20 Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001 Siemens AG 1999. All rights reserved. © SIEMENS...

Moteurs Linéaires, Principes Version 06/2001

Siemens AG 1999. All rights reserved.©

SIEMENS

Moteurs Linéaires1FN1 / 1FN3



SIEMENS

Les Moteurs Linéaires C’est Quoi ?

Différents types de moteur linéaire...

Types

- Synchrone

- Asynchrone

- Courant Continu

- Réluctance

Types

- Synchrone

- Asynchrone

- Courant Continu

- Réluctance

Montages

- primaire plus petit que secondaire)

- secondaire plus petitque primaire

Montages

- primaire plus petit que secondaire)

- secondaire plus petitque primaire

constructions

- solénoïde

- Simple face

- double face

constructions

- solénoïde

- Simple face

- double face



SIEMENS

Qu‘apportent les Moteurs linéaires ?

Précision grâce à : • A la mesure directe des

mouvements• A une grande réactivité

Dynamique grâce à : • De grandes vitesses et de

fortes accélérations

Montage et maintenanceMaintenance grâce à :• Moteurs sans pièces

d‘usures

Montage simplifié grâce à :• Réduction des composants

mécaniques• Bonne tolérance de montage

Flexibilité grâce à : • Pas de limite théorique de

longueur• Moteurs modulaires• Toutes géométrie d’axes

Précision et Dynamique Flexibilité

Production

PrécisionFlexibilité Montage et maintenance



SIEMENS

Les domaines d’application

Machine Outil • Centre d‘usinage • Tour• Rectifieuse• Poinçonnage grignotage• Machine UGV (HSC)• Laser• etc.

Machine Outil • Centre d‘usinage • Tour• Rectifieuse• Poinçonnage grignotage• Machine UGV (HSC)• Laser• etc.

Application de mécaniquegénérale• Machine de collage• Perçage et fraisage des circuits imprimés • Mesure• Machine de process pour le papier, plastique, bois, verre• etc.

Application de mécaniquegénérale• Machine de collage• Perçage et fraisage des circuits imprimés • Mesure• Machine de process pour le papier, plastique, bois, verre• etc.

Automatisation

• Manutention• Report de composants • Emballage• Machine de test• Impression• etc.

Automatisation

• Manutention• Report de composants • Emballage• Machine de test• Impression• etc.



SIEMENS

Comparaisons:Moteur Linéaire / Vis à Bille + Moteur Rotatif

*La combinaison de certaine valeur maximum n’est pas possible.

Moteur LinéaireVis à Billes

(h=10mm)

*Force maximum <20 000 N (par moteur) <240 000 N

*Accélération max. <320m/s2 <15m/s2

*Vitesse maximum <830m/min <80m/min

*Longueur maximum <50m <6m

<



SIEMENS

Caractéristiques des Moteurs Linéairesen Comparaison des systèmes vis à billes

Pas de démultiplication de la poussée possible

Pas de réducteur de vitesse Dans la plupart des cas un

refroidissement par eau est nécessaire La rigidité de l’axe ne dépend plus que

de la qualité des boucles de régulations Source de chaleur à l’intérieur de la

machine

Avantages Inconvénients Seule l’inertie de l’axe est à prendre en

compte, il est possible d’obtenir de forte accélération

Pas de restriction concernant la vitesse et la longueur des axes

Mécanique simplifiée, plus rigide et plus fidèle

Augmentation des gains des régulations Annulation de l’écart de poursuite Augmentation de la précision au contour

Suppression d’éléments mécaniques Axes plus légers et plus rigides Axes fiables, Moins de maintenance

Plus grande précision de la machine grâce aux règles de mesures



SIEMENS

Augmenter et Distribuer la Poussée en Utilisant Plusieurs Moteurs Linéaires pour un AxeExemple : 6 x 1FN3900-4WC00 = 6 x 20 700 N = 124 200 N de poussée

