Les moteurs linéaires se multiplient. Ils confèrent aux machines une précision et des performances dynamiques optimales.

Les moteurs linéaires sont très rapides et précis pour le positionnement, mais peuvent également fonctionner à vitesse lente et constante pour les têtes et les coulisseaux de machines, ainsi que pour les systèmes de manutention d'outils et de pièces. De nombreuses applications – chirurgie laser, inspection visuelle et manutention de bouteilles et de bagages – utilisent des moteurs linéaires en raison de leur extrême fiabilité, de leur faible entretien et de l'amélioration des cycles de production.

Vitesse et force supérieures

Les moteurs linéaires sont directement couplés à leur charge, ce qui élimine de nombreux composants d'accouplement : accouplements mécaniques, poulies, courroies de distribution, vis à billes, transmissions par chaîne et crémaillères, pour n'en citer que quelques-uns. Cela réduit les coûts et même le jeu. Les moteurs linéaires permettent également un mouvement constant, un positionnement précis sur des centaines de millions de cycles et des vitesses plus élevées.

Les vitesses typiques atteignables avec les moteurs linéaires varient : les machines Pick and Place (qui effectuent de nombreux mouvements courts) et les équipements d'inspection utilisentmoteurs linéaires pas à pasavec des vitesses allant jusqu'à 60 po/s ; applications de cisaillement volant et machines de prélèvement et de placement qui effectuent des mouvements plus longssans pignon et sans balaismoteurs linéaires pour des vitesses allant jusqu'à 200 po/s ; les montagnes russes, les lanceurs de véhicules et les véhicules de transport de personnes utilisent des moteurs linéairesinduction alternativemoteurs pour atteindre des vitesses allant jusqu'à 2 000 po/s.

Un autre facteur déterminant la meilleure technologie de moteur linéaire est la force requise pour déplacer la charge. La charge ou la masse, ainsi que le profil d'accélération de l'application, déterminent 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.

Outre la vitesse et la force, d'autres facteurs entrent en jeu. Par exemple, les systèmes de convoyage utilisent des moteurs à induction linéaires à courant alternatif en raison de leur grande course et des avantages d'un secondaire passif sans aimants permanents. Des applications comme la chirurgie oculaire au laser et la fabrication de semi-conducteurs utilisent des moteurs sans balais et sans engrenages pour un déplacement précis et fluide.

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 que vous découpez un moteur rotatif puis que vous l'aplatissez : cela donne une idée générale de la géométrie d'un moteur linéaire. Au lieu de coupler la charge à un arbre rotatif, la charge est reliée à un chariot plat en mouvement pour produire un mouvement linéaire et une force. En résumé, le couple exprime le travail fourni par un moteur rotatif, tandis que la force exprime le travail du moteur linéaire.

Précision

Considérons d'abord un système rotatif pas à pas traditionnel : relié à une vis à billes d'un pas de 5 tours par pouce, sa précision est d'environ 0,004 à 0,008 pouce, soit 0,1 à 0,2 mm. Un système rotatif entraîné par un servomoteur offre une précision de 0,001 à 0,0001 pouce.

En revanche, un moteur linéaire couplé directement à sa charge offre une précision allant de 0,0007 à 0,000008 po. Notez que le jeu de l'accouplement et de la vis à billes ne sont pas inclus dans ces chiffres, ce qui dégrade encore davantage la précision des systèmes rotatifs.

La précision relative varie : le moteur pas à pas rotatif classique que nous détaillons ici peut toujours se positionner avec une précision équivalente à celle d'un cheveu humain. Cela dit, les servomoteurs améliorent cette précision jusqu'à 80 fois, tandis qu'un moteur linéaire peut encore améliorer cette précision, jusqu'à 500 fois inférieure à celle d'un cheveu humain.

