Un servomoteur rotatif ne produit un mouvement linéaire qu’après qu’un mécanisme de conversion a transformé sa rotation en course.
Un moteur linéaire, en revanche, produit directement ce déplacement, sans aucune conversion intermédiaire. Cette seule différence de conception détermine tous les compromis qui en découlent en matière de force, de vitesse, de précision et de coût.
Si vous imaginez un moteur linéaire comme un moteur rotatif sans balais déroulé, vous en comprenez le principe électromagnétique fondamental. Au lieu d'un rotor tournant à l'intérieur d'un stator, c'est un chariot mobile qui se déplace le long d'un rail composé d'aimants permanents disposés en alternance.
Les principes de base étant identiques, les servomoteurs effectuent la commutation et les commandent exactement de la même manière.
C'est au niveau de la transmission mécanique — qu'il s'agisse d'une vis à billes, d'une courroie ou d'un système à crémaillère et pignon — que le système rotatif tire ses avantages uniques et en hérite les inconvénients.
What is the Core Technological Difference Between a Linear Motor and a Rotary Servo Motor
Un moteur linéaire est un servomoteur rotatif « déroulé ». Au lieu d’un rotor tournant à l’intérieur d’un stator, un chariot mobile équipé de bobines triphasées se déplace le long d’un rail composé d’aimants permanents dont la polarité alterne. Le courant circulant dans les bobines magnétise chaque phase en nord ou en sud, et les forces d’attraction et de répulsion qui en résultent poussent le chariot le long du rail.
Le variateur le commute et le commande de la même manière qu'un moteur rotatif sans balais : le principe électromagnétique est identique et seule la géométrie est modifiée.
The rotary alternative keeps the motor spinning and adds a transmission: a ball screw, a belt and pulley, or a rack and pinion.
Each converts rotation to translation with different tradeoffs — belts favor speed and low cost over precision, rack-and-pinion favors very long travel.
Cet article prend la vis à billes comme exemple représentatif, car il s'agit du mécanisme de conversion dont la précision est le plus souvent en concurrence directe avec celle d'un moteur linéaire. C'est au niveau de la transmission que le système rotatif fait valoir ses avantages et hérite de ses inconvénients ; c'est donc par là qu'il convient de commencer.
Moteur linéaire ou servomoteur rotatif : Un aperçu comparatif rapide
Les six paramètres ci-dessous correspondent à des plages représentatives publiées ; les valeurs réelles dépendent du moteur utilisé, du pas de la vis, du dispositif de rétroaction et de la conception de l'étage.
| Critère | Servomoteur rotatif + vis à billes | Moteur linéaire (à entraînement direct) |
| Trajectoire de mouvement | Rotation transmise par une vis à billes | Course linéaire directe, sans conversion |
| Accélération maximale | Environ 2 g, valeur typique pour un servomoteur + vis à billes | Jusqu'à environ 10 g |
| Vitesse maximale | ~0,5–1 m/s (20–40 pouces/s) | environ 5 à 10 m/s (jusqu'à environ 400 pouces/s) |
| Précision de positionnement | ~3 à 5 µm (limite pratique) | Submicronique ; jusqu'à quelques fractions de µm |
| Retour de flamme | Éliminé par un écrou préchargé ; l'erreur de pas subsiste | Aucun — aucun contact sur la trajectoire de la force |
| Force | Multiplié par la vis ; poussée élevée | Limité par le courant de bobine et les propriétés magnétiques |
La force : l'avantage mécanique
L'avantage majeur de la vis à billes réside dans la multiplication mécanique. Une vis à pas court privilégie la force au détriment de la vitesse, multipliant le couple du moteur pour générer une poussée linéaire élevée. C'est pourquoi les systèmes combinant un mouvement rotatif et une vis à billes s'imposent dans les presses et les dispositifs de serrage, domaines dans lesquels un moteur linéaire de taille comparable ne pourrait rivaliser.
Un moteur linéaire ne comporte aucun système d'engrenage permettant de multiplier la force. Sa poussée provient directement de l'interaction entre le courant des bobines et la piste magnétique ; sa force continue est donc strictement limitée par l'intensité maximale que les bobines peuvent supporter avant de surchauffer.
Vitesse, accélération et stabilisation
C'est dans le domaine de l'entraînement direct que les moteurs linéaires se démarquent véritablement de la concurrence. Sans vis à faire tourner ni accouplement souple à enrouler, un moteur linéaire atteint des accélérations proches de 10 g et des vitesses de l'ordre de 5 à 10 m/s. Les systèmes classiques à servomoteur et vis à billes plafonnent généralement à environ 2 g et à moins de 1 m/s.
De plus, les vis à billes longues et fines présentent une limite propre à ce type de système. Au-delà d’une vitesse de rotation critique, une vis longue commence à se mettre à fouetter, ce qui limite la vitesse de déplacement utile et oblige les concepteurs à recourir à des vis de plus grand diamètre. Les moteurs linéaires, quant à eux, ne comportent pas d’arbre rotatif et ne présentent aucune limite liée au fouettement.
Comprendre l'inertie et les limites thermiques
Un réducteur réduit considérablement l'inertie de la charge subie par le moteur, proportionnellement au carré de son rapport de réduction. Pour une vis à billes, la masse de la charge répercutée sur l'arbre du moteur est :
Où Jréf. est l'inertie de la charge au niveau de l'arbre du moteur, m est la masse de la charge en mouvement, et p c'est le pas de la vis.
Comme le pas est au carré, même une charge utile importante semble faible au moteur lorsque le pas est modeste, ce qui permet de dissocier le moteur des variations de charge. Un moteur linéaire ne bénéficie pas d’une telle réduction, car la charge totale s’applique directement sur l’élément de poussée, ce qui rend les charges utiles variables plus difficiles à régler.
Le comportement thermique diffère également de manière significative. Les moteurs rotatifs sont placés du côté de l'entraînement, ce qui permet d'évacuer la chaleur loin de la pièce à usiner. Les bobines d'un moteur linéaire se déplacent avec la charge, ce qui peut entraîner un apport de chaleur dans les processus sensibles à la température.
Dans le cas des moteurs linéaires, la force continue est limitée par des contraintes thermiques, et l'élévation de température des bobines s'explique comme suit :
Parce que la force Fc Il apparaît que, au carré, des températures ambiantes élevées ou des limites maximales de température des bobines réduiront considérablement la force continue du moteur.
En résumé : quand choisir l'une ou l'autre
La solution combinant un système rotatif et une vis sans fin est généralement moins coûteuse à l'achat et offre un rapport force/prix bien supérieur. C'est le choix idéal lorsque la densité de force et le coût priment sur les performances dynamiques de haut niveau, comme dans le cas du pressage à forte poussée, des axes verticaux ou des applications impliquant des charges utiles très variables.
À l'inverse, il convient d'opter pour un moteur linéaire lorsque l'application exige une vitesse, une accélération ou une précision qu'une vis ne peut pas atteindre.
Ils permettent un positionnement à l'échelle submicronique et sont parfaits pour les processus de placement ou de balayage à haut débit, dans lesquels un enroulement mécanique ou l'usure risqueraient de compromettre le résultat final.
En fin de compte, comme un moteur linéaire n'est, d'un point de vue électrique, qu'un moteur rotatif sans bobinage, les servomoteurs standard tels que le FlexPro et le DigiFlex Performance de ADVANCED Motion Controls peuvent piloter les deux types de moteurs sans aucune difficulté.
