Présentation
En anglais
Auteur(s)
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Emmanuel SARRAUTE : Maître de conférences au Conservatoire National des Arts et Métiers - Laboratoire d’électricité signaux et robotique
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Isabelle DUFOUR : Chargé de recherche au CNRS - Laboratoire d’électricité signaux et robotique
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Lire l’articleINTRODUCTION
La volonté de miniaturiser les actionneurs ne date pas d’hier et les progrès accomplis en ce domaine, par l’industrie horlogère notamment, le prouvent. Mais alors que les méthodes classiques d’usinage ont atteint leurs limites, de nouvelles techniques de fabrication, issues pour la plupart des procédés utilisés en micro-électronique, permettent maintenant de réaliser des pièces méca-niques à l’échelle micrométrique. Les premiers micromoteurs usinés sur silicium apparaissent à la fin des années 1980. Dans des domaines d’application où les dimensions jouent un rôle très important, comme par exemple le génie médical et biologique, l’espace et l’instrumentation, l’enjeu est considérable.
À l’image des moteurs « classiques », c’est-à-dire de taille macroscopique, plusieurs principes de fonctionnement peuvent être mis en évidence. Cependant, nous nous restreindrons dans cet article à l’étude des micromoteurs électrostatiques à capacité variable. Après avoir présenté quelques procédés de fabrication et réalisations, nous étudierons les effets de la miniaturisation sur les performances statiques et dynamiques des convertisseurs électromécaniques. L’intérêt des systèmes électrostatiques étant mis en évidence dans les très petites dimensions, nous aborderons les principes de fonctionnement et présenterons ensuite une méthode systématique de dimensionnement qui, sur la base de règles topologiques simples et d’un cahier des charges donné, permet de définir une structure optimale en terme de couple moyen maximal. Enfin, pour mieux apprécier les performances théoriques de ce type de micromoteur, nous étudierons son comportement dynamique et présenterons des résultats de simulation correspondant à plusieurs configurations de fonctionnement.
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4. Dimensionnement et critères d’optimisation
Dans une optique de dimensionnement, il est nécessaire de déterminer l’influence des paramètres liés à la nature des matériaux, à la géométrie et à l’alimentation, afin de définir, à partir d’un cahier des charges, une structure optimale en terme de couple de démarrage maximal. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes limités à l’alimentation classique des moteurs pas à pas, c’est-à-dire phase par phase.
4.1 Choix du matériau rotorique
Nous avons exprimé au paragraphe 2 les efforts mis en jeu dans une structure électrostatique. Dans le cas où le système ne possède pas de polarisation permanente, on exprime la force par :
Nous voyons de façon évidente que la force développée est d’autant plus importante que la permittivité ε2 est grande. La limite de F, lorsque ε2 tend vers l’infini, devient analogue à la force mise en jeu dans une structure purement métallique (c’est-à-dire avec un matériau 2 conducteur, le matériau 1 restant gazeux, de l’air par exemple). En conséquence, il est préférable de réaliser des moteurs électrostatiques à stator et rotor métallique ou avec des matériaux semi-conducteurs fortement dopés, pour développer le maximum de couple.
HAUT DE PAGE4.2 Influence des paramètres géométriques
Dans la suite, nous allons nous intéresser exclusivement aux micromoteurs électrostatiques à entrefer radial.
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