Module de moteur linéaire : le bon, le mauvais et le truand

Applications de module d'axe Z de moteur linéaire en forme d'arbre, en U et sans fer.

Un moteur linéaire peut être considéré comme un servomoteur rotatif déroulé et posé à plat pour produire un mouvement fondamentalement linéaire. Un actionneur linéaire traditionnel est un élément mécanique qui convertit le mouvement de rotation d'un servomoteur rotatif en déplacement en ligne droite. Les deux offrent un mouvement linéaire mais avec des caractéristiques de performance et des compromis très différents. Il n'y a pas de technologie supérieure ou inférieure - le choix de celle à utiliser dépend de l'application. Regardons de plus près.

La règle d'or pour les moteurs linéaires est qu'ils brillent dans les applications nécessitant une accélération élevée, des vitesses élevées ou une haute précision. Dans la métrologie des semi-conducteurs, par exemple, où la résolution et le débit sont critiques et où même une heure d'arrêt peut coûter des dizaines de milliers de dollars, les moteurs linéaires offrent la solution idéale. Mais qu'en est-il d'une situation moins exigeante ?

Un des premiers problèmes avec les moteurs linéaires était la compétitivité des coûts. Les moteurs linéaires nécessitent des aimants aux terres rares, qui présentent l'un des facteurs limitant la longueur de course. Bien sûr, en théorie, les aimants peuvent être alignés pratiquement à l'infini, mais en réalité, mis à part le défi d'assurer une rigidité suffisante sur une longue course, les coûts augmentent, en particulier pour les conceptions en U.

Les moteurs à noyau de fer peuvent générer la même force en utilisant des aimants plus petits que la conception sans fer équivalente, donc si le muscle est l'exigence principale et que les spécifications de performance sont suffisamment assouplies pour tolérer une certaine perturbation de la force d'encoche entraînant des erreurs de position dynamique ou de vitesse, le noyau de fer pourrait être la meilleure approche. Si les exigences de performance sont encore plus lâches, de l'ordre du micron plutôt que du nanomètre, peut-être que la combinaison d'actionneurs linéaires fournit le compromis le plus approprié -- choisissez un actionneur linéaire pour le conditionnement des médicaments, par exemple, mais un moteur linéaire pour le séquençage de l'ADN de la découverte de médicaments .

Durée du voyage

Bien qu'il existe de nombreuses exceptions, la longueur de course optimale pour les moteurs linéaires varie de quelques millimètres à plusieurs mètres. Plus bas que cela, une alternative telle qu'une flexion pourrait être plus efficace; ci-dessus, les entraînements par courroie, puis les conceptions à crémaillère et pignon sont probablement de meilleurs paris.

La longueur de course des moteurs linéaires est limitée non seulement par le coût et la stabilité de montage, mais aussi par le problème de la gestion des câbles. Pour générer un mouvement, le forcer doit être alimenté, ce qui signifie que les câbles d'alimentation doivent parcourir avec lui toute la longueur de la course. Les câbles à haute flexibilité et les chemins de roulement qui les accompagnent sont chers, et le fait que le câblage soit le principal point de défaillance du contrôle de mouvement dans son ensemble complique davantage le problème.

Bien sûr, la nature même des moteurs linéaires peut apporter une solution intelligente à ce problème. Là où nous avons ces préoccupations, nous monterons le forcer sur la base fixe et déplacerons la piste magnétique. De cette façon, tous les câbles arrivent au forceur stationnaire. Vous obtenez un peu moins d'accélération d'un moteur donné parce que vous n'accélérez pas une bobine, vous accélérez une piste magnétique, qui est plus lourde. Si vous faisiez cela pour des G élevés, ce ne serait pas bon. Si vous n'avez vraiment pas d'application à haut G, cela pourrait être une très bonne conception.

Profeta cite les servomoteurs linéaires Aerotech avec des forces de pointe allant de 28 à 900 lb, mais là encore, la conception fondamentale des moteurs linéaires se prête à des solutions uniques qui offrent bien plus. Nous avons des clients qui prendront nos plus gros moteurs linéaires, en assembleront six et généreront près de 6 000 lb de force. Vous pouvez placer plusieurs forceurs dans plusieurs pistes, les fixer mécaniquement ensemble, puis les commuter tous ensemble afin qu'ils agissent comme un seul moteur ; ou vous pouvez placer plusieurs forceurs dans le même rail magnétique et les monter sur le chariot tenant la charge et les traiter comme un seul moteur.

Étant donné que nous vivons dans le monde réel et qu'il est impossible de faire correspondre exactement la commutation, il y a une pénalité d'efficacité de quelques pour cent à payer pour cette approche, mais elle peut toujours donner la meilleure solution globale pour une application donnée.

Tête à tête

Du point de vue de la force, comment les moteurs linéaires se comparent-ils aux combinaisons moteur rotatif/actionneur linéaire ? Il y a un compromis de force important, nous comparons un moteur linéaire sans fente à huit pôles de 4 pouces de large avec un produit à vis de 4 pouces de large. Notre moteur linéaire à huit pôles a une force maximale de 40 lb (180 N) et une force continue de 11 lb (50 N). Dans ce même profil avec un servomoteur NEMA 23 et notre produit à vis, la charge axiale maximale est de 200 lb, donc si vous le regardez de cette façon, vous envisagez essentiellement une réduction de 20 fois de la force continue.

