Un aperçu des différents moteurs linéaires disponibles et comment sélectionner le type optimal pour votre application.
L'article suivant est un aperçu des différents types de moteurs linéaires disponibles, y compris leurs principes de fonctionnement, l'historique du développement des aimants permanents, les méthodes de conception des moteurs linéaires et les secteurs industriels utilisant chaque type de moteur linéaire.
La technologie des moteurs linéaires peut être : des moteurs à induction linéaires (LIM) ou des moteurs synchrones linéaires à aimants permanents (PMLSM).Le PMLSM peut être à noyau de fer ou sans fer.Tous les moteurs sont disponibles en configuration plate ou tubulaire.Hiwin est à la pointe de la conception et de la fabrication de moteurs linéaires depuis 20 ans.
Avantages des moteurs linéaires
Un moteur linéaire est utilisé pour fournir un mouvement linéaire, c'est-à-dire déplacer une charge utile donnée à une accélération, une vitesse, une distance de déplacement et une précision dictées.Toutes les technologies de mouvement autres que celles entraînées par un moteur linéaire sont une sorte d'entraînement mécanique pour convertir le mouvement rotatif en mouvement linéaire.Ces systèmes de mouvement sont entraînés par des vis à billes, des courroies ou une crémaillère et un pignon.La durée de vie de tous ces entraînements dépend fortement de l'usure des composants mécaniques utilisés pour convertir le mouvement rotatif en mouvement linéaire et est relativement courte.
Le principal avantage des moteurs linéaires est de fournir un mouvement linéaire sans aucun système mécanique, car l'air est le moyen de transmission. Par conséquent, les moteurs linéaires sont essentiellement des entraînements sans frottement, offrant une durée de vie théoriquement illimitée.Étant donné qu'aucune pièce mécanique n'est utilisée pour produire un mouvement linéaire, des accélérations et des vitesses très élevées sont possibles là où d'autres entraînements tels que des vis à billes, des courroies ou des pignons et crémaillères rencontreront de sérieuses limitations.
Moteurs à induction linéaires
Fig. 1
Le moteur à induction linéaire (LIM) a été le premier inventé (brevet américain 782312 - Alfred Zehden en 1905).Il est constitué d'un « primaire » composé d'un empilement de tôles électriques en acier et d'une pluralité de bobines de cuivre alimentées par une tension triphasée et d'un « secondaire » généralement composé d'une plaque d'acier et d'une plaque de cuivre ou d'aluminium.
Lorsque les bobines primaires sont alimentées, le secondaire devient magnétisé et un champ de courants de Foucault se forme dans le conducteur secondaire.Ce champ secondaire interagira ensuite avec la force contre-électromotrice primaire pour générer de la force.La direction du mouvement suivra la règle de la main gauche de Fleming, c'est-à-dire ;la direction du mouvement sera perpendiculaire à la direction du courant et à la direction du champ/flux.
Figure 2
Les moteurs à induction linéaires offrent l'avantage d'un très faible coût car le secondaire n'utilise pas d'aimants permanents.Les aimants permanents NdFeB et SmCo sont très chers.Les moteurs à induction linéaire utilisent des matériaux très courants, (acier, aluminium, cuivre), pour leur secondaire et éliminent ce risque d'approvisionnement.
Cependant, l'inconvénient de l'utilisation de moteurs à induction linéaires est la disponibilité d'entraînements pour ces moteurs.S'il est très facile de trouver des variateurs pour les moteurs linéaires à aimants permanents, il est très difficile de trouver des variateurs pour les moteurs à induction linéaires.
Figure 3
Moteurs synchrones linéaires à aimants permanents
Les moteurs synchrones linéaires à aimants permanents (PMLSM) ont essentiellement le même primaire que les moteurs à induction linéaires (c'est-à-dire un ensemble de bobines montées sur un empilement de tôles électriques en acier et entraînées par une tension triphasée).Le secondaire diffère.
Au lieu d'une plaque d'aluminium ou de cuivre montée sur une plaque d'acier, le secondaire est composé d'aimants permanents montés sur une plaque d'acier.La direction d'aimantation de chaque aimant alternera par rapport à la précédente, comme illustré à la Fig. 3.
L'avantage évident d'utiliser des aimants permanents est de créer un champ permanent dans le secondaire.Nous avons vu que la force est générée sur un moteur à induction par l'interaction du champ primaire et du champ secondaire qui n'est disponible qu'après qu'un champ de courants de Foucault a été créé dans le secondaire à travers l'entrefer du moteur.Cela se traduira par un retard appelé "glissement" et un mouvement du secondaire non synchronisé avec la tension primaire fournie au primaire.
