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

Les moteurs linéaires sont très rapides et précis pour le positionnement, mais permettent également un déplacement lent et constant pour les têtes de machines et les glissières, ainsi que pour les systèmes de manutention d'outils et de pièces. De nombreuses applications, telles que la chirurgie laser, l'inspection visuelle et la manutention de bouteilles et de bagages, utilisent des moteurs linéaires en raison de leur extrême fiabilité, de leur faible besoin d'entretien et de leur capacité à optimiser les cycles de production.

Vitesse et force plus élevées

Les moteurs linéaires sont directement couplés à leur charge, ce qui élimine de nombreux composants de couplage : accouplements mécaniques, poulies, courroies de distribution, vis à billes, transmissions par chaîne et systèmes pignon-crémaillère, entre autres. Il en résulte une réduction des coûts et même du 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 de prélèvement et de placement (qui effectuent de nombreux déplacements courts) et les équipements d’inspection les utilisent.moteurs pas à pas linéairesavec des vitesses allant jusqu'à 60 pouces/seconde ; les applications de cisaille volante et les machines de prélèvement et de placement qui effectuent des déplacements plus longs utilisentsans balais sans engrenageMoteurs linéaires pour des vitesses allant jusqu'à 200 pouces/seconde ; les montagnes russes, les lanceurs de véhicules et les systèmes de transport de personnes utilisent des moteurs linéaires.induction ACmoteurs pour atteindre des vitesses de 2 000 pouces/seconde.

Un autre facteur déterminant pour le choix de la technologie de moteur linéaire la plus adaptée est la force nécessaire au déplacement de la charge. Cette force est déterminée en définitive par la charge ou sa masse, ainsi que par le profil d'accélération de l'application.

Chaque application présente des défis différents ; toutefois, en général, les systèmes de transfert de pièces utilisent des moteurs pas à pas linéaires d'une force maximale de 220 N ou 50 lb ; les secteurs des semi-conducteurs, de la découpe laser, de la découpe au jet d'eau et de la robotique utilisent des moteurs sans balais et sans engrenages jusqu'à 2 500 N ; les systèmes de convoyage utilisent des moteurs à induction linéaires 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. Il est important de noter que chaque application est différente et que les ingénieurs d'application des fabricants apportent généralement leur aide 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 linéaire en raison de leur grande course et des avantages d'un engrenage secondaire passif sans aimants permanents. Des applications telles que la chirurgie oculaire au laser et la fabrication de semi-conducteurs utilisent des moteurs sans balais et sans engrenages pour une précision et une fluidité de déplacement optimales.

Fonctionnement de base

Les moteurs linéaires fonctionnent grâce à l'interaction de deux forces électromagnétiques — la même interaction fondamentale qui produit un couple dans un moteur rotatif.

Imaginez un moteur rotatif coupé puis aplati : cela donne une idée approximative de la géométrie d'un moteur linéaire. Au lieu de coupler une charge à un arbre rotatif, on la relie à un chariot horizontal en mouvement pour obtenir un mouvement linéaire et une force. En résumé, le couple est l'expression du travail fourni par un moteur rotatif, tandis que la force est l'expression du travail fourni par un moteur linéaire.

Précision

Considérons d'abord un système rotatif pas à pas traditionnel : relié à une vis à billes avec 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 de l'ordre de 0,0007 à 0,000008 pouce. Il convient de noter que le jeu de l'accouplement et de la vis à billes n'est pas inclus dans ces valeurs, et que ces éléments dégradent encore davantage la précision des systèmes rotatifs.

La précision relative varie : le moteur pas à pas rotatif classique que nous décrivons ici permet un positionnement précis à l’échelle du diamètre d’un cheveu. Cependant, les servomoteurs améliorent cette précision jusqu’à 80 fois, tandis qu’un moteur linéaire peut la réduire encore davantage, jusqu’à 500 fois le diamètre d’un cheveu.

Parfois, la maintenance et le coût (sur toute la durée de vie de l'équipement) sont plus importants que la précision. Les moteurs linéaires excellent également dans ce domaine : les coûts de maintenance diminuent généralement grâce à leur utilisation, car l'absence de contact entre les pièces améliore le fonctionnement de la machine et augmente l'intervalle moyen entre les pannes. De plus, l'absence de jeu des moteurs linéaires élimine les à-coups, ce qui prolonge encore la durée de vie de la machine. Autres avantages : l'espacement des interventions de maintenance permet d'optimiser la production. La réduction des interventions de maintenance et du personnel impliqué améliore la rentabilité et diminue le coût total de possession sur la durée de vie de l'équipement.

