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Moteur Linéaire : Comment, Pourquoi ?

Introduction

Les moteurs linéaires, un type de technologie de mouvement à entraînement direct, prennent le concept de moteur rotatif à stator et rotor et le déroulent dans une configuration linéaire. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une technologie nouvelle, les progrès réalisés au cours des dernières décennies - notamment une efficacité accrue, une densité de puissance accrue et des contrôles plus avancés - ont fait de ce type de disque le choix idéal pour les solutions de commande de mouvement de haute précision. La popularité et l'utilisation croissantes des applications nécessitant un contrôle de mouvement de précision ont également entraîné une réduction du coût de la technologie et ont fait des moteurs linéaires une option plus économique pour de nombreuses applications.

 

Au fur et à mesure du développement de la technologie, le nombre d'options et de configurations a également augmenté, chaque type de moteur linéaire présentant un ensemble de caractéristiques de performance complètement différent. Bien que cela ait élargi le nombre d'exigences pouvant être satisfaites par les moteurs linéaires, il peut également être plus difficile de spécifier le produit le mieux adapté.

 

Pour simplifier ce processus, commençons par expliquer la mécanique d’un moteur linéaire à entraînement direct et en le comparant à un système à entraînement indirect plus traditionnel. Sur cette base, nous examinerons différents types de moteurs linéaires, en soulignant leurs avantages, pour aider à identifier les types d'applications pour lesquels chacun est adapté. Enfin, nous couvrirons certains des avantages uniques procurés par les dispositifs à moteur linéaire à entraînement direct de Zaber. La figure 1 illustre un étage de moteur linéaire Zaber avec un contrôleur et un pilote intégrés.

Moteurs linéaires vs moteurs rotatifs

Pour expliquer les moteurs linéaires, décrivons d’abord brièvement les moteurs en général. Les moteurs électriques créent un mouvement en générant un champ électromagnétique qui interagit avec un autre champ magnétique, généralement généré par un aimant permanent. Le champ électromagnétique est modifié en contrôlant le courant dans les bobines (également appelé enroulements) afin de contrôler le mouvement.

 

La partie tournante du moteur s'appelle le «rotor» et la partie fixe le «stator». Zaber utilise des moteurs sans balai dans lesquels l'aimant permanent fait partie du rotor et les enroulements constituent le stator, comme illustré à la figure 2a. Le moteur permanent peut avoir aussi peu que deux pôles (c'est-à-dire nord et sud), mais a souvent un multiple des deux. Au fur et à mesure de la variation du courant dans les bobines, le champ magnétique parcourt le pôle qui est attiré, provoquant la rotation.

 

Avec un moteur linéaire, le stator et le rotor sont alignés. Imaginez le moteur non roulé, comme illustré à la figure 2b, ce qui donne un moteur linéaire à plat, comme illustré à la figure 2c. Le type de moteur linéaire est déterminé par la manière dont ils sont disposés et par les composants mobiles ou fixes. La bobine parcourue par le courant est généralement appelée le "forçage" des moteurs linéaires. Plutôt que de produire un couple, une force linéaire le long de la longueur de déplacement de la scène est générée lorsque le courant varie en fonction de la force.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Entraînement direct vs entraînement indirect

