Introduction

Un micromoteur électrique standard génère un mouvement rotatif alors que, dans de nombreuses applications, la charge se déplace de manière linéaire plutôt qu'en rotation. C'est notamment le cas pour les outils médicaux comme les pipettes, lesseringues médicales, ou les dispositifs de mésothérapie, ou pour les marchés industriels comme les bras robotisés ou des valves de régulation de fluides. Les ingénieurs doivent développer leur propre système pour convertir le mouvement rotatif en mouvement linéaire.

L’ingénieur conception devrait idéalement se concentrer sur le développement du son produit. Ainsi, le choix du moteur miniature et la conception du système de transmission linéaire peuvent être réalisés par des spécialistes du mouvement afin de d’optimiser le temps de développement du produit final. Examinons de plus près les possibilités en matière de mouvement linéaire.

La rotation peut être convertie en mouvement linéaire par un système à vis et écrou monté sur l'arbre du moteur. Il existe 2 grands types de systèmes à vis et écrou :

  • Les systèmes de vis et écrou à billes (voir figure 1) fonctionnent sur le principe d'un contact de roulement entre un écrou et une vis. La bille recircule le long d'une rainure hélicoïdale. Grâce aux composants roulants, cette solution présente un très faible frottement, d'où un degré d'efficacité élevé (supérieur à 90 %) et une grande capacité de charge.
  • Les systèmes de vis et écrou d’entrainement (voir figure 2) sont composés d'une vis (généralement en acier inoxydable) et d'un écrou d’entrainement (principalement en plastique). Les deux composants sont en contact direct, ce qui génère plus de frottement que la vis à billes. Il s'agit cependant d'une solution économique et donc intéressante lorsque le coût est un facteur clé. En règle générale, le matériau de l'écrou affecte la durée de vie et la capacité de charge maximale de l'ensemble. Cependant, l'utilisation’ écrous préchargés permet d'éliminer le jeu axial.

Deux types de solutions linéaires peuvent être habituellement envisagés :

  • Option 1: la vis est directement intégrée dans le moteur
  • Option 2: la vis est montée sur l'arbre du moteur

Option 1 : Moteur avec vis intégrée

Les actionneurs linéaires standard (souvent appelés en anglais « Digital Linear Actuator » ou DLA) sont une solution linéaire entièrement intégrée fonctionnant avec un moteur pas à pas Can Stack. Ceci est une solution simple avec un bon rapport coût/efficacité. Grace à la technologie pas à pas, ce moteur est un système de positionnement à part entière, de sorte que la commande n'a pas besoin de boucle de rétroaction de la position (comme un codeur ou des capteurs à effet hall). Le DLA peut être entraîné par pas entiers, demipas ou micro-pas, selon la résolution souhaitée. Un autre avantage est que le couple de détente du moteur permet au DLA de conserver sa position lorsqu’il n’est pas alimenté.

Pour la transmission linéaire, un système vis écrou est surmoulé dans l'ensemble rotor (voir figure 3). L'écrou est généralement fabriqué en un matériau spécial qui optimise le frottement et garantit par conséquent une bonne efficacité et une longue durée de vie.

Certains produits ont même des roulements à billes avec un montage spécial, où les roulements à billes sont préchargés avec une rondelle ondulée afin de réduire le jeu axial (voir figure 3). Cette solution améliore la précision du positionnement linéaire, ainsi que la répétabilité du mouvement. La vis se déplace puis se rétracte, avec la possibilité de revenir à la position de départ.

Lorsqu’on définit une solution de mouvement linéaire, il est également souhaitable de prendre en compte que certaines options sont généralement disponibles afin d’optimiser la solution :

  • Longueur de course
  • Pas de la vis (généralement 2 ou 3 choix par référence)
  • Type de bobine : bipolaire ou unipolaire
  • Tension nominale de la bobine
  • Courant nominal
  • Vis captive (dispositif anti-rotation intégré) ou vis non captive (voir figure 4)
  • Divers embouts filetés disponibles en unités métriques ou impériales

Les actionneurs linéaires sont une solution de très bon rapport coût/efficacité, facile à intégrer avec une force linéaire élevée et une haute fiabilité.

Option 2 : Solution de moteur personnalisée

Pour les applications nécessitant des performances élevées dans un format très compact, on peut envisager une solution personnalisée. Les solutions sur mesure sont généralement construites autour d'un moteur à courant continu à balais, à courant continu sans balais ou pas à pas à aimant disque. Ces technologies présentent différents avantages par rapport aux moteurs pas à pas can stack. Par exemple, pour les applications à forte accélération, nous recommandons d'utiliser un moteur à faible inertie tel qu'un moteur pas à pas à aimant disque. Pour une puissance élevée dans un format compact, il peut être recommandé de choisir un moteur CC sans balais, avec unréducteur si besoin. Pour une efficacité élevée, un moteur à courant continu à balais sans noyau de fer est une solution optimisée, en particulier pour les applications alimentées par batterie. Certains accessoires peuvent aussi être ajouté sur l’ensemble, comme par exemple, un codeur pour avoir un retour de position haute résolution.

