Soutenance mémoire
Définition d’un actionneur électromagnétique
Un actionneur électromagnétique est un système capable de convertir de l’énergie électrique en énergie mécanique via une étape intermédiaire magnétique. Cette particularité lui confère un caractère réversible fondamental à l’inverse de certains actionneurs mécanique ou hydraulique. Dans un actionneur électrique, la conversion d’énergie est fondée, d’une façon générale, sur l’interaction d’au moins deux sources de champ magnétique : un bobinage dit de puissance, car obtenu à partir d’un circuit électrique, véhiculant l’énergie électrique destinée à la conversion, et une source magnétique dite d’excitation qui ne véhicule que des pertes d’excitations. D’autre part, la conversion électromécanique nécessite d’avoir au moins deux parties en mouvement relatif entre lesquelles la zone d’interface est appelée entrefer. L’une des deux, fixe par rapport au référentiel choisi, est dite le stator, l’autre est dite le rotor ou le mobile suivant le type de déplacement généré. A chaque stade de la conversion, des pertes apparaîssent : pertes électriques, pertes magnétiques et pertes mécaniques. Les critères fondamentaux de classification (c.f. figure 1.2) peuvent se définir à partir de ce schéma figure 1.1. Ces critères sont liés aux sources magnétiques (de création de champ magnétique), à l’architecture mécanique et enfin, à l’alimentation électrique. Nous dégagerons également des critères composés correspondant à des combinaisons des critères fondamentaux.
Les pertes de l’actionneur
Jusqu’ici, nous avons raisonné selon des considérations d’échauffement (permanent ou impulsionnel) liées principalement aux pertes Joule, c’est-à-dire sans nous préoccuper des bilans énergétiques. Le rendement η est l’une des caractéristiques importantes d’un actionneur. Il fait, cependant, toujours l’objet d’un compromis avec les performances (couple volumique ou puissance massique…). En effet, la réduction des dimensions conduit à un accroissement des densités de courant et de flux (inductions) et par conséquent à une augmentation des pertes. Celles-ci peuvent se répartir en quatre catégories :
• les pertes d’alimentation du circuit électrique de puissance, qui regroupent les pertes Joule et les pertes de l’alimentation électrique,
• les pertes d’excitation, si l’excitation est du type dissipative,
• les pertes magnétiques, qui regroupent les pertes par courants de Foucault et par hystérésis dans les matériaux magnétiques ainsi que les pertes magnétiques (courants induits) dans les bobinages (souvent appelées pertes supplémentaires),
• les pertes mécaniques qui incluent les pertes dans les guidages et les pertes aérodynamiques.
En ce qui concerne les pertes d’alimentation, on peut remarquer que :
• Les actionneurs alimentés à fréquence variable ont des pertes dans les convertisseurs de fréquence (mécaniques ou électroniques) que n’ont pas les actionneurs alimentés à fréquence fixe
• Les actionneurs alimentés par commutations mécaniques ont souvent moins de pertes d’alimentation que ceux alimentés par électronique (convertisseurs statiques).
Les sources d’excitation de type dissipative ont évidemment plus de pertes que les non dissipatives. Pour minimiser les pertes magnétiques, (pour une technologie de circuit magnétique donnée), il faut minimiser la longueur des trajets de champ dans le circuit magnétique. Différents critères sont favorables à cette minimisation :
• les champs magnétiques hétéropolaires offrent généralement des trajets plus courts que les champs homopolaires (à pas τ donné).
• les sources magnétiques déportées ont des trajets de champ plus longs que les sources magnétiques à encoches ou dans l’air.
En ce qui concerne les pertes magnétiques sur la partie de la machine ne possédant pas de circuit de puissance, les machines à couplages polaires sont très avantageuses. C’est particulièrement vrai pour les machines à excitations synchrones. En effet, pour ces machines, la partie portant l’excitation (généralement le rotor) « voit » un champ sensiblement fixe et constant, et a donc les pertes fer très faibles. Quant aux pertes aérodynamiques, elles sont directement liées à la vitesse périphérique de l’actionneur. On peut dire que ces pertes sont sensiblement proportionnelles à la surface d’entrefer, et au cube de la vitesse périphérique. Aux vitesses élevées, supérieures à 150m/s, les niveaux de pertes par unité de surface peuvent atteindre ou dépasser les pertes par effet Joule.