Les résultats réels varieront en fonction du pas de vis, du diamètre de la vis, des bobines du moteur et de la conception du moteur, note-t-il rapidement, et sont limités par les paliers axiaux supportant la vis. Le moteur linéaire à noyau de fer de 13 pouces de large de la société peut générer 1600 lb de force axiale maximale par rapport aux 440 lb fournis par un produit à vis de 6 pouces de large, par exemple, mais la quantité d'espace cédé est considérable.

Pour paraphraser un slogan politique, c'est l'application, stupide. Si la densité de force est la principale préoccupation, un actionneur est probablement le meilleur choix. Si l'application nécessite de la réactivité, par exemple dans une application de haute précision et à forte accélération comme l'inspection LCD, le compromis entre l'encombrement et la force pour obtenir les performances nécessaires en vaut la peine.

Le garder propre

La contamination est un problème majeur pour le contrôle de mouvement dans les environnements de fabrication et les moteurs linéaires ne font pas exception. Un gros problème avec la conception de moteur linéaire standard est l'exposition à la contamination, comme les particules solides ou l'humidité. Cela est vrai pour les conceptions "à plat" et moins problématique pour les conceptions [canal en U].

Il est très difficile de sceller complètement la solution. Vous ne voulez pas être dans un environnement très humide. Si vous allez mettre un moteur linéaire dans une application de découpe au jet d'eau, vous devez exercer une pression positive dessus et vous assurer qu'il est bien protégé car l'électronique du moteur linéaire est là avec l'actionnement.

Dans le cas des conceptions de canal en U, l'inversion du U peut minimiser le risque que des particules pénètrent dans le canal, mais cela crée des problèmes de gestion thermique qui peuvent compromettre les performances en raison du déplacement de la masse du rail magnétique par rapport au déplacement de la masse du forcer . Encore une fois, c'est un compromis et encore une fois, l'application pilote l'utilisation.

Ce n'est pas seulement l'environnement qui peut affecter le moteur linéaire - le moteur linéaire peut créer des problèmes avec l'environnement. Contrairement aux conceptions rotatives, les gros aimants des unités linéaires peuvent faire des ravages dans les environnements sensibles au magnétisme, par exemple dans les appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cela peut même être un problème dans une application plus prosaïque comme la coupe du métal. Vous obtenez ces aimants à haute force qui essaient de tirer chacune de ces puces métalliques sur la piste magnétique, de sorte que les moteurs linéaires ne fonctionneront pas bien dans ces types d'applications sans une protection appropriée.

À propos des applications industrielles

Alors, où est le sweet spot d'application pour les moteurs linéaires ? La métrologie, pour commencer, dans des domaines tels que la fabrication de semi-conducteurs, de LED et d'écrans LCD. L'impression numérique de grandes enseignes est également un marché en croissance, tout comme le secteur biomédical, et même la fabrication de petites pièces, nos clients disposent des paires de moteurs linéaires en configuration portique pour les tâches d'assemblage. Vous voulez obtenir autant de débit de produit que possible, de sorte que l'accélération et la vitesse élevées que vous pouvez obtenir de ces moteurs sont avantageuses. Une chose que nous avons faite dernièrement est la fabrication de piles à combustible; la découpe au pochoir en est une autre.

Cela répond à la question de savoir où, mais qu'en est-il de la question de combien? La technologie des moteurs linéaires est en développement depuis des décennies, alors où en est-elle en termes d'acceptation par le marché ? Nous ne les rencontrons pas beaucoup à cause du coût, mais dans certaines applications, ils ont beaucoup de sens.

Nous l'attribuons au cycle de vie du consommateur. Vous avez les innovateurs, les adopteurs précoces, la majorité précoce, la majorité tardive et les retardataires. Nous en sommes au stade où il devient de plus en plus courant d'utiliser un moteur linéaire. Nous passons à cette première étape de la majorité.

Le prix des moteurs linéaires baisse à mesure que nous optimisons le processus de fabrication et que les volumes augmentent, nous les voyons donc dans de plus en plus d'applications, [Aerotech] fabrique également des étages avec des vis à billes. Je dirais qu'à ce stade, nous vendons autant d'étages à moteur linéaire, sinon plus, que d'étages à vis à billes. Nous les introduisons dans de plus en plus d'applications. Il y a dix ans, la plupart des applications étaient de type laboratoire, dans des environnements propres. Nous les plaçons maintenant dans des types d'opérations beaucoup plus industriels. L'un des segments dont je m'occupe est l'automobile, et nous avons mis des moteurs linéaires dans beaucoup plus d'applications automobiles.

Selon votre configuration, vous pouvez presque obtenir une solution de moteur linéaire pour moins cher qu'un entraînement par courroie. Vous avez l'avantage d'un moteur linéaire avec l'entraînement direct, le temps de réponse rapide et l'absence de taux de ressort comme la courroie pour un prix très similaire. L'inconvénient est que vous n'avez pas cet avantage mécanique de la courroie et de la poulie / boîte de vitesses pour vous donner cette force supplémentaire.

Les avantages et les inconvénients - cela résume vraiment tout. Examinez attentivement votre application, comprenez vos exigences, déterminez où se situe votre flexibilité. Une fois que vous savez comment réfléchir à vos compromis, vous serez en mesure de prendre une décision éclairée quant à savoir si un moteur linéaire ou une sorte d'actionneur linéaire répondra le mieux à vos besoins.