Les avantages procurés par l’utilisation de plusieurs moteurs pour un seul axe

Augmentation de la poussée maximum

Les élasticités mécaniques peuvent être compensées (gantry)

Meilleure répartition des forces de poussée dans la structure mécanique

Plus de liberté pour la conception de la machine (moteur plus petit, compensation des forces d'attraction magnétique)

Quels sont les différents types de couplage possible ? Plusieurs Moteurs Raccordés Sur Un Seul Variateur

Fonctionnement en Gantry

Fonctionnement en Maître/Esclave

Combinaison des différents principes



SIEMENS

Plusieurs Moteurs Raccordés Sur Un Seul Variateur

Montage mécanique en série ou en parallèle de moteurs identiques

Une liaison rigide entre les moteurs est nécessaire

Une seule règle est nécessaire La distance entre moteur est

un entier du pas polaire Les primaires moteur sont

connectés en parallèle sur le variateur

Les capteurs de température sont câblés en série sur le variateur

N

S

N

S

N

S

N

S

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N

S

Montage en séries Montage en parallèle

p

d

2n +d

p2n

règle

secondaire

primaire

p

Paspolaire



SIEMENS

Fonctionnement en Gantry

Plusieurs règles de mesure et variateurs sont nécessaires

La liaison mécanique entre les moteurs ne doit pas être rigide

Toutes les fonctions habituelles des axes en gantry sont disponibles

Deux règles sont nécessaires, ainsi que deux variateurs

La distance entre moteur est un entier du pas polaire

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

N

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S

N

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S

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N

S

N

S

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S

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

primaire

d

2n +d

secondaire



SIEMENS

Fonctionnement en Maître/Esclave, Principe de fonctionnement

Bus variateur 64MBit/s

Boucle devitesse

Boucle deposition

Consigne deposition

Boucle decourant

Moteurs linéaire

CNC 611DMoteur et

règle

Règle linéaire

Mesure de position

1-k

k

Maître

Esclave

Equilibrage

Pré-contrainte

Coefficient de couplage

Référence de vitesse

Règle linéaireRéférence de vitesse

Mesure de position



SIEMENS

Source de chaleur à l’intérieur de la machine ?

Isolation thermique du moteur par Thermo Sandwich® (principe breveté)

Circuit de refroidissement de précision

Circuit de refroidissement de puissance

Therm

o iso

lati

on

Deux circuits derefroidissementindépendants

10 K

0 K

Température au contact du moteur

T < 2Kmax



SIEMENS

Sans Isolation Thermique

Ort

Incr

ea

se o

f te

mp

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ture

vs.

tem

per

atu

re o

f co

olin

g m

ed

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10 K

0 K

Refroidisseur de précision

Température sur la surface du moteur

Pas

de b

arr

iére

therm

ique

Sans isolation thermiqueRefroidissement uniquementPar la plaque moteur



SIEMENS

Répartition typique pour les moteurs 1FN1 et 1FN3(Thermo-Sandwich ®)

T maximum 2 °CT maximum 2 °C

Refroidisseur de précisionca. 9%

Refroidisseur de précisionca. 9%

Refroidisseur de puissanceca. 85%Température d’entrée 35°C

Refroidisseur de puissanceca. 85%Température d’entrée 35°C

SecondaireRefroidisseur de précisionca. 6%

SecondaireRefroidisseur de précisionca. 6%



SIEMENS

Branchement des circuits de refroidissement

Les deux circuits de refroidissement (de précision et de puissance) permettent une grande souplesse dans la réalisation du circuit de refroidissement

2K d’élévation de température maximum avec le circuit de précision

Faible puissance nécessaire pour celui-ci (~10%)

Large plage de température (20°C à 35°C) pour l’entrée d’eau du circuit de puissance

