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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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Éléments de thermo-dynamique des systèmes électromécaniques
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2. Procédés élémentaires de conversion électromécanique de l’énergie
2.1 Classification des phénomènes d’interaction exploitables
Tout processus de conversion électromécanique de l’énergie repose sur l’exploitation d’un ou plusieurs phénomènes physiques assurant une interdépendance des grandeurs mécaniques et électriques associées aux deux formes d’énergie en présence. Ainsi, considérant le cas général d’un système électro-magnéto-mécanique susceptible de stocker de l’énergie sous les trois formes correspondantes, la possibilité d’une interaction électromécanique se traduira formellement par la présence, dans le développement du lagrangien (fonction des coordonnées et des vitesses généralisées), de termes « mixtes » dépendant simultanément de variables mécaniques et électromagnétiques. Les forces ou les impulsions mécaniques, obtenues respectivement par dérivation du lagrangien par rapport aux coordonnées ou aux vitesses mécaniques, sont alors à même de dépendre des variables électromagnétiques (charge ou courant). Réciproquement, les forces ou les impulsions généralisées électromagnétiques (forces électromotrices ou flux magnétiques) dépendront des positions ou des vitesses mécaniques. Dès lors, comme le résument les tableaux 8 et 10, l’analyse systématique des différents termes d’interaction envisageables dans le développement du lagrangien permet de prévoir et de classer les divers phénomènes physiques susceptibles d’être mis à profit. Les effets correspondants sont illustrés dans le cas particulier de systèmes linéaires, les termes d’énergie potentielle ou cinétique concernés étant, dans ce cas, construits de manière quadratique (les forces et les impulsions généralisées s’expriment alors linéairement en fonction, respectivement, des coordonnées et des vitesses).
D’un point de vue phénoménologique, on peut ainsi distinguer deux modes fondamentaux d’interaction, selon que l’énergie est stockée dans le système sous une forme unique (interaction « monovalente ») ou sous deux formes couplées (interaction « divalente »).
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La première classe (tableau ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - PEREZ (J.Ph.), ROMULUS (A.M) - Thermodynamique – Fondements et Applications. - Masson, 1993.
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(2) - HAMMOND (P.) - Energy Method in Electromagnetism. - Monographs on Electrical and Electronic Engineering, Oxford Science Publications, Clarendon Press, Oxford, 1981.
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(3) - LANCZOS (C.) - The Variational Principle of Mechanics. - Dover Publications, Inc., New York, 1970.
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(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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