Présentation
English
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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Principes de fonctionnement
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2. Effets d’échelle dans les convertisseurs électromécaniques
2.1 Forces mises en jeu
Lorsque l’on décide d’étudier et de dimensionner un actionneur électrique de taille micrométrique, la première interrogation est de savoir quel type de forces il faut utiliser. Si, dans les dimensions classiques, l’utilisation des forces magnétiques est évidente, la question reste posée lorsque l’on s’approche du domaine micrométrique. La plupart des mécanismes de conversion électromécanique utilisables pour les microsystèmes sont connus et étudiés dans les gammes de dimensions plus classiques. Ils sont basés sur l’utilisation :
-
du champ électrique pour les systèmes électrostatiques, piézo-électriques… ;
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du champ magnétique pour les systèmes électromagnétiques, magnétostrictifs… ;
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d’effets thermiques pour les systèmes à changement de phase, matériaux à mémoire de forme…
Indépendamment des problèmes technologiques de mise en œuvre, il est intéressant d’étudier les effets d’une miniaturisation sur les performances statiques et dynamiques de ces systèmes. Nous nous limiterons dans cet article à l’étude des convertisseurs électrostatiques et électromagnétiques. Pour cela, nous avons retenu deux structures simples constituées chacune d’une poutre pouvant être soumise à une force électrique (tableau 1). Les forces calculées par dérivation de l’énergie emmagasinée se présentent sous des formes tout à fait similaires, faisant apparaître les contributions :
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des matériaux présentant une aimantation ou une polarisation permanente pour lesquels s’introduit une composante continue non commandable ;
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des courants dans les enroulements ou des tensions entre les électrodes dont les valeurs sont imposées par la commande ;
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des interactions entre les deux sources précédentes, c’est-à-dire aimantation/courant et polarisation/tension.
Ces formulations où interviennent les dimensions géométriques et les paramètres électriques se prêtent bien à une étude dimensionnelle pouvant tenir compte des contraintes propres à chaque système.
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