Le coût de l’actionneur
Face aux différentes performances des actionneurs, un critère très important est, bien entendu, son prix. Le prix de revient d’un actionneur dépend à la fois du coût des matériaux utilisés (il peut représenter jusqu’à 70% du coût total en très grande série) et du coût de la fabrication.
• Le coût des matériaux utilisés concerne l’excitation et l’alimentation électrique.
• Le coût de fabrication est largement lié à la localisation des sources magnétiques, la répartition spatiale des phases et l’architecture mécanique. Ce coût dépend beaucoup de la maturité technologique des procédés de fabrication (expérience acquise).
Cela est particulièrement valable pour les moteurs fabriqués en très grande série. De manière simplifiée, les excitations de type produit sont (globalement) plus chères que celles de type induit. Les sources d’excitation situées dans l’air sont les plus économiques du point de vue de la fabrication (mais elles nécessitent souvent un volume plus élevé de matériau conducteur). Celles situées dans des encoches sont plus délicates à réaliser, mais l’expérience accumulée a permis de mettre au point des machines de production efficaces quoique coûteuses. D’autre part, les sources d’excitation situées sur la même partie que le bobinage de puissance sont généralement plus économiques que celles situées sur l’autre partie. Cette remarque est plus particulièrement vérifiable sur les actionneurs linéaires. La commande par commutation électronique est souvent plus chère que celle par collecteur mécanique. Cela reste vrai malgré la simplification mécanique des moteurs à commutation électronique (plus de pôles de compensation, plus de pôles de commutation, moteur plus léger…). Ceux-ci sont les contraintes de durée de vie, de maintenance, de puissance massique, etc… qui imposent la suppression des collecteurs mécaniques. Un bobinage dont les phases sont superposées est plus délicat à réaliser qu’un bobinage à phases juxtaposées ou séparées. On voit ainsi apparaître des machines à phases juxtaposées à des niveaux de puissance de plus en plus élevés alors qu’elles restaient, il y a peu, encore cantonnées aux puissances inférieures à la centaine de watts. Plus le bobinage est proche de l’entrefer, plus il est difficile à réaliser (donc cher) et plus il nécessite une excitation surdimensionnée (volume d’aimant ou de cuivre, ou encore pertes d’excitation accrues, donc refroidissement plus efficace) : Une architecture plane est généralement plus difficile à réaliser (à même entrefer) qu’une architecture cylindrique. Les architectures planes peuvent se rencontrer dans les machines tournantes discoïdes ainsi que dans les actionneurs linéaires. Cela s’explique par les difficultés à obtenir un centrage précis dans les structures symétriques ou/et à supporter les efforts normaux avec des paliers à billes classiques. On doit alors avoir un surdimensionnement de la rigidité mécanique et des guidages.
Réalisation mécanique et prise en compte de la chaîne de côte
Un des points délicats de la réalisation d’actionneurs polyentrefers est le respect des positions absolues des pièces. En effet, la réalisation du prototype était basée sur l’empilement des différentes pièces mécaniques. Or, cet empilement entraîne une chaîne de côte extrêmement longue, d’où une incertitude de positionnement absolue importante. Il est nécessaire, tout particulièrement dans les actionneurs de grandes dimensions, de disposer d’une structure mécanique de référence sur laquelle on peut assembler des empilages partiels pour ne pas cumuler excessivement les erreurs de dimensions.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I Actionneurs électromagnétiques : Classification topologique et performances comparées
1 Introduction
2 Définition des critères de classification
2.1 Définition d’un actionneur électromagnétique
2.2 Les sources d’excitation