Une solution sur mesure offre aussi plus de flexibilité dans la sélection de la vis. L'équipe R&D peut choisir le type de vis et d’écrou (à billes ou d’entrainement) , le pas, le matériau et les dimensions.

Pour concevoir un ensemble motorisé, il est important de connaître à la fois la puissance requise de l'application et la puissance générée au niveau du moteur. Plusieurs relations de physique sont utilisées pour convertir la force de sortie et la vitesse linéaire souhaitées en couple d'entrée ainsi qu'en vitesse de rotation. Examinons quelques exemples pour déterminer une solution optimale et afin de vous aider à obtenir la puissance requise pour votre application.

Example 1 : actionneur linéaire numérique

Description de l'application

Une équipe développe un dispositif médical de laboratoire qui déplace une infime quantité de liquide dans des tubes à essai. Un moteur contrôle un canal multi-pipettes. Le diamètre du moteur ne doit pas dépasser 20 mm, car c’est un outil à main. Il est important d'avoir une bonne répétabilité et une bonne précision au niveau du mouvement pour fournir systématiquement la même quantité de liquide à chaque opération.

Le processus de travail peut être divisé en deux grandes étapes :

➞ Étape 1 : Remplir les pipettes en 1 étape en moins de 4 secondes

  • Distance parcourue par la pipette : 50 mm en 4 secondes soit une vitesse = 12,5 mm/s
  • Force jusqu’à 20 N pour un liquide visqueux

➞ Étape 2: Vider les pipettes. Le contenu de la pipette est divisé en petites quantités pour plusieurs tubes à essai.

  • Distance parcourue : la pipette doit être en mesure de diviser le volume en 30 sous-étapes, soit 50 mm / 30 = 1,6 mm
  • Force 15N

Solution

Les actionneurs linéaires numériques sont généralement une bonne solution pour ce type d'appareil car :

‣ La solution est généralement disponible en standard sans développement supplémentaire

‣ La technologie pas à pas permet de facilement contrôler la distribution de liquide en sous-volumes

‣ Grâce aux roulements à billes préchargés, il n'y a pas de jeu axial dans le DLA, d'où une bonne répétabilité

Pour sélectionner un moteur, nous recommandons de suivre la méthode suivante. L'exemple montre le moteur 20DBM fourni par Portescap, voir figure 5 :

  • Dimension - éliminer les solutions avec un diamètre > 20 mm ( 1 )
  • Longueur de course - La distance parcourue est de 50 mm, la longueur de course minimale doit donc être de 50 mm. La version captive peut être éliminée, car la longueur de course est inférieure à 50 mm ( 2 )
  • Alimentation - Assurez-vous que le moteur peut fonctionner à la force requise. ( 3 )
  • Calculez la fréquence nécessaire pour atteindre la vitesse linéaire ciblée. La fréquence dépend du pas de la vis. Reportez- vous aux colonnes 3 et 5 du tableau 1. ( 4 )

Consultez le graphique de force de traction pour sélectionner le pas de vis. Reportez-vous à la colonne 4 du tableau 1. ( 5 )

  • Bobine - Il est important de choisir une bobine adaptée à l'alimentation. Une bobine avec un faible nombre de spires a une faible résistance et convient bien pour une alimentation à courant élevé et basse tension. Une bobine avec un nombre élevé de spires a une résistance élevée, et convient bien pour un type d'alimentation à courant faible et haute tension. ( 6 )

‣ Compte tenu des paramètres et des performances de l'exemple ci-dessus, ce moteur avec la vis 10 serait une bonne option.

Example 2 : Solution de moteur personnalisée

escription de l'application

Une autre équipe d'ingénieurs développe actuellement un dispositif médical qui sera utilisé par un médecin pendant une opération. Les ingénieurs tiennent compte des exigences suivantes :

L'outil sera manipulé par un médecin et alimenté par batterie pour une meilleure ergonomie. L'ingénieur doit trouver une solution motorisée de diamètre maximum de 13 mm afin que le médecin puisse tenir facilement l’outil dans sa main. . Enfin l'outil doit être optimisé pour avoir une bonne efficacité, ceci permettra une meilleure longévité de la batterie.