Lorsqu'un moteur rotatif est utilisé dans un dispositif de commande de mouvement, cette rotation n'est généralement pas le type de mouvement nécessaire; la direction, la vitesse et la force peuvent être différentes. Afin de rediriger le mouvement, des pièces mécaniques telles que des engrenages, des vis sans tête ou des vis à billes, des coupleurs, des courroies et des poulies sont utilisées. Chacun de ces composants introduit des frictions ou des imprécisions dans le système, ce qui réduit l'efficacité et limite la précision. Nous pouvons appeler ces systèmes à «entraînement indirect». Ces systèmes peuvent utiliser le retour d'information de position pour améliorer la précision, mais peuvent utiliser différents types de codeurs et de moteurs et peuvent être utilisés sans retour d'information de position. En revanche, les appareils utilisant des moteurs linéaires sont appelés "entraînement direct" car ils ne permettent pas une conversion mécanique entre la force du moteur et la course requise. Cela garantit l'efficacité et la précision maximales, mais signifie également que le bon moteur avec les spécifications appropriées doit être choisi, car il n'existe aucun mécanisme pour amplifier la force ou étendre la plage de course du moteur. De plus, alors que les moteurs linéaires sont capables de créer un mouvement précis, ils requièrent également un retour de position précis (à l'aide d'un codeur linéaire) et un pilote avancé avec une boucle d'asservissement pour tirer le meilleur parti des performances de l'entraînement. En éliminant les composants de la conversion mécanique dans un étage linéaire, les dispositifs à entraînement direct sont généralement en mesure d'offrir: Plus petit mouvement incrémental minimum Accélérations plus élevées et vitesses maximales dues à une plus grande efficacité Zéro backlash Une plus grande précision Durée de vie plus longue grâce à l'absence de frottement dans le mécanisme d'entraînement Bien que ces caractéristiques rendent les dispositifs à entraînement direct excellents pour de nombreuses applications de commande de positionnement et de mouvement, il existe certaines considérations dans lesquelles une option de lecteur indirect peut être plus appropriée, car les dispositifs à entraînement direct: Manque de stabilité "hors tension" Peut générer une chaleur significative à la charge et nécessiter une gestion de la température (telle qu'un cycle de travail limité) Avoir un prix plus élevé Peut être plus grand qu'un dispositif d'entraînement indirect avec une poussée similaire

 

Différents types de moteurs linéaires

Il existe différents types de moteurs linéaires car chacun d'entre eux compromet un aspect de la performance afin d'exceller dans un autre. Il y a quatre attributs principaux dans lesquels il y a un compromis entre performance: densité de flux, fuite de flux, masse en mouvement et couple de cogging.

 

La densité de flux est la magnitude du champ magnétique pouvant être généré dans un certain espace. Les dispositifs à haute densité de flux fournissent une force supérieure ou permettent une force similaire dans une taille plus compacte.

 

La fuite de flux est un indicateur de la qualité du champ électrique contenu dans le moteur. Les fuites à faible flux sont généralement préférables afin d’empêcher le champ magnétique d’affecter d’autres composants du système. Une fuite de flux indique également un rendement électrique inférieur du moteur.

 

Masse mobile est la masse des composants mobiles du moteur. Une masse mobile plus élevée signifie une accélération plus faible pour deux moteurs qui ont chacun la même puissance de sortie.

 

La force de coagulation (également appelée force de détente) est présente dans tout moteur linéaire qui utilise le fer et constitue l'attraction du fer sur les aimants permanents. Lorsque le moteur est sous tension et en mouvement, il se produit une ondulation de force cyclique sur toute la plage de déplacement.

 

Outre ces quatre attributs principaux, la taille et le coût varient également entre les différentes solutions disponibles. Il est difficile de couvrir chaque type ou configuration de moteur linéaire dans un court article. La section suivante se concentre donc sur trois traits distinctifs qui sont pertinents pour les systèmes de positionnement de haute précision: (1) les pistes motrices plates par rapport à celles en forme de U, (2 ) bobine mobile vs pistes d’aimants mobiles, et (3) machines à forger sans fer. N'oubliez pas que la plupart des moteurs linéaires, mais pas tous, sont constitués des mêmes composants principaux: des pistes magnétiques garnies d'aimants permanents, un forçage et un codeur linéaire à haute résolution

Plat vs en forme de U

 

Les moteurs linéaires plats, illustrés à la figure 3a, ont une seule piste magnétique. Ils ont généralement un profil plus bas et un coût réduit, car ils ne nécessitent qu'une piste magnétique. Les moteurs linéaires plats ont généralement une fuite de flux plus élevée et un rapport force / poids plus faible. Les moteurs en forme de U, comme le montre la figure 3b, ont une piste magnétique supplémentaire, opposée à la première piste magnétique, la force se déplaçant entre les pistes

 

 

 


Déplacement de bobine vs piste d'aimant mobile

 

