Le moteur linéaire combine la vitesse et la précision

L’exécution sans brosse évite l‘usure

Les mouvements linéaires n’échappent pas non plus aux tendances dominantes dans l’industrie. Tout doit aller plus vite, être plus précis et plus efficace, tandis que les charges souhaitées sont plus grandes. Si c’est possible, le prix doit rester bas, tandis que les cotes d’encastrement doivent rester limitées et que le besoin d’entretien doit être faible. Une combinaison quasi impossible, mais heureusement, la technique évolue vite et de beaux résultats s’obtiennent avec la bonne solution.

GRANDE CHARGE, GRANDE VITESSE

Car affirmer que l’on innove à un rythme rapide dans les guidages linéaires, c’est bien plus qu’enfoncer une porte ouverte. Ces 10-15 dernières années, les prestations en termes de charge, de rigidité et de précision sont devenues si bonnes que de très bons résultats sont enregistrés, même à grandes vitesses. Et ceci, en outre, avec un rapport qualité/prix performant. Des améliorations dans la technologie d’encodeur linéaire autorisent aussi des vitesses sans cesse plus grandes, tandis que le prix est décroissant. Si la mécanique et la commande supportent de grandes charges et vitesses et si la précision est bonne en même temps, il reste un seul facteur limitatif: l’entraînement proprement dit.

VIS A BILLES & COURROIES CRANTEES

Aujourd’hui, on opte souvent pour des broches ou des courroies crantées dans les applications motion. Un choix défendable. Les vis à billes combinent une bonne précision avec une grande vitesse d’exécution. Les courroies crantées sont appréciées pour la grande ‘repeatability’ (répétabilité – la capacité à reproduire le même résultat lors de plusieurs missions de déplacement identiques effectuées sous les mêmes conditions à chaque fois) et les vitesses pouvant aller jusqu’à un peu au-dessus des 5 mètres par seconde. Mais celles-ci ne conviennent pas à toutes les applications motion, on peut surtout se heurter à des limites si les exigences de vitesse et de précision sont toutes deux très élevées. Ici, un entraînement avec un moteur linéaire peut offrir le soulagement, grâce au rapide temps de réaction et aux excellentes propriétés d’usure.

 

CONSTRUCTION DU MOTEUR LINEAIRE

L’idée derrière un moteur linéaire est simple: prenez un servomoteur rotatif traditionnel et déroulez-le littéralement. Le stator se déplace par-delà le rotor, qui n’est maintenant en fait rien d’autre qu’un long noyau magnétique. Dans cette disposition, la charge est directement en contact avec le moteur, si bien que le mouvement linéaire est réalisé sans conversion supplémentaire d’un mouvement rotatif vers un mouvement linéaire.

 

AVEC BROSSES OU BRUSHLESS?

 

 

Les moteurs linéaires ne sont pas nouveaux, ils existent aussi depuis tout un temps comme moteurs pas à pas linéaires ou dans une exécution avec brosses. L’exécution sans brosses l’emporte toutefois de plus en plus souvent, parce que les coûts d’entretien plus élevés et la plus grande sensibilité aux perturbations des brosses carbone représentent toutefois une entrave. Sur les moteurs linéaires avec brosses, le noyau est logé dans le rail linéaire, tandis que les aimants se trouvent dans l’agent de forçage. Le mouvement est atteint grâce à un composant de commutateur linéaire qui se déplace par-delà les brosses dans l’agent de forçage du moteur. Le coût de cette exécution n’est pas non plus mince et en outre, la vitesse est limitée par l’interaction entre la barre de commutation et les brosses carbone.

Sur les moteurs pas à pas linéaires, tant les bobinages que l’aimant se situent dans l’agent de forçage, mais ici, les limites concernent la vitesse et le couple, parce que les dents de l’arbre des marionnettes créent une certaine inertie. Sur les exécutions sans brosse, les limites des moteurs pas à pas linéaires et des exécutions avec brosses ne sont plus d’application. L’agent de forçage est encore uniquement constitué de bobinages, tandis que le stator contient des aimants. Le mouvement est maintenant transmis de façon électronique via des capteurs à effet Hall ou avec une tension de commande sinusoïdale. Les capteurs à effet Hall sur l’agent de forçage sont activés par les aimants dans le stator. Via une amplification, le signal est adapté à la phase à activer. Pour les tensions de commande sinusoïdales, on utilise une rétroaction du signal d’encodeur vers le moteur. Souvent, les deux systèmes sont combinés, les capteurs à effet Hall se chargeant du démarrage du mouvement pour passer ensuite à l’autre forme. Dans les deux cas, la vitesse de transfert n’est plus le facteur limitatif.

