Développement et application des moteurs linéaires

Le développement des moteurs linéaires à l'étranger

Historique du développement

Le développement des moteurs linéaires débute peu après celui des moteurs rotatifs. Peu après l'apparition de ces derniers, le prototype des moteurs linéaires a vu le jour. Cependant, leur développement a été complexe et sinueux.

En 1845, le Britannique Charles Wheastone inventa le premier moteur linéaire au monde. Cependant, ce moteur présentait un rendement très faible en raison d'un entrefer excessif et ne connut pas le succès escompté. Au milieu du XXe siècle, les progrès réalisés dans les domaines du contrôle, de l'électronique, des matériaux et d'autres technologies apportèrent un soutien théorique et technique au développement des moteurs linéaires, qui entrèrent alors dans une nouvelle phase de développement. Le professeur ER Laithwaite, au Royaume-Uni, fut un pionnier dans le développement des moteurs linéaires modernes. Il mit l'accent sur la recherche fondamentale dans ce domaine, et l'équipe de recherche qu'il dirigea obtint de nombreux résultats significatifs. Le professeur Kazuo Yamada, au Japon, est une autre figure emblématique ; il est l'auteur de plusieurs ouvrages sur les moteurs linéaires. Depuis les années 1970, les domaines d'application des moteurs linéaires se sont considérablement étendus, incluant les traceurs automatiques, les pompes à métal liquide (MHD), les marteaux électromagnétiques, les machines industrielles légères, l'électroménager, les compresseurs d'air et les équipements de fabrication de semi-conducteurs, etc. Après les années 1990, avec l'avènement de l'usinage à grande vitesse, les moteurs linéaires ont fait leur apparition comme systèmes d'avance dans les centres d'usinage. Grâce aux avantages et au potentiel des systèmes d'avance à entraînement direct, supérieurs à ceux des systèmes traditionnels, ces derniers suscitent un regain d'intérêt à l'échelle internationale. Selon les rapports disponibles, les ventes de moteurs linéaires et de leurs systèmes d'entraînement aux États-Unis s'élevaient à 45,53 millions de dollars en 1997 et devraient atteindre 107,72 millions de dollars en 2002.

En tant que système électromécanique, le moteur linéaire simplifie la structure mécanique et complexifie la commande électrique, ce qui est conforme à la tendance de développement de la technologie électromécanique moderne.

La société américaine Anorad Corporation est un fabricant de moteurs linéaires de renommée mondiale. Elle a lancé ses moteurs linéaires à courant continu sans balais en 1988 et a obtenu un brevet aux États-Unis. Elle produit principalement des moteurs linéaires synchrones à aimants permanents, constituant ainsi une gamme de produits aux structures et puissances variées, largement utilisés dans de nombreux secteurs.

L'entreprise allemande Indramat fabrique des moteurs linéaires à induction et à aimants permanents, avec une gamme de plus de 50 modèles. Les moteurs à aimants permanents se caractérisent par un rendement élevé (jusqu'à 1,72 N/W) et une forte densité de poussée. Ils peuvent atteindre une vitesse de 600 m/min et une poussée de 22 kN.

Pour réduire le coût des moteurs linéaires, la société Trilogy a lancé le module de codage linéaire (LEM). Ce module utilise le champ magnétique du moteur pour fournir un retour d'information sur sa position, indépendamment de sa course. Il peut fonctionner dans des environnements difficiles et fournit des signaux de commutation similaires à ceux des capteurs de course complète, avec une résolution et une répétabilité de 5 µm.

Les produits des autres fabricants de moteurs linéaires présentent chacun leurs propres caractéristiques. Pour plus de détails, veuillez consulter l'article « High-Frequency Response DC Linear Motor » de Liu Jinling et al. (publié dans « Micro and Special Motors », n° 4, 1993). L'utilisation des moteurs linéaires dans les systèmes d'avance des centres d'usinage à grande vitesse et autres machines-outils à commande numérique (CNC) à grande course est relativement récente. Les machines-outils équipées de moteurs linéaires doivent posséder des systèmes de commande numérique avancés, une rigidité et des fréquences propres élevées, et la masse des pièces mobiles doit être aussi faible que possible. C'est la seule façon d'exploiter pleinement le potentiel des moteurs linéaires. De plus, la conception du système d'avance à entraînement direct des machines-outils doit également prendre en compte les problématiques de refroidissement et de dissipation thermique. Afin d'éviter l'attraction des copeaux et autres poussières par le champ magnétique du moteur linéaire, des mesures d'isolation magnétique et antimagnétiques doivent être mises en œuvre. Par ailleurs, contrairement aux vis-mères, les moteurs linéaires ne sont pas autobloquants. En cas d'installation verticale, des facteurs tels que le contrepoids d'équilibrage et le freinage doivent également être pris en considération.

