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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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Conversion électromécanique de l'énergie
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2. Structures opérationnelles d'actionneurs linéaires ou rotatifs
2.1 Actionneurs à effets électromagnétiques
Les machines et actionneurs à effets électromagnétiques exploitent les actions mécaniques réciproques subies « à distance » par des sources situées de part et d'autre d'un entrefer. Formant les armatures du convertisseur, ces sources peuvent être indifféremment constituées de milieux aimantés ou de conducteurs parcourus par des courants. Si le sens de déplacement s'effectue perpendiculairement à l'interface séparant les deux armatures, le couplage mis en jeu est qualifié de normal (cas de la plupart des électroaimants), tandis qu'on parle de couplage tangentiel lorsque le déplacement s'effectue par « cisaillement » de l'entrefer. Dès lors, ce couplage constitue le mode d'interaction le plus communément exploité dans les convertisseurs à effets électromagnétiques, rotatifs ou linéaires. Dans ces structures, l'entrefer séparant les armatures fixe (stator) et mobile (rotor) peut être orienté selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (cas des machines discoïdales) ou dirigé radialement (cas des machines cylindriques à rotor intérieur ou extérieur). La figure montre ainsi les deux géométries exploitées, la solution à flux radial étant la plus communément utilisée.
HAUT DE PAGE2.1.1 Classification des principaux concepts utilisés
À l'aide des topologies précédemment décrites, des actions mécaniques (force ou couple) peuvent être développées entre les parties fixes et mobiles du convertisseur sous l'effet du champ électromagnétique qui couple ses armatures. Toutefois, pour que l'intensité et le sens de ces actions puissent se conserver au cours du mouvement, le champ doit pouvoir accompagner le déplacement relatif des sources. Une question fondamentale repose donc sur la production d'un champ glissant (machines linéaires) ou tournant (convertisseurs rotatifs) animé d'un mouvement relatif par rapport à l'armature qui lui donne naissance.
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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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