Les exigences typiques de puissance sont les suivantes, voir tableau 2 :

 Force (N)
 100
 Vitesse linéaire (mm/s)
 7
 Puissance mécanique nécessaire (W)
 0,7

Tableau 2. Exigences en matière d'alimentation

Calcul de la puissance

La solution étant alimentée sur batterie, les moteurs CC à balais sans noyau sont une technologie adaptée pour atteindre un une haute efficacité. On peut estimer la puissance demandée par le moteur en partant d'une efficacité typique du réducteur de 75 % et d'une efficacité de la vis de 50 %, ce qui donne une puissance de 1,87 W.

Power Calc

En calculant la puissance estimée, il est possible d'identifier la taille type du moteur. Pour cet exemple, nous confirmons qu'un moteur de petit diamètre peut fonctionner à ces spécifications.

Conversion de la vitesse linéaire / force en vitesse de rotation / couple

Comme le moteur produit un mouvement de rotation, il faut convertir la vitesse linéaire en vitesse de rotation et la force en couple. La conversion dépend de la vis, qui est spécifiée par son pas .

Relations physiques

Si la vis (montée sur l'arbre) tourne de 1 tour (2 π), l'écrou se déplace linéairement d'une distance égale au pas (voir figure 6).

Par conséquent, on utilise la relation suivante pour convertir la vitesse linéaire en vitesse de rotation :

La relation de puissance permet de déduire le rapport force/couple :

Cette relation peut être appliquée dans l'exemple précédent. Comme le couple et la vitesse dépendent de la vis, nous allons effectuer le calcul avec deux pas pour comprendre l'impact du pas sur le choix du moteur.

Remarque : Le pas de la vis a aussi un impact sur l'efficacité de celle-ci, à cause du frottement du matériau et à l'angle de la vis.

On utilise maintenant les relations précédentes dans l'exemple, voir tableau 3.

Un pas réduit nécessite une plus haute vitesse d’entréeet un couple plus faible par rapport à un pas plus élevé. En général, le pas réduit nécessite également plus de puissance en raison de son efficacité plus faible.

Sélection du réducteur

La sélection du réducteur dépend du couple de sortie et de la vitesse d'entrée.

Le catalogue Portescap indique que le réducteur R13 est compatible avec les deux vis d’un point de vue performance. Ce réducteur a un couple de sortie maximal de 0,25 Nm (supérieur au couple calculé). La vitesse d'entrée maximale de ce réducteur est de 7 500 tr/min.

Sélection du rapport

La sélection du réducteur dépend du couple de sortie et de la vitesse d'entrée.

To define the maximum ratio, we divide the maximum input speed by the output working speed, and compare it with the ratio available, see table 4.

*We generally choose the closest and smallest ratio available in order to have a working input speed lower than the recommended maximum input speed.

Motor selection

To choose the motor, we need to calculate the application input torque of the gearbox. As this is a continuous application, the motor must have a maximum continuous torque higher than the application gearbox input torque, see table 5.

For both screws, we can use the motor 12G88 which has a maximum continuous torque of 3.5 mNm.

Solution selection

The electrical power, efficiency and solution dimension can now be calculated for each solution, see Table 6.

The 12G88 215E has the following specs:

‣ torque constant k = 4.9mNm/A

‣ resistance R = 3.2 Ω

Technically, both solutions can work but depending on the requirements of the application you may select either option 1 or option 2. As an example, if the goal is to prioritize the battery life compared to the solution package, then option 2 seems to be the best. Indeed, the total efficiency is 30% whereas option 1 is only 18%. The drawback of option 2 is the size because gearbox 2 has 1 more stage than option 1, consequently this solution is 3g heavier and 3.1 mm longer.

Conclusion

For linear applications, motor suppliers can support the development team by offering standard linear motors or by developing a linear, custom motorized solution. For both parties (motor supplier and application designer), it is important to define the technical requirements in the device but also at the motor level. For any development, the key is to have a full understanding of the project’s needs, in order to find the best compromise between technical and commercial requirements.

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Figure 1 : Vis à billes avec écrou à billes
Figure 2 : Vis avec écrou d’entrainement
Figure 3 : Exemple d'actionneur linéaire Can Stack à jeu axial nul
Figure 4 : Conception captive vs non captive
Tableau 1. Sélection du pas de la vis 20DBM
Figure 5 : Processus de sélection de l'actionneur linéaire
Figure 6 : Moteur et vis
Tableau 3 : Calcul de la vitesse linéaire et du couple en fonction du pas de vis
Tableau 4. Sélection du rapport de réducteur
Tableau 5. Calcul du couple au niveau du moteur
Tableau 6. Calculs de puissance et de rendement pour chaque solution