Les moteurs linéaires offrent un rendement supérieur et sont donc particulièrement performants dans les équipements médicaux, l'automatisation industrielle, l'emballage et la fabrication de semi-conducteurs. De plus, les nouveaux moteurs linéaires permettent de réduire les coûts, la chaleur dégagée et la complexité d'intégration des versions précédentes. Pour rappel, un moteur linéaire se compose d'une bobine (élément primaire ou forceur) et d'une plateforme fixe, parfois appelée plateau ou élément secondaire. Il existe de nombreux sous-types, mais les deux plus courants pour l'automatisation sont les moteurs linéaires sans balais à noyau de fer et les moteurs linéaires sans fer.

Les moteurs linéaires sont généralement plus performants que les entraînements mécaniques. Leur longueur est illimitée. Dépourvus d'élasticité et de jeu, contrairement aux systèmes mécaniques, ils offrent une précision et une répétabilité élevées et constantes tout au long de la durée de vie de la machine. En effet, seuls les roulements de guidage d'un moteur linéaire nécessitent un entretien ; tous les autres composants sont inusables.

Là où les moteurs linéaires à noyau de fer excellent
Les moteurs linéaires à noyau de fer sont constitués d'un enroulement primaire autour d'un noyau de fer. L'enroulement secondaire est généralement constitué d'une piste magnétique fixe. Ces moteurs sont particulièrement adaptés aux machines de moulage par injection, aux machines-outils et aux presses, car ils délivrent une force continue élevée. Cependant, ils peuvent présenter un phénomène d'enclenchement, dû à la variation de l'attraction magnétique exercée par l'enroulement secondaire sur l'enroulement primaire lors de son déplacement sur la piste magnétique. Ce phénomène est principalement dû à la force de détente. Bien que les fabricants proposent différentes solutions pour y remédier, l'enclenchement reste problématique lorsque la fluidité du mouvement est primordiale.

Malgré tout, les moteurs linéaires à noyau de fer présentent de nombreux avantages. Un couplage magnétique plus puissant (entre le noyau de fer et les aimants du stator) permet d'obtenir une densité de force élevée. Ainsi, les moteurs linéaires à noyau de fer offrent une force de sortie supérieure à celle des moteurs linéaires sans fer comparables. De plus, ces moteurs dissipent une grande quantité de chaleur car le noyau de fer évacue la chaleur générée par la bobine pendant son fonctionnement, réduisant ainsi la résistance thermique entre la bobine et l'environnement par rapport aux moteurs sans fer. Enfin, ces moteurs sont faciles à intégrer car le dispositif de force et le stator sont directement face à face.

Moteurs linéaires sans fer pour des courses rapides
Les moteurs linéaires sans fer sont dépourvus de fer dans leur corps primaire, ce qui les rend plus légers et leur permet de produire un mouvement plus dynamique. Les bobines sont intégrées dans une plaque en époxy. La plupart de ces moteurs possèdent des rails en forme de U dont les surfaces internes sont revêtues d'aimants. L'accumulation de chaleur peut limiter la force de poussée à un niveau inférieur à celui des moteurs à noyau de fer comparables, mais certains fabricants pallient ce problème grâce à une géométrie innovante des canaux et du corps primaire.

Le temps de stabilisation réduit des moteurs linéaires sans fer leur permet d'effectuer des mouvements rapides et précis. L'absence de forces d'attraction entre les corps primaire et secondaire simplifie également leur assemblage par rapport aux moteurs à noyau de fer. De plus, leurs paliers de support, non soumis aux forces magnétiques, ont généralement une durée de vie plus longue.

Il est à noter que les moteurs linéaires présentent des difficultés sur les axes verticaux et dans les environnements difficiles. En effet, sans système de freinage ni contrepoids, ces moteurs (qui fonctionnent par nature sans contact) laissent tomber les charges en cas de coupure de courant.

De plus, certains environnements difficiles peuvent générer de la poussière et des copeaux qui adhèrent aux moteurs linéaires, notamment lors de l'usinage de pièces métalliques. Dans ce contexte, les moteurs linéaires à noyau de fer (et leur rail magnétique) sont particulièrement vulnérables. Certains actionneurs intègrent des moteurs linéaires à noyau de fer ou sans fer et une conception étanche à la poussière pour fonctionner dans de tels environnements. Cette dernière élimine les problèmes liés aux soufflets qui protègent traditionnellement les axes linéaires.

