Les moteurs linéaires permettent d'atteindre des taux d'accélération élevés et de grandes courses, tout en offrant une force de poussée importante et une précision de positionnement extrêmement élevée. À l'inverse, d'autres mécanismes d'entraînement, tels que les courroies, les vis ou les systèmes pignon-crémaillère, doivent faire des compromis sur au moins l'une de ces caractéristiques pour satisfaire les autres. C'est pourquoi les moteurs linéaires sont privilégiés pour les applications hautement dynamiques comme la métrologie et la fabrication de semi-conducteurs.

De fait, compte tenu de leurs performances, les moteurs linéaires semblent être la solution idéale pour répondre aux exigences contradictoires souvent rencontrées dans les applications de mouvement linéaire. Mais cela soulève la question : « Pourquoi les moteurs linéaires ne sont-ils pas plus largement utilisés ? »

Pour comprendre pourquoi le taux d'adoption des moteurs linéaires reste inférieur à celui d'autres technologies d'entraînement — telles que les courroies, les vis ou les entraînements à crémaillère — examinons certains des avantages et des inconvénients des conceptions de moteurs linéaires.

Production et dissipation de chaleur

Lors du dimensionnement et du choix d'un moteur, qu'il soit rotatif ou linéaire, la dissipation thermique est un critère primordial. En effet, les courbes de couple (ou de force) en fonction de la vitesse, qui illustrent les plages de fonctionnement continu et intermittent d'une combinaison moteur-variateur donnée, dépendent de la capacité du moteur à dissiper la chaleur dans des conditions de fonctionnement spécifiées.

La génération de chaleur peut s'avérer encore plus problématique pour les moteurs linéaires que pour les moteurs rotatifs, car la charge est fixée au dispositif d'entraînement, qui contient les enroulements du moteur. (Dans certaines conceptions de moteurs linéaires, la charge peut être fixée au rail magnétique, mais cela n'est envisageable que pour des courses courtes.) De plus, dans les moteurs linéaires sans fer, les enroulements sont encapsulés dans de la résine époxy, qui dissipe moins bien la chaleur que les métaux comme le fer ou l'aluminium.

Cela signifie que la chaleur se transmet facilement à la charge et aux composants environnants, provoquant une dilatation thermique, une dégradation, voire, dans les cas extrêmes, des dommages ou une panne. Même si la charge n'est pas affectée, l'accumulation de chaleur peut réduire la force de sortie continue du moteur. Pour pallier ce problème, certaines applications nécessitent un refroidissement par air forcé ou par liquide, ce qui augmente le coût, l'encombrement et la complexité.

Protection contre la contamination

De par leur conception ouverte et leurs aimants exposés, les moteurs linéaires à noyau de fer plat et les moteurs sans fer à profilé en U sont difficiles à protéger contre la contamination. Si les guides linéaires peuvent être protégés par divers joints et racleurs disponibles dans le commerce, les aimants exposés d'un moteur linéaire peuvent attirer des particules ferreuses issues des opérations d'usinage ou simplement de la contamination atmosphérique souvent présente dans les environnements de production. De plus, la contamination par des liquides peut endommager les composants électroniques sensibles ou perturber les systèmes de rétroaction.

Bien entendu, les couvercles et les structures externes peuvent être conçus pour protéger contre la contamination, mais ils peuvent rendre plus difficile la dissipation de la chaleur par le moteur, aggravant ainsi les problèmes liés à la chaleur décrits ci-dessus.

Compensation des vibrations et des oscillations

L'un des principaux atouts des moteurs linéaires réside dans l'absence de composants de transmission de puissance mécanique (vis, courroies, réducteurs, accouplements, etc.) entre le moteur et la charge. De ce fait, les moteurs linéaires sont insensibles aux effets de jeu, d'emballement et de compliance, ce qui leur permet d'atteindre une très grande précision de positionnement et d'exécuter des mouvements dynamiques avec des accélérations et des décélérations rapides.

Cependant, les composants de transmission mécanique peuvent s'avérer bénéfiques dans un système de mouvement en assurant l'amortissement des oscillations et en atténuant les perturbations, telles que les réactions des forces d'usinage ou les vibrations induites par le mouvement de la charge. Sans cet amortissement intégré, les oscillations et les vibrations peuvent empêcher les moteurs linéaires d'atteindre la précision de positionnement ou le temps de stabilisation souhaités.

Pour garantir que le système puisse réagir aux effets de ces vibrations et oscillations non amorties et les corriger, les systèmes de moteurs linéaires nécessitent souvent des boucles de contrôle de vitesse, de position et de courant (force) à fréquence plus élevée, ainsi qu'une bande passante plus large pour la boucle de courant. Le système de retour de position — généralement un codeur linéaire optique ou magnétique — doit également présenter une résolution plus élevée afin que le contrôleur puisse suivre avec plus de précision la position du moteur et de la charge. Même le bâti de la machine ou la structure porteuse doit être suffisamment rigide (avec une fréquence naturelle élevée) pour rester relativement insensible aux chocs et aux vibrations et résister aux forces générées par le moteur linéaire.

Autrement dit, comme il y a moins de composants pour compenser les vibrations et les perturbations, les boucles de rétroaction et de contrôle doivent pouvoir communiquer plus rapidement et avec plus de précision pour que le système atteigne des performances dynamiques et de haute précision.

Coût initial par rapport au coût total d'acquisition

Enfin, l'un des principaux freins à l'adoption généralisée des moteurs linéaires demeure leur coût initial. Bien que de nombreuses études comparatives démontrent le coût total de possession (CTP) inférieur des solutions à moteurs linéaires par rapport aux systèmes traditionnels à courroie, à vis ou à crémaillère dans certaines applications, le coût initial d'un système de moteur linéaire reste un obstacle à son adoption pour les ingénieurs et les concepteurs chargés de respecter des spécifications de performance avec un budget limité. À titre d'exemple, pour les applications nécessitant de très grandes courses – un domaine où les moteurs linéaires excellent –, le coût des aimants et des codeurs linéaires haute résolution nécessaires pour répondre aux exigences de course peut rendre une solution à moteur linéaire non envisageable.

Les applications non traditionnelles stimulent la croissance des taux d'adoption des moteurs linéaires.

Malgré les difficultés potentielles liées à la génération de chaleur, à la protection contre la contamination, aux commandes à large bande passante et au coût, l'adoption des moteurs linéaires est en pleine croissance. Autrefois considérés comme des solutions de niche pour les semi-conducteurs, la métrologie et l'usinage intensif, les moteurs linéaires à noyau de fer, sans fer et tubulaires sont désormais utilisés dans l'automobile, l'agroalimentaire, l'emballage et l'imprimerie. Dans ces secteurs, les mouvements sont moins complexes et les exigences de précision moins élevées, mais les avantages liés à la réduction du nombre de composants, aux temps d'arrêt moindres et à l'augmentation du débit justifient le surcoût et les contraintes de conception.