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RÉSUMÉ
Les machines et actionneurs électromécaniques permettent soit de convertir l'énergie du mouvement en électricité, soit d'effectuer une action mécanique à partir d'une source électrique. Des commandes de vol électriques aux microsystèmes, les fonctionnalités multiples du « tout électrique » se déclinent selon de nombreux concepts et structures. De plus, les nouveaux matériaux « électroactifs » offrent de nouveaux débouchés dans des secteurs aussi variés que l'aéronautique ou la médecine. Cet article présente les concepts et technologies de base utilisées dans le domaine des actionneurs électromécaniques.
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Bertrand NOGAREDE : Professeur des Universités à l'Institut Polytechnique de Toulouse INPT/École nationale Supérieure d'électrotechnique, d'électronique, d'informatique, d'hydraulique et des télécommunications ENSEEIHT
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Carole HENAUX : Maître de Conférence à l'Institut Polytechnique de Toulouse INPT/École nationale Supérieure d'électrotechnique, d'électronique, d'informatique, d'hydraulique et des télécommunications ENSEEIHT
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Jean-François ROUCHON : Maître de Conférence à l'Institut Polytechnique de Toulouse INPT/École nationale Supérieure d'électrotechnique, d'électronique, d'informatique, d'hydraulique et des télécommunications ENSEEIHT
INTRODUCTION
Qu'il s'agisse de convertir l'énergie du mouvement en électricité ou réciproquement d'effectuer une action mécanique à partir d'une source électrique, les machines et actionneurs électromécaniques constituent un vecteur de développement technologique désormais incontournable. Des commandes de vol électriques aux microsystèmes, les fonctionnalités multiples du « tout électrique » se déclinent selon une grande variété de concepts et de structures. En outre, l'émergence de matériaux « électroactifs », doués de propriétés et de fonctionnalités inédites, constitue une puissante motivation pour envisager les futurs défis qui se profilent dans des secteurs aussi variés que l'aéronautique ou la médecine.
Le présent dossier propose un tour d'horizon des concepts et technologies de base utilisées dans le domaine des actionneurs électromécaniques.
La première partie est consacrée à l'analyse des phénomènes et procédés physiques élémentaires susceptibles de réaliser la conversion d'énergie recherchée [D 3 410], [D 3 411].
La deuxième partie [D 5 342] décrit les principales familles d'actionneurs qui en découlent. Le cas des structures à effets électromagnétiques [D 3 720] et celui des actionneurs et systèmes à base de matériaux électroactifs [D 3 765] sont tour à tour considérés. L'analyse proposée permet ainsi de dégager les propriétés intrinsèques caractérisant les différentes technologies en présence.
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Structures opérationnelles d'actionneurs linéaires ou rotatifs
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1. Conversion électromécanique de l'énergie
1.1 Actionneur dans les systèmes électromécaniques : point de vue fonctionnel
Constituant un des maillons principaux du système dans lequel il s'intègre, l'actionneur électromécanique réalise la conversion d'énergie nécessaire à l'accomplissement d'une action mécanique à partir d'une source d'énergie électrique primaire . Cette action peut revêtir un grand nombre de formes possibles depuis le déplacement élémentaire et unidimensionnel d'un corps mobile (actionneur de type électroaimant, par exemple), jusqu'au contrôle multidimensionnel d'un mouvement complexe impliquant la gestion simultanée de plusieurs degrés de liberté (actionneur rotoïde pour prothèse médicale, par exemple). À cette fin, l'actionneur électromécanique est généralement associé à un organe capteur (position, vitesse, force…). Les informations disponibles peuvent alors être traitées par un moyen de contrôle électronique approprié, en vue d'élaborer les signaux de commande transmis à l'actionneur pour assurer la consigne imposée par un opérateur extérieur.
Les moyens électroniques mis en jeu se décomposent généralement en deux sous-ensembles principaux :
-
un convertisseur d'alimentation réalisant la mise en forme des signaux de puissance appliqués sur les entrées électriques de l'actionneur ;
-
un module de commande traitant l'ensemble des informations disponibles en vue de synthétiser les ordres transmis aux étages de puissance.
À titre d'illustration, on peut considérer le système employé à bord des aéronefs de nouvelle génération pour les commandes de vol (tableau de la figure ) [1]. Initialement mus au moyen de systèmes mécanique ou hydrauliques, les gouvernes (aileron, spoiler…) font de plus en plus appel à la technologie des actionneurs électriques pour retranscrire les...
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Conversion électromécanique de l'énergie
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
VAN DEN BOSSCHE (D.) - More Electric Control Surface Actuation : a standard for the next generation of transport aircraft. - 10th European Conference on Power Electronics and Applications – EPE 2003, Toulouse France, 2-4 sept. 2003.
NOGAREDE (B.) - Électrodynamique Appliquée – Bases et principes physiques de l'électrotechnique. - Dunod, ISBN 2 10 007314 1, Paris, 260 p. (2005).
MORAU (RJ.) - Magnetohydrodynamics. - Ed Springer, 336 p., ISBN 0792309375 (1990).
HENDERSHOT (Jr.), MILLER (The.) - Design of brushless permanent magnet motors. - 1620 p. Oxford science publications, Oxford University Press, Walton Street, Oxford 0X2 6DP (1994).
HAYLOCK (J.A.), MECROW (B.C.), JACK (A.G.), ATKINSON (D.J.) - Operation of fault tolerant machines with winding failures. - Electric Machines and Drives Conference Record, 1997, IEEE International, volume, issue, page(s) : MC3/10.1 - MC3/10.3, 18-21 mai 1997.
PHILIP (L.), ALGER - Induction machines. - 518 p., Gordon and breach, science publishers, inc, 440 Park Avenue South, New York 10016.
KRISHNAN (R.) - Switched reluctance motor drives : Modeling, Simulation, Analysis, Design and Applications. - 398 p., CRC Press ISBN 0 8493 0838 0, Boca Raton, Florida 33431 (2001).
IKEDA (T.) -...
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