Le moteur pas à pas de base crée un mouvement rotatif d’un noyau de rotor magnétique grâce à l’utilisation d’impulsions et du champ électromagnétique passant autour du noyau. Un actionneur linéaire convertit ce mouvement de rotation en un mouvement linéaire, dépendant précisément de l’angle de pas du rotor et de la méthode choisie pour effectuer la conversion.
L’actionneur linéaire qui utilise une vis aurait également sa précision dépendante du pas de filetage. À l’intérieur du rotor d’un actionneur linéaire, un écrou est situé au centre du rotor et une vis correspondante est engagée dans l’écrou. Pour que la vis se déplace axialement, la vis doit être contrainte de tourner avec l’ensemble écrou et rotor par certains moyens. Avec l’anti-rotation de la vis, un mouvement linéaire est obtenu lorsque le rotor tourne. L’anti-rotation est généralement réalisée soit à l’intérieur avec la fixation d’un ensemble de vis d’arbre, soit à l’extérieur avec un écrou sur l’arbre de vis qui est d’une certaine manière empêché de tourner, mais libre le long de son axe.
Pour une simplicité de conception évidente, il est logique d’effectuer la conversion rotative à linéaire directement à l’intérieur du moteur. Cette approche simplifie grandement la conception de nombreuses applications en permettant un « moteur de chute » capable d’un mouvement linéaire précis sans qu’il soit nécessaire d’installer des liaisons mécaniques externes.
Le premier actionneur linéaire utilisait une combinaison écrou à billes et vis. La vis à billes offre généralement une efficacité supérieure à 90%, tandis que les filetages Acme offrent généralement une efficacité comprise entre 20% et 70%, en fonction des conditions de filetage.
Bien que les vis à billes soient un moyen très efficace de convertir le mouvement rotatif en course linéaire, l’écrou à bille est sensible à l’alignement, encombrant et coûteux. Par conséquent, l’écrou à billes n’est pas une solution pratique pour la plupart des applications.
La plupart des concepteurs d’équipements sont familiers avec l’actionneur linéaire hybride à moteur pas à pas. Ce produit existe depuis plusieurs années et, comme tout autre appareil, il a ses forces et ses limites. Quelques-uns des avantages sont la simplicité inhérente de la conception, la compacité, sans balais (donc sans arc), un avantage mécanique incroyable, une flexibilité de conception et une fiabilité. Cependant, dans certains cas, ces actionneurs linéaires peuvent ne pas être conçus dans certains dispositifs car ils ne sont pas durables sans entretien de routine.
Cependant, il existe des moyens de surmonter de tels obstacles et de fournir des actionneurs très durables avec une longue durée de vie et sans entretien. En raison de la conception sans balais des moteurs pas à pas, les seuls composants soumis à l’usure sont les roulements du rotor et l’engagement du filetage de l’ensemble vis-mère / écrou. Des années de progrès dans les roulements à billes ont déjà fourni la disponibilité de types avec des caractéristiques de longue durée étendues. Récemment, la durée de vie et la durabilité des composants de la vis mère et de l’écrou de raccordement ont été améliorées.
Durabilité accrue
Pour commencer, il est nécessaire de jeter un coup d’œil à la conception de base. Un bon modèle pour une étude de cas est le moteur de taille 17, qui se trouve à l’extrémité la plus petite de la gamme de tailles de pas à pas hybrides. Traditionnellement, un actionneur linéaire est fabriqué en usinant un arbre creux à partir d’un matériau métallique de qualité palier tel que le bronze. Cet arbre creux a des filets internes, qui à leur tour s’engagent dans les filets d’une vis sans fin. L’arbre creux est installé le long de l’axe du rotor. Un choix populaire pour le matériau de la vis sans fin est l’acier inoxydable, qui offre également une certaine résistance à la corrosion. Pour la plupart, le type de filetages utilisés sont des filetages machine (comme un #10-32) qui peuvent être de démarrages simples ou multiples, en fonction de la résolution et de la vitesse souhaitées dans l’actionneur.
