Bibliographie & annexes
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Auteur(s)
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Bertrand NOGAREDE : Professeur des Universités - Docteur de l’Institut National Polytechnique de Toulouse - Responsable du groupe Machines et Mécanisme Électroactifs du LEEI - (UMR-CNRS N 5828) de l’ENSEEIHT/INPT – Toulouse
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Si, depuis l’avènement des premiers dispositifs opérationnels de conversion électromécanique de l’énergie, le champ d’application des machines électriques n’a cessé de s’élargir, ce mouvement subit une véritable explosion durant le dernier quart du vingtième siècle. En effet, outre le développement des applications traditionnelles de l’électricité à base de moteurs ou de générateurs (traction ferroviaire, production d’énergie, laminage…), c’est plus généralement au sein des systèmes électriques modernes que actionneurs et capteurs électromécaniques trouvent désormais leurs débouchés les plus novateurs [équipements de l’automobile : par exemple, une Citroën DS 21 « Pallas » modèle 1968 comporte moins de 10 actionneurs électromécaniques (moteurs à collecteur pour la plupart), tandis qu’une XM V6 « Exclusive » des années 1990 en compte plus de 50 (relais non compris), dont 30 sont affectés aux fonctions de contrôle du moteur ; avionique ; bureautique ; domotique…]. Ainsi, alors que l’utilisation des possibilités offertes par l’électricité a longtemps consisté à « adapter » des solutions à vocation générique (le moteur « universel » illustre de manière particulièrement claire cette philosophie), la diversification des besoins de même que les performances requises, face aux défis technologiques du moment (aéronau-tique et espace, trains à grande vitesse, microchirurgie…), insufflent une dynamique nouvelle dans le domaine des machines et actionneurs électro-mécaniques : la fonction induit désormais spécifiquement l’organe. Ce schéma prend ainsi un sens particulièrement aigu à l’ère des « microsystèmes » dont le succès repose sur l’intégration, à une échelle submillimétrique, d’actionneurs et de capteurs réalisés et exploités de manière collective.
Le présent article propose un tour d’horizon des différentes solutions technologiques en présence. Si une présentation exhaustive des structures exploitées à ce jour reste relativement illusoire, l’exposé vise plutôt à dégager les concepts de base sur lesquels repose la conception des machines et actionneurs modernes. Dans ce premier fascicule, après avoir mis en place le formalisme énergétique général qui caractérise, d’un point de vue phénoménologique, la transformation électromécanique de l’énergie, les différents phénomènes phy-siques susceptibles de concourir à cette transformation sont logiquement introduits.
L’article « Machines électriques tournantes. Conversion électromécanique de l’énergie » fait l’objet de deux fascicules :
D 3 410 Machines tournantes : conversion électromécanique de l’énergie.
D 3 411 Machines tournantes : principes et constitution.
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres.
Le lecteur devra assez souvent se reporter à l’autre fascicule.
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Procédés élémentaires de conversion électromécanique de l’énergie
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1. Éléments de thermo-dynamique des systèmes électromécaniques
1.1 Postulats et hypothèses de travail
De par son caractère fédérateur vis-à-vis des différents domaines de la physique, le point de vue thermodynamique offre une base puissante et générique pour formaliser le problème de la conversion électromécanique de l’énergie. Ainsi, conformément au schéma donné sur la figure 1, les convertisseurs étudiés seront considérés, de manière générale, comme des systèmes fermés capables d’assurer un transfert d’énergie entre des générateurs et des récepteurs de nature électrique et mécanique, grâce à l’exploitation d’un ou plusieurs phénomènes d’ interaction électro-magnéto-mécanique. Dans le contexte de la thermodynamique classique, un tel système est caractérisé par un ensemble de paramètres macro-scopiques (de natures scalaire, vectorielle ou tensorielle) parmi lesquels on peut distinguer les paramètres externes, ou paramètres observables directement déterminés par la position, au sens large, des corps extérieurs (volume, allongement, charge électrique…), des paramètres internes liés à la position et au mouvement des sous-ensembles constituant le système lui-même (pression, énergie, aimantation…). Les paramètres internes peuvent être soit à caractère intensif, lorsqu’ils sont indépendants de la quantité de matière ou de particules mises en jeu (température, champ électrique…), soit à caractère extensif, ou additif, dans le cas contraire (énergie, quantité de mouvement…).
remarquons que, en fonction des conditions d’exploitation du système et des impositions dont il fait l’objet, une même grandeur physique peut être tantôt considérée comme un paramètre externe ou comme un paramètre interne.
L’état du système, c’est-à-dire la forme de son existence, est défini par l’ensemble des paramètres macroscopiques indépendants. Les grandeurs qui sont indépendantes de l’évolution antérieure du système, et donc entièrement déterminées par son état à un instant donné, sont appelées fonctions d’état.
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L’état d’équilibre thermodynamique...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PEREZ (J.Ph.), ROMULUS (A.M) - Thermodynamique – Fondements et Applications. - Masson, 1993.
-
(2) - HAMMOND (P.) - Energy Method in Electromagnetism. - Monographs on Electrical and Electronic Engineering, Oxford Science Publications, Clarendon Press, Oxford, 1981.
-
(3) - LANCZOS (C.) - The Variational Principle of Mechanics. - Dover Publications, Inc., New York, 1970.
-
(4) - GIRAUD-AUDINE (C.), NOGAREDE (B.) - Analytical modelling of travelling-wave piezomotor stators using a variational approach. - European Physical Journal Applied Physics, 6, 71-79 (1999).
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(5) - IKEDA (T.) - Fundamentals of Piezoelectricity. - Oxford Science Publications, Oxford, 1993.
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(6) - SASHIDA (T.), KENJO (T.) - An Introduction to Ultrasonic Motors, Chap 7, - Oxford Science Publications, Clarendon Press, Oxford 1993.
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