme il existe différentes technologies de moteurs rotatifs, il existe également plusieurs types de moteurs linéaires : pas à pas, sans balais et à induction linéaire à courant alternatif, entre autres. Notez que la technologie linéaire utilise des entraînements (amplificateurs), des positionneurs (contrôleurs de mouvement) et des dispositifs de rétroaction (tels que des capteurs et encodeurs Hall) couramment disponibles dans l'industrie.

De nombreuses conceptions bénéficient de moteurs linéaires personnalisés, mais les conceptions standard conviennent généralement.

Moteurs linéaires à noyau de fer sans balaissont caractérisés par un laminage d'acier dans le forceur mobile pour canaliser le flux magnétique. Ce type de moteur a des forces nominales plus élevées et est plus efficace, mais pèse trois à cinq fois plus que les moteurs sans engrenages de taille comparable. Le plateau fixe est constitué d'aimants permanents multipolaires à polarité alternée liés sur une plaque d'acier laminée à froid en nickel. Les tôles d'acier du forceur mobile réagissent cependant avec les aimants du plateau stationnaire, qui développent une force « attractive » et présentent une petite quantité de crantage ou d'ondulation lorsque le moteur se déplace d'un champ magnétique à un autre, ce qui entraîne des variations de vitesse.

Ces moteurs développent une grande quantité de force de pointe, ont une masse thermique plus importante et une longue constante de temps thermique. Ils conviennent donc aux applications à force élevée et à cycle de service intermittent déplaçant des charges très lourdes, comme dans les lignes de transfert et les machines-outils ; ils sont conçus pour des déplacements illimités et peuvent inclure plusieurs plateaux mobiles dont les trajectoires se chevauchent.

Moteurs sans balais et sans engrenagesavoir un ensemble de bobines dans le forceur mobile sans tôles d'acier. La bobine est constituée de fil, d'époxy et d'une structure de support non magnétique. Cet appareil est beaucoup plus léger. La conception de base produit une force moindre, donc des aimants supplémentaires sont insérés sur la piste stationnaire (aide à augmenter la force) et la piste est en forme de U avec des aimants de chaque côté de ce U. La force est insérée au milieu du U. .

Ces moteurs conviennent aux applications qui nécessitent un fonctionnement fluide sans encoches magnétiques, telles que les équipements de numérisation ou d'inspection. Leurs accélérations plus élevées sont utiles pour le prélèvement et le placement de semi-conducteurs, le tri des puces et la distribution de soudure et d'adhésif. Ces moteurs sont conçus pour des déplacements illimités.

Steppers linéairessont disponibles depuis longtemps ; le forceur mobile se compose de noyaux en acier laminé avec fentes précises avec des dents, d'un seul aimant permanent et de bobines insérées dans le noyau laminé. (Notez que deux bobines donnent un moteur pas à pas biphasé.) Cet ensemble est encapsulé dans un boîtier en aluminium.

Le plateau fixe est constitué de dents gravées photochimiquement sur une barre d'acier, rectifiées et nickelées. Cela peut être empilé bout à bout pour une longueur illimitée. Le moteur est livré complet avec forceur, roulements et plateau. La force d'attraction de l'aimant est utilisée comme précharge pour les roulements ; cela permet également à l'unité de fonctionner en position inversée pour une variété d'applications.

Moteurs asynchrones à courant alternatifse composent d'un forceur qui est un ensemble de bobines composé de tôles d'acier et d'enroulements de phase. Les enroulements peuvent être monophasés ou triphasés. Cela permet un contrôle en ligne direct ou un contrôle via un onduleur ou un entraînement vectoriel. Le plateau fixe (appelé plateau de réaction) est généralement constitué d’une fine couche d’aluminium ou de cuivre collée sur de l’acier laminé à froid.

Une fois la bobine de force sous tension, elle interagit avec le plateau de réaction et se déplace. Des vitesses plus élevées et des longueurs de déplacement illimitées sont les points forts de cette conception ; ils sont utilisés pour la manutention, les transports de personnes, les convoyeurs et les portails coulissants.

Nouveaux concepts de conception

Certaines des dernières améliorations de conception ont été mises en œuvre via une réingénierie. Par exemple, certains moteurs pas à pas linéaires (conçus à l’origine pour fournir un mouvement dans un plan) sont désormais repensés pour fournir un mouvement dans deux plans – pour un mouvement XY. Ici, le forceur mobile se compose de deux moteurs pas à pas linéaires montés orthogonalement à 90° de sorte que l'un fournit un mouvement sur l'axe X et l'autre fournit un mouvement sur l'axe Y. Plusieurs forceurs avec des trajectoires qui se chevauchent sont également possibles.

Dans ces moteurs à deux plans, la plate-forme stationnaire (ou plateau) utilise une nouvelle construction composite pour plus de résistance. La rigidité est également améliorée, la déflexion est donc réduite de 60 à 80 % par rapport aux modèles de production précédents. La planéité du plateau dépasse 14 microns par 300 mm pour un mouvement précis. Enfin : étant donné que les steppers ont une force d'attraction naturelle, ce concept permet au plateau d'être monté soit face vers le haut, soit inversé, offrant ainsi polyvalence et flexibilité pour les applications.

Une autre innovation technique – le refroidissement par eau – augmente de 25 % la capacité de force des moteurs à induction linéaires à courant alternatif. Grâce à cette extension de capacité, ainsi qu'à l'avantage d'une longueur de déplacement illimitée, les moteurs à induction à courant alternatif offrent les performances les plus élevées pour de nombreuses applications : manèges, manutention des bagages et transports de personnes. La vitesse est variable (de 6 à 2 000 po/sec) grâce aux variateurs de vitesse réglables actuellement disponibles dans l'industrie.

Un autre moteur encore comprend un boîtier cylindrique fixe avec une partie mobile linéaire pour assurer le mouvement. La pièce mobile peut être une tige constituée d'acier cuivré, une bobine mobile ou un aimant mobile, comme un piston dans un cylindre.

Ces conceptions offrent les avantages d’un moteur linéaire et fonctionnent de manière similaire à un actionneur linéaire. Les applications incluent les coloscopies biomédicales, les caméras avec des actionneurs à obturateur long, les télescopes qui nécessitent un amortissement des vibrations, les moteurs de focalisation lithographique, les interrupteurs de générateur qui lancent des disjoncteurs pour mettre les générateurs en ligne et le pressage des aliments – comme lors de l'abattage des tortillas.

Les ensembles ou étages complets de moteurs linéaires conviennent au positionnement de charges utiles. Ceux-ci comprennent le moteur, le codeur de rétroaction, les interrupteurs de fin de course et le support de câble. Il est possible d'empiler des platines pour un mouvement multi-axes.

L'un des avantages des platines linéaires est leur profil plus bas, qui leur permet de s'insérer dans des espaces plus petits par rapport aux positionneurs conventionnels. Moins de composants permettent une fiabilité accrue. Ici, le moteur est connecté à des entraînements réguliers. Dans un fonctionnement en boucle fermée, la boucle de position est fermée avec un contrôleur de mouvement.

Encore une fois, outre les produits en stock, les conceptions personnalisées et spécialisées abondent. En fin de compte, il est préférable d'examiner les besoins en équipement avec un ingénieur d'application afin de déterminer le produit linéaire optimal adapté aux besoins de l'application.