Comparaison des avantages

Les applications nécessitent un mouvement linéaire. Si un moteur rotatif est utilisé, un mécanisme de conversion mécanique est nécessaire pour transformer le mouvement rotatif en mouvement linéaire. Les concepteurs choisissent alors le mécanisme de conversion le plus 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, on utilise généralement une courroie et une poulie. La force de poussée est généralement limitée par la résistance à la traction de la courroie ; les démarrages et arrêts brusques peuvent provoquer un allongement de la courroie et, par conséquent, une résonance, ce qui augmente le temps de stabilisation. Le jeu mécanique, le jeu angulaire et l'allongement de la courroie réduisent également la répétabilité, la précision et le débit de la machine. La vitesse et la répétabilité étant primordiales dans les servocommandes, cette solution n'est pas optimale. Alors qu'un système courroie-poulie peut atteindre 3 m/s, un moteur linéaire peut atteindre 10 m/s. Sans jeu angulaire ni jeu angulaire, les moteurs linéaires à entraînement direct améliorent encore la répétabilité et la précision.
• Moteur linéaire versus crémaillère et pignon :Les systèmes à crémaillère et pignon offrent une poussée et une rigidité mécanique supérieures aux systèmes à courroie et poulie. Cependant, l'usure bidirectionnelle au fil du temps engendre une répétabilité et une précision variables, principaux inconvénients de ce mécanisme. Le jeu empêche le moteur de détecter la position réelle de la charge, ce qui provoque une instabilité et, par conséquent, une diminution des gains et des performances globales. À l'inverse, les machines entraînées par des moteurs linéaires sont plus rapides et offrent un positionnement plus précis.
• Moteur linéaire versus vis à billes :La méthode la plus courante pour convertir un mouvement rotatif en mouvement linéaire consiste à utiliser une vis sans fin ou une vis à billes. Ces systèmes sont peu coûteux, mais moins efficaces : les vis sans fin affichent généralement un rendement de 50 % ou moins, et les vis à billes d'environ 90 %. Le frottement important génère de la chaleur, et l'usure à long terme réduit la précision. La course 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 position ; une vitesse de rotation trop élevée peut également provoquer un fouettement des vis, engendrant des vibrations. Les moteurs linéaires offrent une course longue et illimitée. Avec un codeur sur la 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 : pas à pas, sans balais et à induction linéaire, entre autres. Il convient de noter que la technologie linéaire utilise des variateurs (amplificateurs), des positionneurs (contrôleurs de mouvement) et des dispositifs de retour d’information (tels que des capteurs à effet Hall et des codeurs) couramment disponibles dans l’industrie.

De nombreuses conceptions tirent profit de moteurs linéaires sur mesure, mais les modèles standard conviennent généralement.

moteurs linéaires à noyau de fer sans balaisCes moteurs se caractérisent par la présence de tôles d'acier laminées dans l'élément mobile afin de 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 que les moteurs sans crans de taille comparable. Le plateau fixe est constitué d'aimants permanents multipolaires à polarité alternée, collés sur une plaque d'acier laminé à froid au nickel. Les tôles d'acier de l'élément mobile interagissent avec les aimants du plateau fixe, générant une force d'attraction et provoquant un léger crantage ou une ondulation lors du passage du moteur d'un champ magnétique à l'autre, ce qui entraîne des variations de vitesse.

Ces moteurs développent une force de pointe importante, possèdent une masse thermique plus élevée 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 un déplacement illimité et peuvent inclure plusieurs plateaux mobiles avec des trajectoires qui se chevauchent.

moteurs sans balais et sans engrenagesLe dispositif de force mobile comporte un ensemble bobine sans tôles d'acier. La bobine est composée de fil, d'époxy et d'une structure de support non magnétique. Ce dispositif est beaucoup plus léger. Sa conception de base générant une force moindre, des aimants supplémentaires sont insérés sur le rail fixe (pour augmenter la force). Ce rail a une forme en U, avec des aimants de chaque côté. Le dispositif de force est inséré au centre du U.

