Qu’est-ce qu’un moteur linéaire ?
Un moteur linéaire est un moteur électrique qui se déplace selon un mouvement linéaire.
Alors que les moteurs ordinaires génèrent un mouvement de rotation, les moteurs linéaires génèrent un mouvement linéaire. Ce sont des unités d’entraînement qui utilisent l’attraction et la répulsion des aimants ou la force de Lorentz pour générer la propulsion.
Alors que l’entraînement dans une direction linéaire à l’aide d’un moteur conventionnel nécessite une combinaison de divers composants, les moteurs linéaires facilitent le mouvement linéaire sans nécessiter de mécanismes compliqués.
Utilisations des moteurs linéaires
Parmi les utilisations bien connues des moteurs linéaires, l’on peut citer les voitures à moteur linéaire, comme les trains à grande vitesse (TVG). Pour ces derniers, la caisse de la voiture flotte sur les rails grâce à la répulsion des aimants. Il y a ainsi très peu de perte de force motrice due à la force de frottement. Ils peuvent donc circuler à grande vitesse.
Le matériel roulant de la ligne Toei Oedo du métro métropolitain de Tokyo et de la ligne Kaigan du métro municipal de Kobe n’est pas en lévitation mais est entraîné par des moteurs linéaires. Ces dernières années, les moteurs linéaires ont été de plus en plus utilisés dans les unités d’entraînement des équipements industriels.
Ils sont souvent utilisés dans les machines-outils, les équipements de fabrication de semi-conducteurs, les engins spatiaux, les accélérateurs et les pistolets à moteur linéaire, qui requièrent de la précision. Dans les produits de consommation, les exemples incluent les rideaux électriques des voitures, les machines à raser, l’autofocus des appareils photo et les restaurants de sushis tournants.
Principe des moteurs linéaires
Les moteurs linéaires sont entraînés par l’attraction et la répulsion, ou force de Lorentz, des aimants. La structure d’un moteur linéaire est similaire à celle des moteurs classiques, mais elle est découpée pour générer un mouvement linéaire.
Selon le principe de fonctionnement, il en existe de nombreux types, notamment les moteurs à induction linéaires, les moteurs synchrones linéaires, les moteurs à courant continu linéaires et les moteurs pas à pas linéaires.
1. Moteurs linéaires à induction
Ce système utilise le même principe que les moteurs à induction, c’est-à-dire la force de Lorentz due à l’induction électromagnétique comme force motrice. Un électro-aimant est placé sur un aimant à pôles NS-SN et entraîné par un courant électrique. Cette méthode est souvent utilisée dans les moteurs linéaires pour des applications industrielles où une grande précision est requise.
2. Moteurs linéaires synchrones
Ce système utilise le même principe que les moteurs synchrones, à savoir l’attraction et la répulsion entre les pôles magnétiques. Les pôles des aimants fixes alignés linéairement sont modifiés en fonction du mouvement des électroaimants mobiles, fournissant ainsi la force motrice pour le mouvement linéaire.
Les moteurs synchrones linéaires se caractérisent par un rendement plus élevé que les autres méthodes. Dans les voitures à moteur linéaire, la plupart sont des moteurs synchrones afin de réduire la consommation d’énergie. Il convient de noter que dans les voitures à moteur linéaire à sustentation magnétique, des aimants supraconducteurs sont utilisés dans les électro-aimants du côté de la carrosserie afin de minimiser l’alimentation en énergie électrique.
3. Autres méthodes
Les moteurs linéaires à courant continu sont utilisés pour les actionneurs et d’autres applications. Les moteurs pas à pas linéaires sont notamment utilisés pour le contrôle de précision d’équipements optiques tels que la mise au point automatique d’un appareil photo. Les moteurs piézoélectriques linéaires, entraînés par des éléments piézoélectriques, sont moins efficaces mais peuvent être contrôlés avec une grande précision et sont utilisés pour les machines de précision, etc.
Autres informations sur les moteurs linéaires
1. Vitesse et précision des moteurs linéaires
Les avantages de vitesses plus élevées sont significatifs dans les utilisations de trains à grande vitesse linéaires. Le développement des aspects de performance et de la technologie de contrôle des moteurs linéaires est sur le point d’aboutir à une application pratique. L’on peut citer les avantages suivants : ils ne nécessitent pas de mécanisme de réduction, ils peuvent avancer avec une grande précision, ils peuvent être utilisés dans des axes longs et plusieurs moteurs peuvent être disposés de manière à fonctionner simultanément.
En revanche, ils présentent des inconvénients tels que la difficulté de contrôler les effets des perturbations, la difficulté d’obtenir une poussée élevée et la difficulté d’inspection et de maintenance, mais des améliorations sont apportées d’année en année. Dans ces conditions, outre des vitesses plus élevées, une plus grande précision attire l’attention et est utilisée dans les machines-outils telles que les rectifieuses et les tours. De plus, les moteurs linéaires représentent une possibilité d’avenir du point de vue de la protection de l’environnement, par exemple leur utilisation dans les grandes machines hydrauliques.
2. Refroidissement des moteurs linéaires supraconducteurs
L’exemple le plus courant de moteur linéaire à sustentation magnétique est l’utilisation d’aimants supraconducteurs : en utilisant le phénomène de supraconductivité, où la résistance électrique devient nulle à des températures basses de 4 K (-269 °C), un champ magnétique puissant peut être généré sans perte d’énergie électrique.
Afin de maintenir un état constant de supraconductivité, un mécanisme de refroidissement doit être installé, traditionnellement à l’aide d’hélium liquide. Le prix et l’importance de l’équipement sont des inconvénients. Ces dernières années, il est devenu possible de refroidir des aimants supraconducteurs directement sans utiliser d’hélium liquide en changeant les matériaux utilisés pour les bobines qui composent l’aimant.
Le matériau utilisé est un oxyde de cuivre à base de bismuth, qui peut être refroidi à 20 K (-253 °C), une température à laquelle la supraconductivité est atteinte plus élevée que ce qui était possible auparavant. Ces aimants sont appelés aimants supraconducteurs à haute température. L’équipement utilisé pour refroidir les aimants supraconducteurs à haute température utilise une méthode de refroidissement du matériau directement par expansion adiabatique, ce qui le rend léger et compact.