Parfois, la maintenance et le coût (sur toute la durée de vie de l'équipement) sont des critères plus importants que la précision. Les moteurs linéaires excellent également dans ce domaine : les coûts de maintenance diminuent généralement grâce à l'utilisation de moteurs linéaires, car les pièces sans contact améliorent le fonctionnement de la machine et augmentent l'intervalle moyen entre pannes. De plus, l'absence de jeu des moteurs linéaires élimine les chocs, ce qui prolonge encore la durée de vie de la machine. Autres avantages : l'intervalle entre les cycles de maintenance peut être allongé, ce qui améliore le flux opérationnel. La réduction de la maintenance et de l'intervention du personnel améliore les résultats financiers (profits) et réduit le coût de possession sur la durée de vie de l'équipement.

Avantages comparés

Les applications nécessitent un mouvement linéaire. Si un moteur rotatif est utilisé, un mécanisme de conversion mécanique est nécessaire pour convertir le mouvement rotatif en mouvement linéaire. Dans ce cas, les concepteurs choisissent le mécanisme de conversion le mieux adapté à l'application tout en minimisant les contraintes.

• 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, ce qui augmente le temps de stabilisation. L'enroulement mécanique, le jeu et l'étirement de la courroie réduisent également la répétabilité, la précision et la cadence de la machine. La vitesse et la répétabilité étant essentielles en servomoteur, ce n'est pas la meilleure solution. Alors qu'une conception courroie-poulie peut atteindre 3 m/s, une conception linéaire peut atteindre 10 m/s. Sans jeu ni enroulement, les moteurs linéaires à entraînement direct améliorent encore la répétabilité et la précision.
• Moteur linéaire versus crémaillère et pignon :Les crémaillères et pignons offrent une poussée et une rigidité mécanique supérieures à celles des systèmes à courroie et poulie. Cependant, l'usure bidirectionnelle au fil du temps entraîne des erreurs de répétabilité et des imprécisions douteuses, ce qui constitue les principaux inconvénients de ce mécanisme. Le jeu empêche le retour d'information du moteur de détecter la position réelle de la charge, ce qui entraîne une instabilité et une diminution des gains et des performances globales. En revanche, les machines équipées de 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-mère ou une vis à billes. Ces solutions sont peu coûteuses, mais moins efficaces : les vis-mères ont généralement une efficacité de 50 % ou moins, et les vis à billes environ 90 %. Un frottement important produit de la chaleur et l'usure à long terme réduit la précision. La distance de déplacement est mécaniquement limitée. De plus, les limites de vitesse linéaire ne peuvent être étendues qu'en augmentant le pas, ce qui dégrade la résolution de positionnement ; une vitesse de rotation trop élevée peut également provoquer un battement des vis, entraînant des vibrations. Les moteurs linéaires offrent une course longue et illimitée. Avec un codeur en charge, la précision à long terme est généralement de ± 5 µm/300 mm.

Types de moteurs linéaires de base

Tout comme il existe différentes technologies de moteurs rotatifs, il existe également plusieurs types de moteurs linéaires : moteurs pas à pas, moteurs sans balais et moteurs à induction linéaires à courant alternatif, entre autres. Il est à noter que la technologie linéaire utilise des variateurs (amplificateurs), des positionneurs (contrôleurs de mouvement) et des dispositifs de rétroaction (tels que des capteurs à effet Hall et des codeurs) couramment disponibles dans l'industrie.

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

Moteurs linéaires sans balais à noyau de ferIls se caractérisent par un laminage d'acier dans le moteur à force mobile pour canaliser le flux magnétique. Ce type de moteur offre une force nominale plus élevée et un meilleur rendement, mais pèse trois à cinq fois plus lourd que les moteurs sans engrenage de taille comparable. Le plateau fixe est constitué d'aimants permanents multipolaires à polarité alternée, collés sur une plaque d'acier nickelé laminée à froid. Les laminages d'acier du moteur à force mobile réagissent cependant avec les aimants du plateau fixe, qui développent une force d'attraction et présentent une légère ondulation lorsque le moteur passe 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 constante de temps thermique longue — ils sont donc adaptés aux applications à cycle de service intermittent à force élevée 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 avec des trajectoires qui se chevauchent.