 

TROIS TYPES PRINCIPAUX

Ironcore

Dans une exécution ironcore, l’agent de forçage se déplace sur un seul rail. Les bobinages primaires en cuivre sont enroulés autour du noyau métallique. Le secondaire est le plus souvent un rail magnétique stationnaire. Ils sont fréquemment appliqués dans les machines d’injection et les machines de pressage, parce qu’ils peuvent livrer une grande force en continu grâce à l’accouplement magnétique direct entre le noyau de fer et les aimants du stator. Les types ironcore sont bel et bien sensibles à ce qu’on appelle l’effet cogging (voir plus loin).

Ironless

Une exécution ironless comporte non pas un, mais deux rails magnétiques et n’utilise pas un noyau métallique, mais en époxy. La plupart ont une forme en U. Le grand avantage est que l’effet cogging est absent, mais le prix est bel et bien nettement plus élevé en raison de la plus grande quantité d’aimants nécessaires. L’émission de chaleur peut aussi être plus importante ici, ce que certains solutionnent par le surdimensionnement de ces types.

Slotless ironless

Dans l’exécution slotless ironless, les noyaux sont placés sur une plaque de base en aluminium. Comme on n’utilise pas de métal sur l’agent de forçage, il n’est pas question de cogging, tout comme sur les types ironless en U. Ce type de moteurs est utilisé souvent dans des applications nécessitant un mouvement fluide, comme les applications de scanning. L’output est limité, ils sont donc moins en vogue pour les charges réellement lourdes.

AVANTAGES

Le moteur linéaire sans brosses a quelques avantages marquants qui en font une solution populaire. La combinaison précitée de la vitesse (10 m/s n’est pas une exception) avec une précision dans la plage µm séduit bien entendu le constructeur de machines. La haute précision est possible par la rétroaction via l’encodeur. Le fait qu’il ne faut plus d’accouplement axial entre la charge et le moteur, contribue à la fiabilité et à la robustesse de ce type d’entraînement. Et pas de backlash comme c’est bel et bien le cas avec les réducteurs, les broches ou les courroies crantées. Le mouvement est donc fluide et avec une friction minimale. Comme le mouvement est directement transmis, le temps de réponse des moteurs linéaires sans brosse est aussi très grand.

INCONVENIENTS

Métaux de terres rares

L’un des principaux inconvénients d’un moteur linéaire est son coût. La cause sous-jacente, ce sont les métaux de terres rares utilisés pour les aimants. Ceux-ci se raréfient de plus en plus, ce qui a des répercussions sur le niveau de prix. Ce type de moteur est un coût important, certainement pour les applications avec des longueurs plus grandes. Le coût d’un encodeur linéaire est élevé par rapport à un encodeur pour un moteur rotatif.

Echauffement

Le transfert direct signifie que la chaleur, produite par le moteur, est aussi transmise directement sur la charge. Si celle-ci est sensible à la chaleur, des mesures de refroidissement (air/eau) doivent être prises.

Cogging

Le cogging peut se produire dans les exécutions ironcore. Ceci est un phénomène qui trouve son origine dans la force magnétique qu’exerce le secondaire sur le primaire, tandis que celui-ci passe sur le rail magnétique. Le mouvement peut être perçu comme choquant. Dans les applications où la fluidité est une condition absolue, on choisit des moteurs ironless. Les fabricants combattent le cogging en plaçant les aimants de biais de manière à lisser leur influence. 

 

LE TRAIN MAGLEV: UNE APPLICATION SPÉCIALE DU MOTEUR LINÉAIRE

Un train ‘flottant’ qui atteint des vitesses de pas moins de 500 km/h. Longtemps, ceci s’est cantonné à la science-fiction, mais entre-temps, trois lignes commerciales sont déjà opérationnelles et de nombreux nouveaux projets sont en préparation. Le principe de fonctionnement du Maglev (MAGnetic LEVitation) est une application d’un moteur linéaire. La flottaison du train est obtenue par induction, la force répulsive de la piste étant exactement identique à celle des bobines dans le train.

Via l’électronique de réglage, les aimants sont réglés de telle sorte que le train entre en mouvement et flotte en même temps sur la piste. En l’absence de résistance au roulement, les nuisances sonores et l’usure sont faibles, car les roues sont uniquement utilisées pour démarrer et freiner.

Hélas, l’infrastructure ferroviaire existante n’est pas compatible avec la technologie Maglev, on doit donc aménager une piste séparée. Le coût onéreux de l’infrastructure explique pourquoi seules quelques lignes de longueur limitée sont opérationnelles à ce jour, bien qu’on ait commencé au Japon l’aménagement de la ligne entre Tokyo et Nagoya. La distance de 286 km serait parcourue en un peu plus d’une demi-heure.