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Auteur(s)
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Bertrand NOGAREDE : Ingénieur de l’ENSEEIHT - Docteur de l’Institut national polytechnique de Toulouse - Chargé de recherche au CNRS Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique Industrielle
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En marge des matériaux traditionnellement utilisés dans les machines électriques, les matériaux actifs se caractérisent par leur aptitude à produire une action mécanique issue de leur propre déformation sous l’effet d’un couplage généralement réversible de type électroélastique (électrostriction, piézoélectricité), magnétoélastique (magnétostriction, piézomagnétisme), voire thermoélastique (alliages à mémoire de forme). Les progrès récemment réalisés dans ce domaine ouvrent la voie à une nouvelle génération de moteurs électriques, regroupés sous la dénomination de piézomoteurs. Le principe de fonctionnement de ces actionneurs est fondé sur la déformation alternative d’une structure élastique fixe à base de matériaux actifs, capable de communiquer par friction un mouvement d’entraînement uniforme à une partie mobile. Si les moteurs à base d’alliages métalliques magnétostrictifs, ou à mémoire de forme, appartiennent encore au domaine de la recherche, les moteurs piézoélectriques constituent d’ores et déjà une alternative performante face à certaines applications.
Après quelques rappels sur la conversion électromécanique de l’énergie par effet piézoélectrique, le présent article analyse les principes généraux sur lesquels repose le fonctionnement des piézomoteurs et met, alors, en évidence les différentes familles de moteurs piézoélectriques. Le domaine considéré étant relativement nouveau et encore en pleine évolution, le panorama des structures les plus représentatives qui est dressé 2 ne saurait cependant se vouloir exhaustif. La structure de référence que représente le moteur annulaire à onde progressive est, ensuite, étudiée de manière plus détaillée 3. Le problème spécifique de l’alimentation et de la commande des moteurs piézoélectriques est enfin traité 4.
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- Version courante de sept. 2024 par Christophe GIRAUD-AUDINE, Betty LEMAIRE-SEMAIL
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4. Alimentation et commande
L’expérience acquise en matière d’alimentation des machines électriques concerne, principalement, l’alimentation à basse fréquence d’armatures de nature inductive. Or, les moteurs piézoélectriques jouissent, par principe, d’un comportement plutôt capacitif, et requièrent, généralement, une alimentation à haute fréquence (20 à 500 kHz) et à haute tension (50 à 1 000 V). Le pilotage de ces moteurs nécessite donc la définition de stratégies d’alimentation et de commande spécifiques, fondées sur une caractérisation précise de la charge électrique particulière qu’ils constituent.
4.1 Modèle vu des bornes d’un transducteur piézoélectrique
4.1.1 Schéma électromécanique équivalent
Les relations constitutives de la piézoélectricité, écrites sous la forme du couple d’équations [1], traduisent, à l’échelle locale, le couplage linéaire existant entre les systèmes électriques et mécaniques dans la matière. À l’échelle d’un transducteur donné, la détermination de la répartition spatiale des différentes grandeurs locales permet d’obtenir une forme intégrale de ces équations, reliant les variables électriques (tension, courant ou charge) et mécaniques (force, déplacement ou vitesse vibratoire) qui caractérisent le fonctionnement global du transducteur. Ces équations conduisent à la définition d’un schéma électromécanique équivalent dont une forme générale correspond au schéma de Mason . Dans le cas d’un transducteur fonctionnant en mode transversal au voisinage d’une de ses fréquences...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SAPRIEL (J.) - Ultrasons. - E1910, traité Électronique. Techniques de l’Ingénieur, juin 1994.
-
(2) - IKEDA (T.) - Fundamentals of piezoelectricity. - Oxford Science Publications (1990).
-
(3) - GONNARD (P.), EYRAUD (L.), GUILLEMOT (M.) - Matériaux piézoélectriques pour moteurs ultrasonores – Performances requises et problèmes technologiques. - J. Phys. III, p. 1205-1218 (1994).
-
(4) - UEHA (S.), TOMIKAWA (Y.) - Ultrasonic motors theory and applications. - Oxford Science Publications (1993).
-
(5) - HIGUCHI (T.), YAMAGATA (Y.), FURUTANI (K.), KUDOH (K.) - Precise positioning mechanism utilizing rapid deformations of piezoelectric elements. - IEEE Micro-Electro-Mechanical Systems Proc., Napa Valley (USA), p. 222-226 (1990).
-
(6) - BURLEIGH Instruments inc - Micropositioning...
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