Le filetage de la machine, connu sous le nom de filetage en « V », est choisi car il est relativement facile à usiner et à rouler. Même si c’est un choix approprié pour la fabrication, c’est un mauvais choix pour la transmission de puissance. Un bien meilleur fil est le fil Acme. Il y a quelques raisons à cela.
De par sa conception, le filetage Acme est plus efficace, ce qui réduit les pertes, y compris les frottements, ce qui signifie à son tour moins d’usure et finalement une durée de vie plus longue. En regardant la géométrie de base de la vis, il est facile d’expliquer cela. Un filetage en V a un angle de 60 ° entre les faces opposées, tandis que l’Acme n’est que de 29 °. (Figure 2)
En supposant que le frottement, le couple et l’angle d’avance sont les mêmes, un filetage en V ne délivrera qu’environ 85% de la force d’un Acme. L’efficacité est déterminée à l’aide de l’équation un ou deux, pour une utilisation avec des filets ayant une forme de V, en fonction de la direction de la charge. Le rapport est simplement calculé en divisant l’efficacité des filets à 60° par les filets à 29°. (Figure 3)
Figure 2. Comparaison des fils (a) 60° ‘V’ et (b) 29° Acme.
Figure 3. Équations d’efficacité
Figure 4. Propriétés de frottement du bronze par rapport au plastique
Les calculs d’efficacité ne tiennent pas compte du fait que la pression de surface sera beaucoup plus élevée sur le filetage en V, ce qui augmentera encore les pertes.
Les vis filetées Acme sont généralement fabriquées pour la transmission de puissance, une attention particulière est accordée à la finition de surface, à la précision du plomb et aux tolérances. Les filets en V sont principalement utilisés comme filets de fixation, de sorte que la finition de surface et la rectitude ne sont pas étroitement contrôlées.
D’importance égale, sinon supérieure, est l’écrou qui entraîne la vis. Cet écrou est souvent encastré dans le rotor du moteur. Le matériau d’écrou traditionnel est un bronze de qualité roulement, qui se prête à l’usinage requis des filetages internes. C’était un compromis approprié entre stabilité physique et onctuosité. Le compromis, bien sûr, est le maître mot, car il n’excelle ni dans l’un ni dans l’autre. Un meilleur matériau pour un écrou de puissance dans l’actionneur linéaire est un matériau thermoplastique lubrifié. En effet, avec les nouveaux plastiques techniques, les filetages peuvent maintenant se déplacer avec un coefficient de frottement plus faible. La figure 4 contraste les propriétés de frottement des matériaux du filetage du rotor.
Sur cette base, on pourrait se demander: pourquoi ne pas utiliser un écrou d’entraînement en plastique? Malheureusement, aussi bon que soit le plastique pour les filetages, ce n’est pas un matériau suffisamment stable pour les tourillons de rotor d’un moteur hybride. Avec l’augmentation possible de la température du moteur de 167 ° F pendant le fonctionnement du moteur, le plastique dans ce cas pourrait se dilater jusqu’à 0,004 « ; tandis que le laiton, par exemple, ne peut se dilater que de 0,001 « dans les mêmes conditions thermiques.
Les tourillons de roulement sont essentiels dans la conception du moteur hybride. La conception du rotor hybride doit maintenir un entrefer de seulement quelques millièmes de pouce pour des performances optimales. L’entrefer est défini comme l’espace entre le diamètre extérieur de l’aimant du rotor et le diamètre intérieur du stator. Si l’ensemble rotor perdait de la concentricité, il frotterait contre la paroi du stator. Grâce à la sélection des matériaux, un concepteur souhaiterait bénéficier des avantages matériels de la longue durée de vie du filetage et de la stabilité du tourillon du roulement. En moulant par injection des fils de plastique dans un ensemble de rotor métallique, cet avantage mutuel des propriétés est obtenu.
Le résultat est un produit extrêmement amélioré avec un fonctionnement silencieux, des rendements et une espérance de vie plus élevés. L’espérance de vie peut être supérieure d’un ordre de grandeur à celle d’un écrou en bronze dans des conditions de fonctionnement identiques.