Pour cette raison, les moteurs linéaires à induction sont appelés "asynchrones".Sur un moteur linéaire à aimants permanents, le mouvement secondaire sera toujours synchronisé avec la tension primaire car le champ secondaire est toujours disponible et sans aucun retard.Pour cette raison, les moteurs linéaires permanents sont appelés « synchrones ».
Différents types d'aimants permanents peuvent être utilisés sur un PMLSM.Au cours des 120 dernières années, le ratio de chaque matériau a changé.À ce jour, les PMLSM utilisent soit des aimants NdFeB, soit des aimants SmCo, mais la grande majorité utilise des aimants NdFeB.La figure 4 montre l'historique du développement des aimants permanents.
Figure 4
La force de l'aimant est caractérisée par son produit énergétique en Megagauss-Oersteds, (MGOe).Jusqu'au milieu des années 80, seuls l'acier, la ferrite et l'alnico étaient disponibles et fournissaient des produits à très faible consommation d'énergie.Les aimants SmCo ont été développés au début des années 1960 sur la base des travaux de Karl Strnat et Alden Ray, puis commercialisés à la fin des années 1960.
Figure 5
Le produit énergétique des aimants SmCo était initialement plus du double du produit énergétique des aimants Alnico.En 1984, General Motors et Sumitomo ont développé indépendamment des aimants NdFeB, un composé de néodyme, de fer et de bore.Une comparaison des aimants SmCo et NdFeB est illustrée à la Fig. 5.
Les aimants NdFeB développent une force beaucoup plus élevée que les aimants SmCo mais sont beaucoup plus sensibles aux températures élevées.Les aimants SmCo sont également beaucoup plus résistants à la corrosion et aux basses températures mais sont plus chers.Lorsque la température de fonctionnement atteint la température maximale de l'aimant, l'aimant commence à se démagnétiser, et cette démagnétisation est irréversible.La perte de magnétisation de l'aimant entraînera une perte de force du moteur et ne pourra pas répondre aux spécifications.Si l'aimant fonctionne en dessous de la température maximale 100% du temps, sa force sera préservée presque indéfiniment.
En raison du coût plus élevé des aimants SmCo, les aimants NdFeB sont le bon choix pour la plupart des moteurs, en particulier compte tenu de la force plus élevée disponible.Cependant, pour certaines applications où la température de fonctionnement peut être très élevée, il est préférable d'utiliser des aimants SmCo pour rester à l'écart de la température de fonctionnement maximale.
Conception de moteurs linéaires
Un moteur linéaire est généralement conçu via la simulation électromagnétique par éléments finis.Un modèle 3D sera créé pour représenter la pile de laminage, les bobines, les aimants et la plaque d'acier supportant les aimants.L'air sera modélisé autour du moteur ainsi que dans l'entrefer.Ensuite, les propriétés des matériaux seront saisies pour tous les composants : aimants, acier électrique, acier, bobines et air.Un maillage sera alors créé à l'aide d'éléments H ou P et le modèle résolu.Ensuite, le courant est appliqué à chaque bobine du modèle.
La figure 6 montre la sortie d'une simulation où le flux en tesla est affiché.La principale valeur de sortie d'intérêt pour la simulation est bien sûr la force motrice et sera disponible.Étant donné que les spires d'extrémité des bobines ne produisent aucune force, il est également possible d'exécuter une simulation 2D en utilisant un modèle 2D (DXF ou autre format) du moteur comprenant les tôles, les aimants et la plaque d'acier supportant les aimants.La sortie d'une telle simulation 2D sera très proche de la simulation 3D et suffisamment précise pour évaluer la force motrice.
Figure 6
Un moteur à induction linéaire sera modélisé de la même manière, soit via un modèle 3D ou 2D mais la résolution sera plus compliquée que pour un PMLSM.En effet, le flux magnétique du secondaire PMLSM sera modélisé instantanément après la saisie des propriétés des aimants. Par conséquent, une seule résolution sera nécessaire pour obtenir toutes les valeurs de sortie, y compris la force motrice.
Cependant, le flux secondaire du moteur à induction nécessitera une analyse transitoire (c'est-à-dire plusieurs résolutions à un intervalle de temps donné) afin que le flux magnétique du secondaire LIM puisse être construit et qu'alors seulement la force puisse être obtenue.Le logiciel utilisé pour la simulation par éléments finis électromagnétiques devra avoir la capacité d'exécuter une analyse transitoire.