2.2.1 Excitation produite ou induite
2.2.2 Excitation de type aimantation ou courant
2.2.3 Nature dissipative de l’excitation
2.2.4 Synthèse des critères sur la source d’excitation
2.3 Les bobinages de puissance
2.3.1 Polarité magnétique du bobinage
2.3.2 Constitution des bobinages
2.3.3 Cycle de conversion lié au bobinage monophasé
2.3.4 Synthèse des critères sur le bobinage de puissance
2.4 Autres critères sur les sources de puissance et d’excitation
2.4.1 Localisation de la source
2.4.2 Polarité du champ magnétique d’entrefer
2.4.3 Trajet du flux d’entrefer
2.4.4 Source fixe ou mobile
2.4.5 Synthèse des autres critères communs aux sources d’excitation et de puissance
2.5 Alimentation électrique
2.5.1 Fréquence d’alimentation
2.5.2 Type d’alimentation à vitesse variable
2.5.3 Systèmes de commutation
2.5.4 Synthèse des critères sur l’alimentation électrique
2.6 Critères sur l’architecture mécanique
2.6.1 Disposition de la partie mobile par rapport à la partie fixe
2.6.2 Type de mouvement
2.6.3 Forme de la surface d’entrefer
2.6.4 Synthèse des critères sur l’architecture
3 Définition des critères composés de classification
3.1 Les différentes catégories d’excitation
3.1.1 Excitations synchrones
3.1.2 Excitation asynchrone
3.1.3 Excitation asynchrone généralisée
3.1.4 Résumé
3.1.5 Les poly-excitations
3.2 Les couplages
3.2.1 Définition des couplages polaires
3.2.2 Définition des couplages dentaires
3.2.3 Résumé
4 Performances comparées des actionneurs
4.1 Introduction
4.2 Le couple électromagnétique
4.2.1 La densité linéique de courant
4.2.2 Excursion du flux d’excitation
4.2.3 Lois de similitudes pour le couple
4.3 Autres critères de comparaisons
4.3.1 L’inductance du bobinage de puissance
4.3.2 Les pertes de l’actionneur
4.3.3 La vitesse périphérique maximale
4.3.4 L’ondulation de l’effort
4.3.5 Le coût de l’actionneur
4.3.6 Autres performances à prendre en compte
4.4 Résumé de la comparaison des différents critères de classification
5 Classification des actionneurs électromagnétiques
5.1 Classement des actionneurs unipolaires
5.2 Classement des actionneurs multipolaires suivant la localisation de l’excitation
5.2.1 Exemples classés suivant que les sources de puissance et les systèmes d’excitation soient fixes ou mobiles
5.2.2 Exemples classés suivant la localisation
de la source d’excitation par rapport à l’entrefer
5.3 Classements des actionneurs multipolaires suivant le nombre de phases du bobinage de puissance
5.3.1 Les actionneurs monophasés
5.3.2 Les actionneurs polyphasés
5.4 Classement des actionneurs multipolaires suivant l’alimentation électrique
5.5 Classement par l’architecture mécanique
6 Conclusion
Chapitre II Intérêts des actionneurs polyentrefers
1 Introduction
2 Les différentes familles d’actionneurs polyentrefers
2.1 Les actionneurs polyentrefers multi-moteurs
2.2 Les actionneurs polyentrefers à bobinages globaux
2.2.1 Les actionneurs à réluctances variables
2.2.2 Les actionneurs à aimants permanents
3 Méthodologie de comparaison
3.1 Présentation des architectures de bases de la comparaison
3.1.1 L’architecture mono-entrefer de base
3.1.2 L’architecture multi-moteurs
3.1.3 L’architecture polyentrefer à bobinage réparti
3.1.4 L’architecture polyentrefer à bobinage global
3.2 Optimisation des architectures pour la maximisation de la force
3.2.1 Le calcul de la force électromagnétique
3.2.2 La méthode des éléments finis pour les architectures classiques
3.2.3 Le modèle éléments finis de l’architecture polyentrefer à bobinage global
3.2.4 Le modèle des caractéristiques des matériaux magnétiques
3.2.5 Le modèle thermique
3.2.6 Les paramètres représentant les dimensions globales
3.2.7 Les paramètres dimensionnels du motif pour les architectures classiques
3.2.8 Les paramètres géométriques du motif et de l’actionneur complet pour l’architecture à bobinage global
3.2.9 L’algorithme d’optimisation