Ces moteurs conviennent aux applications exigeant un fonctionnement fluide sans à-coups magnétiques, comme les équipements de numérisation ou d'inspection. Leurs accélérations élevées sont utiles pour le placement de composants 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 linéairesCes moteurs pas à pas existent depuis longtemps ; le dispositif de propulsion est constitué de noyaux en acier laminé dentés avec précision, d'un aimant permanent et de bobines insérées dans le noyau. (À noter que deux bobines permettent d'obtenir un moteur pas à pas biphasé.) L'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. Ces plateaux peuvent être empilés bout à bout pour obtenir 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 le fonctionnement de l'unité en position inversée pour diverses applications.

Moteurs à induction ACIl se compose d'un dispositif de force constitué d'un assemblage de bobines comprenant des tôles d'acier et des enroulements de phase. Ces enroulements peuvent être monophasés ou triphasés. Ceci permet une commande directe en ligne, ou une commande via un variateur de fréquence 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 d'excitation alimentée, elle interagit avec la plaque de réaction et se met en mouvement. Les points forts de cette conception résident dans sa vitesse élevée et sa course illimitée ; elle est utilisée pour la manutention de matériaux, le transport de personnes, les convoyeurs et les portails coulissants.

Nouveaux concepts de design

Certaines des dernières améliorations de conception ont été mises en œuvre par réingénierie. Par exemple, certains moteurs pas à pas linéaires (initialement conçus pour un mouvement dans un seul plan) sont désormais réinventés pour permettre un mouvement dans deux plans (axes XY). Dans ce cas, le dispositif de déplacement est composé de deux moteurs pas à pas linéaires montés orthogonalement à 90°, l'un assurant le mouvement selon l'axe X et l'autre selon l'axe Y. Il est également possible d'utiliser plusieurs dispositifs de déplacement avec des trajectoires se chevauchant.

Dans ces moteurs à deux plans, la plateforme fixe (ou plateau) bénéficie d'une nouvelle construction composite pour une robustesse accrue. Sa rigidité est également améliorée, réduisant ainsi la déflexion de 60 à 80 % par rapport aux modèles précédents. La planéité du plateau dépasse 14 microns par 300 mm, garantissant un mouvement précis. Enfin, grâce à la force d'attraction naturelle des moteurs pas à pas, ce concept permet un montage du plateau face visible ou face cachée, offrant ainsi une grande polyvalence et une large gamme d'applications.

Une autre innovation technique, le refroidissement par eau, accroît la force admissible des moteurs à induction linéaire de 25 %. Grâce à cette augmentation de capacité, et à l'avantage d'une course illimitée, ces moteurs offrent des performances optimales pour de nombreuses applications : manèges, manutention de bagages et transport de personnes. La vitesse est variable (de 6 à 2 000 pouces/seconde) grâce aux variateurs de vitesse disponibles sur le marché.

Un autre type de 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, à l'instar d'un piston à l'intérieur d'un cylindre.

Ces conceptions offrent les avantages d'un moteur linéaire et des performances similaires à celles d'un actionneur linéaire. Elles trouvent des applications dans les coloscopies biomédicales, les appareils photo à obturateur long, les télescopes nécessitant un amortissement des vibrations, les moteurs de mise au point pour la lithographie, les appareillages de commutation de générateurs qui actionnent les disjoncteurs pour mettre les générateurs en service, et le pressage alimentaire, comme pour la fabrication de tortillas.

Les ensembles ou platines de motorisation linéaire complets conviennent au positionnement de charges utiles. Ils comprennent un moteur, un codeur de retour d'information, des interrupteurs de fin de course et un système de guidage de câbles. Il est possible d'empiler les platines pour un mouvement multi-axes.

L'un des avantages des platines linéaires réside dans leur faible encombrement, ce qui leur permet de s'intégrer dans des espaces réduits par rapport aux positionneurs conventionnels. La réduction du nombre de composants garantit une fiabilité accrue. Ici, le moteur est relié à des variateurs classiques. En fonctionnement en boucle fermée, la boucle de position est gérée par un contrôleur de mouvement.

Là encore, outre les produits standards, il existe de nombreuses conceptions sur mesure et spécialisées. En définitive, il est préférable d'examiner les besoins en équipement avec un ingénieur d'application afin de déterminer le produit linéaire optimal adapté à l'application.