Pression maximum, 10 bar pour chaque circuit

Montage rapide par connecteurs hydrauliques

Mise en série pourplusieurs moteurs

Mise en série du circuit de refroidissement de précisionet de puissance



SIEMENS

Rigidité des Axes à Moteurs Linéaires

Grâce à la mesure de position directe la rigidité statique de ce type d’axes est excellente, elle dépend principalement de la boucle de position (kv)

la rigidité dynamique dépend de la rapidité des boucles de commandes

la rigidité dynamique est compensée par une grande dynamique de la boucle de régulation de vitesse(kp, TN, les masses en mouvement influence le kp)

delta x

1/dyn. Rigidité dynamique sdyn

1/ Rigidité statique sst

L’écart maximum dépendde la boucle vitesse

L’amortissement dépendde la boucle de position

Le gradient dépendde l’inertie et de la force

appliquée

s kT

k

kN

m sT s k

sv

dyn pN

v

p N in ; in ; in

1

1



SIEMENS

La rigidité de l’axe ne dépend plus que de la qualité des boucles de régulations ?Le choix de l’ensemble digital SINUMERIK 840D et SIMODRIVE 611D

Commutation précise des phases moteur grâce aux signaux de la règle

Evaluation de la vitesse par interpolation (2048 X) des signaux de la règle

Fréquence d ’échantillonnage très rapide des boucle de courant et de vitesse, large bande passante de ces régulations pour obtenir une bonne rigidité

synchronisation exacte de tous les éléments digitaux par le bus entraînement afin d'éviter les erreurs dynamiques de contour

(10s d'erreur de synchronisation engendre une erreur de 2.5m à 30m/min.)

Système flexible pour tout type de moteurs, possibilité de filtres numériques sur les différentes boucles de régulation

Fonction de mise en service et d’optimisation intégrée (générateur de fonction, fonction oscilloscope, analyse en FFT, CNA, aide en ligne)



SIEMENS

Résumé sur la rigidité

Rigidité statique

A l’aide du coefficient intégral du régulateur de vitesse (coefficient Tn) et du système

de mesure direct il est possible d ’atteindre une rigidité statique importante

(> 1000N/µm)

Rigidité dynamique

La rigidité dynamique d ’un entraînement direct est essentiellement influencée par :

la masse du mobile

la dynamique du régulateur de l’entraînement, donc par les coefficients Kv et Kp

Pour obtenir une rigidité maximale il est important de maximiser la dynamique de la

boucle de régulation. En règle générale, ces limites sont fixées par la fréquence de

résonance du bâtit machine.



SIEMENS

Comparaison: Moteurs Linéaires Synchrones et Asynchrones

Moteur synchrone Moteur asynchrone

Poussée Le rapport poids / poussée et de 50 à 100%plus important

Le courant magnétisant doit être fourni par levariateur (30% de In)

Echauffement Le secondaire est faiblement échauffé Le secondaire est fortement échauffé par lecourant magnétisant

Contrôle du moteur Une évaluation absolu de la position despôles magnétiques est nécessaire à la misesous tension

Seule une évaluation relative est nécessaireà la mise sous tension

Force d'attraction Force d'attraction constante (précautions demontage, mais machine fidèle)

Force d'attraction variable (fidélité machine ?)

Algorithmes derégulations

Algorithmes simples, permettants unéchantillonnage plus rapide

Algorithmes complexes (contrôle de fluxvectoriel en boucle fermé)

Effets perturbateurs Couplages magnétiques simples àcompenser

Diminution de la poussée disponible àgrande vitesse du faite des couplagesmagnétiques

Prix Eléments secondaires en terres rares pluschers, en partie compensé par un primaire etun variateur plus petit

Eléments secondaires simples, avantageuxpour les axes de grande longueur



SIEMENS

Principes de base des moteurs linéaires 1FN1 / 1FN3

Les moteurs SIMODRIVE 1FN1 / 1FN3 sont des moteurs triphasés synchrone à aimants permanents

Les moteurs sont livrés sous la forme de :

Un primaire triphasé et son système de refroidissement (l’équivalent du stator moteur).

