Les systèmes de mouvement linéaire équipent d'innombrables machines, notamment des systèmes de découpe laser de précision, des équipements d'automatisation de laboratoire, des machines de fabrication de semi-conducteurs, des machines CNC, des systèmes d'automatisation industrielle et bien d'autres encore, trop nombreux pour être cités. Leurs systèmes vont du relativement simple, comme un actionneur de siège peu coûteux dans un véhicule de tourisme, au système de coordonnées multiaxes complexe, doté d'une électronique de commande et d'entraînement pour un positionnement en boucle fermée. Quelle que soit leur simplicité, les systèmes de mouvement linéaire ont tous un point commun : déplacer une charge sur une distance linéaire en un temps donné.

L'une des questions les plus fréquentes lors de la conception d'un système de mouvement linéaire porte sur la technologie du moteur. Une fois la technologie choisie, le moteur doit être dimensionné pour répondre aux exigences d'accélération de la charge, surmonter les frottements et l'effet de la gravité, tout en maintenant une température de fonctionnement maximale sûre. Le couple, la vitesse, la puissance et la capacité de positionnement du moteur dépendent de sa conception, ainsi que de l'entraînement et de la commande.

AVEC QUEL MOTEUR DOIS-JE COMMENCER ?

De nombreuses questions d'application doivent être prises en compte lors de la conception d'un système de mouvement linéaire utilisant une technologie de moteur particulière. Une explication exhaustive de l'ensemble du processus dépasse le cadre de cet article. L'objectif est de vous aider à poser les bonnes questions lors de vos échanges avec un fournisseur de moteurs.

Il n'existe pas de moteur idéal pour chaque application, mais plutôt un moteur optimal pour une application spécifique. Dans la grande majorité des applications de mouvement incrémental, le choix se portera sur un moteur pas à pas, un moteur à courant continu à balais ou un moteur à courant continu sans balais. Les systèmes de mouvement les plus complexes peuvent utiliser des moteurs linéaires couplés directement à la charge, évitant ainsi toute conversion mécanique de puissance ; il n'est pas nécessaire de les faire passer par une vis-mère/vis à billes, un réducteur ou un système de poulies. Bien qu'une précision, une répétabilité et une résolution de positionnement optimales puissent être obtenues avec des servomoteurs linéaires à entraînement direct sans noyau, ils représentent le coût et la complexité les plus élevés par rapport aux moteurs rotatifs. Une architecture utilisant des moteurs rotatifs est beaucoup moins coûteuse et répondra à la plupart des applications de mouvement linéaire ; cependant, une conversion « rotatif-linéaire » (et donc une conversion de puissance) est nécessaire pour entraîner la charge.

Les moteurs pas à pas, à balais et sans balais sont tous considérés comme des moteurs à courant continu. Cependant, des subtilités peuvent inciter un ingénieur à privilégier un type plutôt que les deux autres dans une application donnée. Il est important de souligner que ce choix dépend fortement des exigences de conception du système, non seulement en termes de vitesse et de couple, mais aussi de précision de positionnement, de répétabilité et de résolution. Il n'existe pas de moteur parfait pour chaque application, et toute décision nécessitera des compromis de conception. Fondamentalement, tous les moteurs, qu'ils soient appelés CA ou CC, à balais, sans balais ou tout autre moteur électrique, fonctionnent selon le même principe physique pour générer un couple : l'interaction des champs magnétiques. Il existe cependant des différences considérables dans la façon dont ces différentes technologies de moteurs réagissent à des applications spécifiques. Les performances globales du moteur, sa réponse et la génération de couple dépendent de la méthode d'excitation du champ et de la géométrie du circuit magnétique inhérente à la conception physique du moteur, du contrôle de la tension et du courant d'entrée par le contrôleur/variateur, et du mode de rétroaction de vitesse ou de position, si l'application l'exige.

Les technologies de moteurs pas à pas à courant continu, de servomoteurs à balais et de servomoteurs sans balais utilisent toutes une alimentation CC pour leur alimentation. Pour les applications de mouvement linéaire, cela ne signifie pas qu'une source fixe de courant continu puisse être appliquée directement aux bobinages du moteur ; une électronique est nécessaire pour contrôler le courant (lié au couple de sortie) et la tension (liée à la vitesse de sortie). Vous trouverez ci-dessous un résumé des points forts et des points faibles de ces trois technologies.

La conception d'un système linéaire commence par la masse de la charge et la vitesse à laquelle elle doit se déplacer du point A au point B. Le type, la taille et la conception mécanique du moteur commencent par la puissance (en watts) nécessaire pour déplacer la charge. En commençant par la charge et en remontant jusqu'à l'alimentation du variateur, l'analyse consiste en une série d'étapes visant à comprendre la conversion de puissance d'une partie du système à l'autre, tout en tenant compte des différents rendements des composants intermédiaires. Les watts, sous forme de tension et de courant, injectés dans le variateur se traduiront finalement par une puissance mécanique de sortie capable de déplacer une charge donnée dans un laps de temps donné.

