Quelles sont les différences entre les électro-aimants, les électrovannes, les vérins et les actionneurs à moteur ? Le guide de sélection des actionneurs pour ingénieurs.

De nombreuses équipes d’approvisionnement et d’ingénierie considèrent souvent les électroaimants, les électrovannes, les vérins et les actionneurs motorisés comme des sources de poussée interchangeables au début d’un projet. Cependant, cette intuition s’effondre souvent lors des tests dynamiques. Ce qui n’apparaît pas sur les dessins, c’est que lorsqu’un mécanisme doit effectuer un mouvement de va-et-vient de 10mm en 0.05 seconde, la grande inertie des actionneurs motorisés et le retard dû à la compression de l’air des vérins entraînent directement une perte de contrôle de la synchronisation du système.

Un temps de réaction de 10 millisecondes (ms) est la limite physique pour les électroaimants et les électrovannes, tandis qu’un vérin sous une pression de 0.6 MPa nécessite généralement au moins 50 millisecondes pour vaincre la friction statique. Dans les équipements de distribution ou de tri à grande vitesse, si un vérin est utilisé à tort à la place d’une électrovanne à action directe, la vitesse de la ligne de production sera contrainte de descendre au tiers de sa vitesse initiale.

Nous devons admettre que, bien que les électroaimants aient une vitesse de réaction extrêmement rapide, leur courbe de sortie de couple est très irrégulière. La force d’impact au moment de l’engagement s’accompagne souvent d’un bruit et d’une usure considérables. Cette « force de sortie non linéaire » est un défaut fatal pour les électroaimants dans les applications à longue course ; lorsque la course dépasse 20mm, leur force de maintien diminue de manière exponentielle.

Limites de contrôle des électroaimants et électrovannes en principe

Sur l’écran de l’oscilloscope du laboratoire de R&D, nous pouvons clairement observer la différence de courant d’appel (Inrush Current) entre les électroaimants et les électrovannes au moment de la mise sous tension. Une électrovanne convertit essentiellement la force électromagnétique d’un électroaimant en déplacement d’un noyau de valve pour contrôler la pression hydraulique ou pneumatique, tandis qu’un électroaimant agit directement sur un plongeur pour entraîner une charge externe.

La conception de la compensation de pression fluide à l’intérieur du corps de la vanne détermine la vitesse d’ouverture de l’électrovanne. Si l’effet d’amortissement de la viscosité du fluide sur le mouvement du noyau de valve est ignoré, l’électrovanne est très sujette à un fonctionnement lent dans les environnements à basse température. En revanche, le mouvement d’un électroaimant pur n’est limité que par l’inductance de sa bobine et la masse de son noyau mobile ; la température de l’environnement de fonctionnement affecte principalement la résistance de la bobine plutôt que la résistance physique.

Pistage d’ingénierie : Dans les systèmes à cycles fréquents, l’accumulation de magnétisme résiduel dans les électroaimants peut entraîner des retards de libération. Une isolation physique par des entrefer de démagnétisation ou des cales non magnétiques est nécessaire, sinon le mécanisme subira des pannes de blocage après des millions de cycles.

Calcul de la force du vérin et comparaison avec les actionneurs motorisés

Lorsque nous avons besoin d’une poussée continue de plus de 500 Newtons (N) et d’une course de 300mm, faut-il choisir un vérin ou un actionneur servomoteur ? La réponse à cette question dépend de votre tolérance en matière de précision de positionnement et d’efficacité énergétique. Le calcul de la force d’un vérin est relativement simple, il suffit de multiplier la surface du piston par la pression d’air de travail. Cependant, la compressibilité du gaz rend presque impossible pour les vérins d’effectuer un positionnement multipoint précis en cours de course.

Inversement, les actionneurs motorisés (tels que les vérins électriques à vis à billes), bien que leur coût d’installation initial soit trois fois supérieur à celui des vérins, peuvent offrir une précision de positionnement répétitif de l’ordre du micromètre et des courbes de vitesse programmables. Si un vérin est comparé à un train direct avec seulement un point de départ et un point d’arrivée, un actionneur motorisé est un train à grande vitesse qui peut s’arrêter à n’importe quel quai à volonté, le prix à payer étant des algorithmes de contrôle servo complexes et l’espace du variateur.

Quatre indicateurs clés pour évaluer les avantages et inconvénients des actionneurs

Une alimentation DC de 24 Volts (V) est la tension d’entraînement la plus courante pour ces quatre types d’appareils. Cependant, en matière de gestion de la consommation d’énergie, les électroaimants à maintien et les actionneurs motorisés présentent des avantages intrinsèques. Les électroaimants à maintien utilisent des aimants permanents internes pour maintenir leur état enclenché après une coupure de courant, ne consommant un courant momentané que lors du changement d’état, ce qui est complètement différent des électrovannes traditionnelles qui nécessitent une alimentation continue pour maintenir la position de la vanne.

Un compromis d’ingénierie inévitable est que lorsque les systèmes sont confrontés à des vibrations haute fréquence et à des environnements corrosifs à haute température, les encodeurs de précision et les composants électroniques à l’intérieur des actionneurs motorisés sont extrêmement sujets aux pannes. Dans de tels cas, les vérins de structure simple ou les électroaimants spécialement encapsulés affichent un taux de survie très élevé, c’est pourquoi les composants pneumatiques traditionnels sont toujours préférés dans les environnements industriels lourds.

Dans une enceinte scellée où la température ambiante dépasse 80 °C, si la course est inférieure à 10 millimètres, la fiabilité du choix d’un électroaimant haute température sera supérieure à 200 % par rapport à celle d’un actionneur motorisé équipé d’un encodeur électronique.

Dans un cas antérieur de mise à niveau de ligne de production, une sélection inappropriée d’électroaimants résultait d’une mauvaise évaluation des caractéristiques de la charge. Par exemple, dans un mécanisme de verrouillage de porte automatique, si un vérin est utilisé à tort comme élément d’entraînement du pêne, en cas de défaillance de la source d’air comprimé lors d’une coupure de courant, le passage de sécurité se verrouillera immédiatement, ce qui représente un risque absolument inacceptable selon les réglementations incendie.

Chemin de décision pour la sélection des électroaimants afin de construire des systèmes à haute fiabilité

La sélection correcte de l’actionneur ne doit pas se limiter au prix d’un seul composant, mais doit inclure l’unité de traitement de l’air (FRL), la tuyauterie, les actionneurs et les coûts de maintenance ultérieurs dans le calcul du coût total de possession. L’approche de Shih-Shin Technology (世僖科技) dans des cas similaires consiste à évaluer d’abord la course et la fréquence de mouvement. Lorsque la course est inférieure à 20 millimètres et qu’une réponse de l’ordre de la milliseconde est requise, la priorité est donnée à la conception d’électroaimants linéaires ou de vannes à action directe personnalisés, afin de simplifier l’architecture du système et d’éliminer les risques potentiels liés aux fuites pneumatiques.

La productivité de votre équipement est-elle affectée par l’hystérésis des vérins, ou perd-elle en compétitivité sur le marché en raison du coût élevé des actionneurs motorisés ? En revenant à l’essence de la physique, les électroaimants, les électrovannes, les vérins et les actionneurs motorisés ont chacun leurs zones d’application idéales et irremplaçables. Seule une adéquation précise entre la course, la courbe de force et la tolérance environnementale permet de trouver le meilleur équilibre entre coût et performance.