Quand choisir des actionneurs linéaires intégrés
La transmission directe des actionneurs à moteur linéaire améliore la productivité et la dynamique des systèmes pour de nombreuses applications industrielles. Certains actionneurs à moteur linéaire intègrent également des codeurs pour le retour d'information de position, ce qui simplifie leur utilisation, même par rapport aux systèmes à courroie ou à vis à billes. Certains de ces actionneurs combinent étroitement le moteur linéaire, le guide et le codeur optique (ou magnétique) afin d'optimiser la densité de puissance.

Dans certains actionneurs, l'encodeur est installé horizontalement afin que sa position ne soit pas affectée par les chocs extérieurs. Certains de ces systèmes peuvent atteindre une vitesse de 6 m/s et une accélération de 60 m/s² avec une alimentation de 230 Vca. Des modules avec une course supérieure à deux mètres sont possibles. Les modèles standard comprennent généralement un encodeur magnétique pour le retour d'information de position, mais des encodeurs optiques sont disponibles pour une précision accrue. D'autres options incluent des configurations à plusieurs curseurs ainsi que des systèmes XY et portiques complets.

Comparativement aux modules à vis à billes traditionnels, les actionneurs à moteur linéaire offrent une précision et une vitesse supérieures, même dans de nombreuses conditions de poussée, grâce à l'entraînement direct. Une intégration plus poussée améliore également la productivité et la fiabilité. Certains de ces actionneurs comprennent le moteur linéaire lui-même, une base et un large guide linéaire supportant un curseur en aluminium et une échelle optique pour le retour d'information de position. Lorsque le moteur linéaire est sans fer, il peut être associé à un curseur en aluminium pour former une conception légère à accélération rapide.

Certains actionneurs linéaires compacts intègrent des glissières avec graisseurs intégrés pour une lubrification respectueuse de l'environnement. Dans ce cas, les extrémités du bloc de guidage sont équipées d'injecteurs de graisse hermétiques assurant la lubrification des chemins de roulement par circulation de billes d'acier. Des graisseurs supplémentaires, disponibles en option, permettent parfois d'optimiser la lubrification et d'assurer un fonctionnement prolongé avec un minimum d'entretien, notamment pour les axes à course courte.

Les moteurs linéaires sans fer intégrés à certains actionneurs ne présentent aucun effet de crantage, ce qui permet à l'axe d'effectuer des mouvements stables, quelle que soit sa vitesse. Pour certains modèles, la répétabilité, mesurée par un codeur linéaire optique, atteint 2 mm. Certains actionneurs sont même disponibles avec des courses de 152 à 1 490 mm et une rectitude de 6 à 30 mm.

Exemple particulier : applications en salle blanche
Une dernière option particulièrement adaptée aux applications à course courte et à cadence élevée consiste à utiliser des actionneurs linéaires dont les pièces mobiles sont les aimants et le rail. L'absence de câbles mobiles susceptibles d'entraîner des déconnexions, ainsi que la résistance aux environnements poussiéreux, en fait, rend ces actionneurs parfaitement adaptés aux environnements sous vide et aux salles blanches. En effet, la fixation des bobines permet une dissipation thermique optimale vers les structures de montage. Certains de ces actionneurs linéaires délivrent une force continue de 94,2 ou 188,3 N et une force de pointe de 242,1 ou 484,2 N, avec un courant continu admissible de 3,5, 7 ou 14 A selon la version. La course maximale est de 430 mm.

Paramètres permettant de spécifier les étages du moteur linéaire
Lors de la spécification d'actionneurs ou d'étages basés sur des moteurs linéaires, tenez compte des critères suivants pour chaque partie du profil de mouvement de la conception :

• Quelle est la condition de mouvement connue ?
• Quelles sont la masse de la charge, la masse du système, la course effective, le temps de déplacement et le temps de maintien ?
• Quelles sont les conditions de fonctionnement, la tension de sortie maximale, le courant continu et le courant de crête ?
• Quel type de résolution d'encodeur est nécessaire pour cette configuration ? Doit-il être analogique ou numérique ?
• Dans quel type d'environnement de travail l'actionneur ou la plateforme fonctionnera-t-il ? Quelle sera la température ambiante ? La machine sera-t-elle soumise à un environnement sous vide ou à des conditions de salle blanche ?
• Quelles sont les exigences de l'application en matière de précision de mouvement et d'exactitude de positionnement ?
• Le vérin linéaire ou la platine déplacera-t-il les charges horizontalement, verticalement ou en angle ? Le dispositif sera-t-il fixé au mur ? Est-il soumis à des contraintes d’espace ?

Répondre à ces questions aidera les ingénieurs concepteurs à identifier l'itération de moteur linéaire la plus appropriée pour une machine donnée.