Un secondaire à aimants permanents (l’équivalent du rotor). Plusieurs secondaires sont nécessaires en fonction de la longueur de l’axe.

Le constructeur de la machine complétera la fourniture par des guidages linéaires et une règle de mesure linéaire.

En principe le primaire est fixé sur la partie mobile de l’axe. Pour les axes de faible longueur l’inverse est admis.

secondaire

primaireAimants(alternativementpôle Nord et pôle Sud)

Sens du mouvement



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Schéma de principe:Exemple de configuration Moteurs linéaires 1FN

Secondaires

Capteur à effet hall(optionl)

Primaire Chaîne porte câble

CN

Sinumerik 840D

Variateur

Simodrive611 U

boîtier de connexions

refroidisseur(option)

Variateur

Simodrive611 D

Profibus

Règle de mesure



SIEMENS

Préconisations pour la règle de mesure

Les signaux de règle ne servent pas uniquement à la mesure de position de l’axe, mais sont essentiels à la détermination de la vitesse du moteur et aux commutations des phases du moteur

Une règle avec une bonne résolution, signaux analogiques sinusoïdaux, est nécessaire pour permettre une bonne évaluation de la vitesse de l’axe

Elle doit être compatible avec les vitesses et accélérations de l’axe

Le montage du curseur de la règle doit être rigide

Elle doit être installée de façon rigide sur la machine

Pour les moteurs synchrones une mesure de la position des pôles magnétiques est nécessaire à la mise sous tension

Avec une règle incrémentale on utilisera l’identification automatique des pôles ou un capteur à effet hall (moteur 1FN3)

Avec les règles absolues le calage est fait une fois pour toutes



SIEMENS

Règles compatibles

Règle absolue Heidenhain protocole EnDat (LC181, jusqu’à 3040mm de longueur)

Règles incrémentales Signaux analogiques 1Vcc

A un ou plusieurs tops zéro codés

Position des pôles magnétiques par capteur à effet

Position des pôles magnétiques par identification automatique

Grande longueur possible

Très large choix (Heidenhain, Zeiss, Renishaw, Optodyne, AMO) optique, magnétique, etc.



SIEMENS

Règles Heidenhain type

type LS486 LS186 LC181 LIDA185

construction fermée fermée fermée ouverte

division 20m 20m 16m 40m

Signaux sin/cos,1Vcc

incrementaux

sin/cos,1Vcc

incrementaux

sin/cos,1Vcc

absolus

sin/cos,1Vcc

Incrementaux

Acc. max. 50m/s2 100m/s2 50m/s2 100m/s2

Vitesse max. 120m/min 120m/min 120m/min 480m/min

Long. max. 2040mm 3040mm 3040mm 30040mm

Rigidité 0,07m/g 0,1m/g 0,05m/g -------



SIEMENS

Recommandations pour la conception de la machine

Du fait de la grande dynamique des moteurs linéaires les élasticités de la machine doivent être étudiées avec le plus grand soin

Particulièrement le montage de la règle et la réalisation des fondations de la machine

Avoir un petit rapport masse en mouvement / masse fixe

Rigidifiez autant que possible les montages mécaniques

De façon idéale travaillez par éléments finis, calculez et simulez la machine

Bâti machine

Axe machine

Règle de mesureMasseMoteur linéaire Codeur

Masse

Vis à bille

Moteur

Accouplement

Bâti machine

Entraînement moteur linéaire Entraînement vis à bille



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Exemple: Centre d’Usinage 3 Axes à Moteur Linéaires

Test de circularité entre X et Y avec R=100mm, F=30m/min 2µm max. de déviation

Axe X:1800kg, 2 Moteurs, 10600N de poussé chacun en Gantry

Axe Y:850kg, 4 Moteurs, 3450N de poussé chacun en parallèle

Axe Z:380kg, 1 Moteur, 7920N

Règles absolues

Vitesse maximum 120m/min

kv = 30m/min/mm pour tout les axes

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