Dans les moteurs rotatifs sans balai, les enroulements sont généralement constitués du stator, car s’ils faisaient partie du rotor en mouvement, les fils s’enrouleraient. Dans les moteurs linéaires, ce n'est pas une considération; la course est limitée et linéaire afin que les fils vers le foreur ne puissent pas s'enrouler. Tandis que le forçage peut être le «stator» stationnaire, des moteurs linéaires peuvent également être installés là où le foreur est en mouvement. Généralement, ces deux types de systèmes sont appelés moteurs à pistes mobiles ou à bobines mobiles. Les moteurs linéaires à bobines mobiles, illustrés à la figure 4a, sont généralement utilisés dans les dispositifs à déplacement plus long afin de maintenir la masse en mouvement basse. La course de tout étage de moteur linéaire est limitée à la longueur de sa piste magnétique. Pour les courtes étapes, la piste magnétique est également courte, ce qui la maintient relativement légère et convient à un étage à piste magnétique en mouvement. Pour les longues étapes, la piste magnétique est longue et devient très lourde, et il est plus logique de déplacer la bobine. Un inconvénient du moteur linéaire à bobine mobile réside dans le fait que les câbles vers le forceur sont également toujours en mouvement, ce qui nécessite une gestion des câbles. En général, les moteurs linéaires à bobines mobiles ont une masse mobile inférieure pour une plus grande accélération

 

 

 

 

 

 

Pour les besoins avec une plage de déplacement limitée, les systèmes de pistes magnétiques mobiles, illustrés à la figure 4b, peuvent s'avérer plus performants, car ils permettent d'atteindre une plus grande précision. Ceci est possible parce que la partie mobile du moteur est découplée électriquement et thermiquement, ce qui signifie qu’elle est thermiquement plus stable et moins bruyante. De plus, le moteur fixe, qui chauffe lorsque le courant le traverse, est monté sur la base du système, ce qui sert de dissipateur thermique et assure une meilleure stabilité thermique à l'ensemble du système.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pourquoi choisir Zaber?

Les dispositifs à moteur linéaire de Zaber utilisent des configurations offrant d'excellentes performances. Ils combinent la haute précision, la précision, la vitesse et l'accélération requises pour de nombreuses applications. Plus précisément, nos appareils:

 

Utilisez des conceptions de moteur en forme de U pour réduire les fuites de flux et augmenter la densité de flux.

Avoir des moteurs linéaires sans fer qui sont plus légers et offrent une meilleure précision et une meilleure stabilité de la vitesse lors du mouvement.

Sont disponibles dans des configurations de bobine mobile ou de piste magnétique mobile.

Avoir des contrôleurs intégrés, des pilotes et des encodeurs haute résolution.

Sont livrés pré-réglés, avec le logiciel libre pour ajuster rapidement et facilement les paramètres de réglage.

Chez Zaber Technologies, notre énoncé de mission est de simplifier le contrôle du mouvement. En tant que tel, Zaber est la première entreprise à intégrer le contrôleur et le pilote au périphérique. Avoir un contrôleur intégré élimine le besoin de trouver un contrôleur compatible avec le type de moteur; cela réduit le câblage et permet à l'appareil d'être livré pré-réglé. Les produits de moteur linéaire de Zaber peuvent également chaîner les données et alimenter plusieurs périphériques, minimisant ainsi les connexions et simplifiant le contrôle.

 

Un autre avantage principal de ces dispositifs est que, pour la plupart des dispositifs à moteur linéaire, une fois le contrôleur connecté, la boucle d'asservissement doit encore être optimisée. Cela peut être un processus compliqué nécessitant une compréhension assez approfondie des boucles de rétroaction. L'utilisation de périphériques Zaber simplifie ce processus car le contrôleur est préréglé avec la plupart des paramètres système. Zaber propose également une interface de réglage conviviale, illustrée à la figure 6, qui permet de faire fonctionner les étapes rapidement et facilement, sans nécessiter aucune expérience en asservissement; seule la masse de la charge est nécessaire. Pour ceux qui sont plus familiers et plus à l'aise avec les servo-contrôleurs, une interface plus avancée avec de nombreuses options de contrôle est disponible. De plus, nous avons un onglet Oscilloscope, comme illustré à la figure 7, qui peut aider à visualiser les paramètres de servocommande définis dans l’onglet Réglage d’asservissement.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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