Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les effets électrodynamiques, fondés sur l'interaction de champs et de sources électromagnétiques, sont les solutions les plus classiquement employées dans la conception des actionneurs électromécaniques. Cependant, le choix d’utiliser les déformations produites au sein de certains types de matériaux, dits électroactifs, constitue une alternative de plus en plus crédible, notamment dans le cas d'actions électromécaniques distribuées. Cet article présente les éléments de conception et de dimensionnement de l'actionneur, suite à la prise en compte des contraintes mécaniques et thermiques. Les stratégies d'alimentation électronique employées pour le pilotage des différentes structures sont ensuite détaillées.
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The electrodynamic effects, based upon the interaction of electromagnetic sources are the most widely used solutions in the designing of electro-mechanical actuators. However, the choice to utilize the deformations produced within certain types of materials, so called electro active, has become an increasingly reliable alternative, particularly in the case of distributed mechanical actions. this article presents the designing and dimensioning elements of the actuator, according to mechanical and thermal constraints. The electronic supply strategies used for the operation of the various structures are then detailed.
Auteur(s)
-
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
-
Carole HÉNAUX : 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
-
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
La technologie des actionneurs électromécaniques repose sur l'exploitation de procédés physiques relativement variés. Si les effets électrodynamiques, fondés sur l'interaction de champs et de sources électromagnétiques, donnent lieu aux solutions les plus classiquement employées pour produire un effort ou un mouvement à partir d'une source d'énergie électrique, l'idée d'utiliser les déformations produites au sein de certains types de matériaux, dits électroactifs, constitue une alternative de plus en plus crédible, notamment dans le cas d'actions électromécaniques distribuées (structure intelligente).
Sur la base de la classification des procédés et structures exposée dans le dossier précédent [D 5 341], le présent dossier précise les conditions de mise en œuvre des solutions techniques correspondantes.
Les éléments de conception et de dimensionnement de l'actionneur font l'objet de la première partie. Les techniques d'alimentation électronique employées pour le pilotage des différentes structures à armature inductive ou capacitive sont ensuite examinées. Enfin, les lois de commande permettant le contrôle de l'actionneur selon différentes stratégies (commande en position vitesse ou en effort) font l'objet de la dernière partie (cf. dossiers sur les machines asynchrones [D 3 620] [D 3 622] et [D 3 623]).
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Stratégie d'alimentation et de commande
En anglais
1. Éléments de conception
1.1 Principes du dimensionnement électromécanique
De manière générale, le déroulement du processus de conception d'un actionneur électromécanique s'articule autour des trois préoccupations incontournables que constituent :
-
la formulation du cahier des charges traduisant le besoin sur le plan électromécanique ;
-
la définition d'un concept répondant à ce besoin ;
-
enfin, la détermination des caractéristiques physiques de l'objet recherché.
Quoique bien souvent négligée, l'étape de définition du cahier des charges constitue une clé décisive dans la recherche d'une solution optimisée vis-à-vis d'un besoin fonctionnel donné. Cette tâche est d'autant plus délicate que les conditions de service des dispositifs considérés sont de plus en plus complexes (fonctionnement en régime fortement variable, prise en compte de contraintes sécuritaires...). Il s'agit à ce stade de définir précisément un ensemble de contraintes et de critères dimensionnants tels que la caractéristique effort-vitesse, les conditions d'environnement thermiques...
Une fois le besoin formulé, il s'agit de définir le concept d'actionneur servant de base à la synthèse de la solution soit par sélection au sein d'un panel de solutions traditionnelles, soit au travers d'une démarche innovante. Compte tenu de l'éventail des concepts potentiellement pertinents, une phase comparative, généralement fondée sur un prédimensionnement par voie analytique des structures préselectionnées, est souvent nécessaire.
À l'aide des modèles disponibles pour caractériser finement la structure retenue, il s'agit enfin de procéder à la détermination précise des caractéristiques physiques définissant la solution au problème posé (dimensions, choix des matériaux, forme d'onde d'alimentation...) et les spécifications visées (efforts nominaux, contraintes géométriques).
À l'issue de l'étape de dimensionnement, la solution obtenue doit enfin être validée et affinée en prenant en compte des aspects avancés négligés lors des étapes précédentes (phénomènes vibratoires, etc.). Faisant généralement appel à la réalisation d'un prototype, cette étape s'appuie de plus en plus sur les ressources qu'offrent la simulation...
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Éléments de conception
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DE FORNEL (B.) - Machines asynchrones – Alimentation et caractéristiques. - [D 3 620] Convertisseurs et machines électriques, août 2004.
-
(2) - DE FORNEL (B.) - Machines asynchrones – Commande par contrôle scalaire. - [D 3 622] Convertisseurs et machines électriques, mai 2006.
-
(3) - DE FORNEL (B.) - Machines asynchrones – Commande par contrôle direct de couple. - [D 3 623] Convertisseurs et machines électriques, mai 2006.
ANNEXES
KONE (A.D.) - NOGAREDE (B.) - LAJOIE MAZENC (M.) - Le dimensionnement des actionneurs électriques : un problème de programmation non linéaire. - Journal de Physique III, France 3, 285-301 (1993).
MESSINE (F.) - NOGAREDE (B.) - LAGUANELLE (J.L.) - Optimal design of electromechanical actuators : a new method based on global optimization. - IEEE Transactions on Magnetics, vol. 34, No 1, p. 299-308 (1998).
NOGAREDE (B.) - Electrodynamique appliquée – Bases et principes physiques de l'électrotechnique. - Dunod, ISBN 2 10 007314 1, Paris, p. 260 (2005).
IKEDA (T.) - Fundamentals of Piezoelectric Materials Science. - ISBN-10:0198563396, Oxford University Press, USA, p. 274 (1990).
BOSE (B.K.) - Power electronics and ac drives. - Prentice-Hall, ISBN 0 13 686882 7, Englewood Cliffs, News Jersey 07632, p. 402 (1987).
REBIERE (O.) - Modélisation et conception de microactionneurs électrostatiques. - Thèse de l'Institut National Polytechnique de Toulouse, Laboratoire d'Électrotechnique et d'Électronique Industrielle de l'ENSEEIHT, UMR 5828, 15 nov. 1999.
NOGAREDE (B.) - PIECOURT (E.) - Circuit d'alimentation d'un moteur piézoélectrique. - Brevet no PCT/FR9500704. Déposant Société Moulinex SA, 31 mai 1995.
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