Étape de moteur linéaire
Figure 7
Hiwin Corporation fournit des moteurs linéaires au niveau des composants.Dans ce cas, seuls le moteur linéaire et les modules secondaires seront livrés.Pour un moteur PMLSM, les modules secondaires seront constitués de plaques d'acier de différentes longueurs sur lesquelles seront assemblés des aimants permanents.Hiwin Corporation fournit également des étages complets, comme illustré à la Fig. 7.
Un tel étage comprend un châssis, des paliers linéaires, le primaire du moteur, les aimants secondaires, un chariot permettant au client d'attacher sa charge utile, l'encodeur et un chemin de câbles.Une platine à moteur linéaire sera prête à démarrer dès la livraison et facilitera la vie car le client n'aura pas besoin de concevoir et de fabriquer une platine, ce qui nécessite des connaissances d'expert.
Durée de vie de l'étage du moteur linéaire
La durée de vie d'un étage à moteur linéaire est considérablement plus longue qu'un étage entraîné par courroie, vis à billes ou pignon et crémaillère.Les composants mécaniques des étages à entraînement indirect sont généralement les premiers composants à tomber en panne en raison du frottement et de l'usure auxquels ils sont continuellement exposés.Un étage de moteur linéaire est un entraînement direct sans contact mécanique ni usure car le milieu de transmission est l'air.Par conséquent, les seuls composants susceptibles de tomber en panne sur un étage de moteur linéaire sont les paliers linéaires ou le moteur lui-même.
Les roulements linéaires ont généralement une très longue durée de vie car la charge radiale est très faible.La durée de vie du moteur dépendra de la température de fonctionnement moyenne.La figure 8 montre la durée de vie de l'isolation du moteur en fonction de la température.La règle est que la durée de vie sera réduite de moitié pour chaque 10 degrés Celsius que la température de fonctionnement est supérieure à la température nominale.Par exemple, un moteur de classe d'isolation F fonctionnera 325 000 heures à une température moyenne de 120°C.
Par conséquent, il est prévu qu'un étage de moteur linéaire aura une durée de vie de plus de 50 ans si le moteur est sélectionné avec prudence, une durée de vie qui ne peut jamais être atteinte par des étages entraînés par courroie, vis à billes ou pignon et crémaillère.
Figure 8
Applications pour moteurs linéaires
Les moteurs à induction linéaire (LIM) sont principalement utilisés dans les applications à longue course et où une force très élevée est requise combinée à des vitesses très élevées.La raison du choix d'un moteur à induction linéaire est que le coût du secondaire sera considérablement inférieur à celui de l'utilisation d'un PMLSM et qu'à très grande vitesse, le rendement du moteur à induction linéaire est très élevé, donc peu de puissance sera perdue.
Par exemple, les EMALS (Electromagnetic Launch Systems), utilisés sur les porte-avions pour lancer des avions utilisent des moteurs à induction linéaires.Le premier système de moteur linéaire de ce type a été installé sur le porte-avions USS Gerald R. Ford.Le moteur peut accélérer un avion de 45 000 kg à 240 km/h sur une piste de 91 mètres.
Un autre exemple de manèges de parc d'attractions.Les moteurs à induction linéaire installés sur certains de ces systèmes peuvent accélérer de très fortes charges utiles de 0 à 100 km/h en 3 secondes.Les étages de moteur à induction linéaire peuvent également être utilisés sur les RTU (Robot Transport Units).La plupart des RTU utilisent des entraînements à pignon et crémaillère, mais un moteur à induction linéaire peut offrir des performances supérieures, un coût inférieur et une durée de vie beaucoup plus longue.
Moteurs synchrones à aimants permanents
Les PMLSM seront généralement utilisés sur des applications avec des courses beaucoup plus petites, des vitesses plus faibles mais une précision élevée à très élevée et des cycles de service intensifs.La plupart de ces applications se trouvent dans les industries AOI (Automated Optical Inspection), des semi-conducteurs et des machines laser.
La sélection d'étages entraînés par moteur linéaire (entraînement direct) offre des avantages de performance significatifs par rapport aux entraînements indirects (étages où le mouvement linéaire est obtenu en convertissant le mouvement rotatif), pour des conceptions durables et adaptées à de nombreuses industries.
Heure de publication : 06 février 2023