La collaboration entre Ford, Ingersoll et Anorad au milieu des années 1980 a permis l'intégration des moteurs linéaires dans les machines-outils. Ford souhaitait que ses machines-outils soient à la fois rapides, précises et très flexibles. Cette coopération a abouti au lancement par Ingersoll du module haute vitesse HVM800, équipé de moteurs linéaires à aimants permanents Anorad sur ses trois axes, offrant ainsi d'excellentes performances.

En 1993, la société allemande Ex-Cell-O présentait au Salon européen de la machine-outil de Hanovre, en Allemagne, le premier centre d'usinage à grande vitesse au monde, le XHC240, entraîné par un moteur linéaire sur sa table de travail. Ce centre était équipé d'un moteur linéaire à induction développé par la société allemande Indramat, offrant une vitesse de déplacement maximale de 80 m/min et une accélération pouvant atteindre 1 g. Par la suite, de nombreux fabricants ont lancé des centres d'usinage équipés de moteurs linéaires. Selon les statistiques, les ventes de machines-outils utilisant des moteurs linéaires s'élevaient à 300 unités en 1997 et devraient atteindre 3 000 unités en 2005. D'ici dix ans, 20 % des machines-outils à commande numérique seront équipées de moteurs linéaires.

Outre les machines-outils de découpe, d'autres machines-outils telles que les équipements de découpe laser, de découpe plasma et d'usinage par électroérosion ont également commencé à utiliser des moteurs linéaires.

État des lieux de la recherche sur les moteurs linéaires domestiques

Bien que de nombreux instituts nationaux mènent des recherches sur les moteurs linéaires, trois universités se concentrent principalement sur leur utilisation comme systèmes d'avance pour les machines-outils ou les centres d'usinage. L'Université de Technologie du Guangdong a créé le « Laboratoire de Recherche sur l'Usinage à Ultra-Grande Vitesse et les Machines-Outils », dont les activités principales portent sur la recherche et le développement de « broches électriques à ultra-grande vitesse » et de « systèmes d'avance à grande vitesse pour moteurs linéaires ». Ce laboratoire étudie les moteurs linéaires à induction et a développé le système d'avance à commande numérique à grande vitesse GD-3. Ce système offre une force d'avance nominale de 2 kN, une vitesse d'avance maximale de 100 m/min, une précision de positionnement de 0,004 mm et une course de 800 mm. Depuis la fin des années 1990, l'Université de Technologie de Shenyang mène des recherches sur les moteurs linéaires synchrones à aimants permanents et a fabriqué un prototype d'une poussée de 100 N. Un autre axe majeur de ses recherches concerne les méthodes de commande des moteurs électriques et des servomoteurs, sujets sur lesquels elle a publié de nombreux articles. L'Institut de génie de la production du département des instruments de précision et du génie mécanique de l'université Tsinghua a développé avec succès un moteur linéaire à courant continu à réponse haute fréquence, doté d'une course allant jusqu'à 5 mm, d'une fréquence de coupure supérieure à 250 Hz et d'une poussée de plusieurs centaines de newtons. Utilisé pour entraîner le porte-outil transversal d'un tour à pistons convexes de taille moyenne, ce moteur a donné d'excellents résultats en conditions réelles d'usinage. Les recherches actuelles portent sur un servomoteur linéaire à aimant permanent de grande course. Ce moteur présente une poussée nominale de 1 500 N, une vitesse maximale de 60 m/min, une accélération nominale à vide de 1 g et une course de 600 mm.

Il convient de noter qu'en Chine, la recherche sur les moteurs linéaires, et plus particulièrement sur les servomoteurs linéaires pour les systèmes d'avance des machines-outils, est encore balbutiante. Le manque de chercheurs et de financements est criant, et les progrès sont relativement lents. L'écart avec les pays étrangers se creuse sans cesse. Il est donc urgent de renforcer la recherche. Pour briser le monopole technologique étranger, il est nécessaire d'allier veille technologique et développement indépendant, et d'intensifier la recherche sur les technologies fondamentales et clés.

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