Pour obtenir une indication de la puissance de sortie nécessaire à la charge, un simple calcul de puissance permettra d'estimer la puissance d'un moteur. Après avoir déterminé la puissance de sortie moyenne nécessaire, terminez l'analyse des besoins en remontant jusqu'au moteur et en passant par les différents éléments de conversion. Il est conseillé de se référer aux données des fabricants pour prendre en compte le rendement des différents composants, car celui-ci déterminera la taille du moteur et de l'alimentation. Le choix des unités est une question de goût personnel, mais l'utilisation des unités SI est fortement recommandée. Travailler en unités SI évite d'avoir à mémoriser plusieurs constantes de conversion et permet toujours de reconvertir le résultat final en unités anglo-saxonnes.

QUELLE PUISSANCE EST NÉCESSAIRE POUR DÉPLACER LA CHARGE DANS LE TEMPS REQUIS ?

Une masse de 9 kg soulevée contre la gravité nécessitera une force d'environ 88 N. Le calcul de la puissance nécessaire pour déplacer la charge fournira un point de départ pour déterminer les composants du reste du système. Il s'agit de la puissance moyenne nécessaire pour déplacer une masse de 9 kg verticalement d'un point A à un point B en 1 seconde. Les pertes du système, telles que le frottement, ne sont pas prises en compte. La puissance requise à l'arbre moteur sera légèrement supérieure et dépendra des autres composants du système, tels que le réducteur et la vis mère.

P = (F × S) / t

P = (88N × 0,2 m) / 1,0 s = 17,64 w

Cette puissance est différente de la puissance de crête requise par le système. Une fois l'accélération et la décélération prises en compte, la puissance instantanée pendant le mouvement sera légèrement supérieure ; cependant, la puissance de sortie moyenne requise à la charge est d'environ 18 watts. Après une analyse approfondie de tous les composants, un système comme celui-ci nécessitera une puissance de crête d'environ 37 W pour accomplir cette tâche. Ces informations, ainsi que les diverses autres spécifications d'application, aideront à choisir la technologie de moteur la plus appropriée.

QUELLE TECHNOLOGIE DE MOTEUR DOIS-JE CONSIDÉRER ?

Une excellente capacité de positionnement et des commandes relativement simples inciteraient un concepteur à envisager d'abord l'utilisation d'un moteur pas à pas. Cependant, un moteur pas à pas ne répondrait pas aux exigences de faible encombrement mécanique tout en étant capable de supporter les charges. Une puissance de crête de 37 watts nécessiterait un moteur pas à pas de très grande taille. Bien que les moteurs pas à pas offrent un couple très élevé à basse vitesse, la vitesse de pointe et donc la puissance requise pour le profil de déplacement dépassent les capacités de tous les moteurs pas à pas, à l'exception des plus grands.

Un servomoteur CC à balais répondrait aux exigences de charge, présenterait un faible encombrement mécanique et assurerait une rotation très fluide à basse vitesse. Cependant, en raison des exigences CEM strictes, il est probablement préférable d'éviter le moteur à balais pour cette application particulière. Ce serait une alternative moins coûteuse qu'un système sans balais, mais il pourrait s'avérer difficile de satisfaire aux exigences CEM les plus strictes.

Le moteur à courant continu sans balais utilisant un système d'entraînement sinusoïdal serait le choix idéal pour répondre à toutes les exigences de l'application, notamment en termes de profil de charge et de mouvement (densité de puissance élevée), de mouvement fluide et sans engrenage à basse vitesse et de faible encombrement mécanique. Dans ce cas, une signature électromagnétique potentielle due à la commutation haute fréquence de l'électronique d'entraînement subsistera ; toutefois, ce risque peut être atténué par un filtrage en ligne grâce à une bande de fréquence plus étroite. Un moteur à courant continu à balais présente une signature électromagnétique à bande plus large, ce qui complique son filtrage.

LE DIMENSIONNEMENT DU MOTEUR N'EST QU'UN DÉBUT

Cet article présente brièvement les différents éléments à prendre en compte lors du choix d'une technologie de moteur pour une application de mouvement linéaire relativement simple. Bien que les principes soient identiques pour un système plus complexe, tel qu'une table XY ou un mécanisme de placement de précision multi-axes, la charge de chaque axe devra être analysée indépendamment. Un autre point, hors du cadre de cet article, concerne le choix d'un facteur de sécurité approprié pour garantir la durée de vie souhaitée du système (nombre de cycles). La durée de vie du système ne dépend pas uniquement de la taille du moteur, mais également des autres éléments mécaniques du système, tels que le réducteur et la vis-mère. D'autres facteurs, tels que la précision du positionnement, la résolution, la répétabilité, le roulis, le tangage et le lacet maximums, sont également importants pour garantir que le système de mouvement linéaire atteigne, voire dépasse, les objectifs de l'application.