Moteurs sans balais et sans pignonsLe forceur mobile est équipé d'un assemblage de bobines sans tôles d'acier. La bobine est composée de fil, d'époxy et d'une structure de support amagnétique. Cet ensemble est beaucoup plus léger. Sa conception de base produit une force moindre ; des aimants supplémentaires sont donc insérés sur la piste fixe (pour augmenter la force). La piste est en forme de U avec des aimants de chaque côté. Le forceur est inséré au centre du U.

Ces moteurs sont adaptés aux applications nécessitant un fonctionnement fluide et sans à-coups magnétiques, comme les équipements de numérisation ou d'inspection. Leurs accélérations élevées sont utiles pour le pick-and-place de semi-conducteurs, le tri de puces et la distribution de soudure et d'adhésif. Ces moteurs sont conçus pour une course illimitée.

Moteurs pas à pas linéairessont disponibles depuis longtemps ; le moteur pas à pas mobile est constitué de noyaux en acier laminé, précisément rainurés avec des dents, d'un seul aimant permanent et de bobines insérées dans le noyau laminé. (À noter que deux bobines forment 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, rectifiée et nickelée. Il 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 sert de précharge aux roulements ; elle permet également de faire fonctionner l'unité en position inversée pour diverses applications.

moteurs à induction à courant alternatifIls sont constitués d'un actionneur, 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 via un onduleur ou un variateur 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 activée, elle interagit avec la plaque de réaction et se déplace. Les avantages de cette conception sont ses vitesses élevées et ses courses illimitées ; elle est utilisée pour la manutention, les navettes, les convoyeurs et les portails coulissants.

Nouveaux concepts de design

Certaines des dernières améliorations de conception ont été réalisées par réingénierie. Par exemple, certains moteurs pas à pas linéaires (initialement conçus pour un mouvement dans un seul plan) sont désormais repensés pour un mouvement dans deux plans, pour un mouvement XY. Ici, le moteur pas à pas mobile est constitué de deux moteurs pas à pas linéaires montés orthogonalement à 90°, l'un assurant le mouvement sur l'axe X et l'autre sur l'axe Y. Il est également possible d'utiliser plusieurs moteurs pas à pas avec des trajectoires se chevauchant.

Dans ces moteurs à deux plans, la plateforme fixe (ou plateau) utilise une nouvelle construction composite pour plus de robustesse. La rigidité a également été améliorée, réduisant ainsi la déflexion de 60 à 80 % par rapport aux modèles précédents. La planéité du plateau dépasse 14 microns par 300 mm pour un mouvement précis. Enfin, grâce à la force d'attraction naturelle des moteurs pas à pas, ce concept permet de monter le plateau face vers le haut ou à l'envers, offrant ainsi polyvalence et flexibilité aux applications.

Une autre innovation technique, le refroidissement par eau, augmente de 25 % la capacité de charge des moteurs linéaires à induction CA. Grâce à cette capacité accrue et à l'avantage d'une course illimitée, les moteurs à induction CA offrent des performances optimales pour de nombreuses applications : manèges, manutention de bagages et navettes. La vitesse est variable (de 6 à 2 000 po/s) grâce aux variateurs de vitesse actuellement disponibles dans l'industrie.

Un autre moteur comprend un boîtier cylindrique fixe avec une pièce mobile linéaire assurant le mouvement. Cette pièce mobile peut être une tige en 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 à obturateur long, les télescopes nécessitant un amortissement des vibrations, les moteurs de focalisation pour la lithographie, les commutateurs de générateurs qui déclenchent les disjoncteurs pour les mettre en marche, et le pressage des aliments, comme pour la découpe des tortillas.

Des ensembles complets de moteurs linéaires ou platines conviennent au positionnement de charges utiles. Ils comprennent un moteur, un codeur de rétroaction, des interrupteurs de fin de course et un porte-câble. Il est possible d'empiler les platines pour un mouvement multiaxe.

L'un des avantages des platines linéaires est leur profil plus compact, qui leur permet de s'intégrer dans des espaces plus restreints que les positionneurs conventionnels. La réduction du nombre de composants assure une fiabilité accrue. Dans ce cas, le moteur est connecté à des variateurs classiques. En fonctionnement en boucle fermée, la boucle de positionnement est fermée par un contrôleur de mouvement.

Outre les produits standard, 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.