3.3 Résultats d’optimisation
3.3.1 Les conditions d’optimisation
3.3.2 Optimisation des architectures classiques
3.3.3 Optimisation de l’architecture polyentrefer à bobinage global
3.3.4 Comparaison des architectures
3.4 Loi de similitude pour l’architecture polyentrefer à bobinage global
3.4.1 Rappel de la loi de similitude dans les actionneurs conventionnels
3.4.2 Règles de dimensionnement
3.4.3 Effets d’échelles dans les actionneurs polyentrefers à bobinages globaux
3.4.4 Comparaison entre la loi de similitude et les performances des actionneurs optimisés
4 L’effet d’échelle pour les applications
à grande bande passante mécanique
4.1 Les différents types d’entraînement linéaire électrique
4.2 Détermination de l’accélération maximale
4.3 Comparaison des différents entraînements linéaires
5 Conclusion
Chapitre III Eléments de conception intégrée des actionneurs linéaires polyentrefers à bobinages globaux
1 Introduction
2 Influence des tolérances mécaniques sur les ondulations d’efforts dans les actionneurs à grand nombre de pôles
2.1 L’origine harmonique des ondulations d’efforts pour les actionneurs monophasés à couplage dentaire
2.1.1 L’effort hybride
2.1.2 L’effort réluctant
2.1.3 L’effort de détente
2.2 Ondulation d’effort dans les actionneurs polyphasés
2.3 Méthode d’élimination des composantes harmoniques dans les actionneurs à grand nombre de pôles
2.4 Répartition des pôles suivant une loi uniforme
2.5 Répartition des pôles suivant une loi normale
2.6 Répartition des pôles suivant une loi combinée
2.7 Comparaison des différentes lois
3 Efforts normaux et guidage mécanique
3.1 Présentation de l’actionneur équivalent
3.2 Calcul de la composante tangentielle de l’effort
3.3 Calcul de la composante normale de l’effort
3.4 Calcul de la composante normale de l’effort dans la structure symétrique complète
3.5 Structure à aimants à flux transverse
3.6 Structure à guidage mécanique glissant
4 Nouvelle famille d’actionneurs polyentrefers : les actionneurs multi-tiges
4.1 Les objectifs des actionneurs multi-tiges
4.2 La structure multi-tiges
4.3 La transmission de l’effort
5 Capteur de position d’autopilotage intégré
5.1 Principe de fonctionnement
5.1.1 Introduction
5.1.2 Principe du capteur
5.1.3 Les prototypes de capteurs linéaires de position
5.1.4 La modélisation basse fréquence des transformateurs
5.1.5 Modélisation haute fréquence du transformateur
5.1.6 Autre structure de capteur possible
5.2 Démodulation analogique du capteur de position
5.2.1 Principe de démodulation
5.2.2 Mesure différentielle
5.2.3 Choix de la fréquence de modulation
5.2.4 Résultats expérimentaux
5.3 Démodulation numérique du capteur de position
5.3.1 Principe de la démodulation numérique
5.3.2 Réalisation pratique de la démodulation numérique
6 Conclusion
Chapitre IV L’actionneur multi-tiges
1 Introduction
2 Réalisation du prototype multi-tiges
2.1 Le motif élémentaire
2.2 Dimensions de l’actionneur
2.3 Le corps de l’actionneur
2.4 La culasse de l’actionneur
2.5 La partie active
2.6 Les tiges
2.7 Le bobinage de puissance
2.8 La transmission de l’effort entre les tiges et la charge
3 Performances théoriques du prototype multi-tiges
3.1 Introduction
3.2 Méthodologie d’un calcul par éléments finis d’un motif élémentaire
3.3 Calcul de l’effort
4 Le banc d’essai et les performances statiques
4.1 Principe de l’essai en décrochage statique
4.2 Résultat de l’essai statique
5 Optimisation et perspectives
5.1 Optimisation sous contraintes des actionneurs multi-tiges
5.1.1 Le motif à optimiser
5.1.2 Les nouvelles contraintes mécaniques
5.1.3 Résultats des optimisations
5.1.4 Prédétermination des performances d’un actionneur multi-tiges
5.2 Perspectives et améliorations
5.2.1 Prise en compte des pertes mécaniques
5.2.2 Les pertes par courants de Foucault
5.2.3 Dimensionnement de l’alimentation électronique
5.2.4 Système de refroidissement
1.1.5 Réalisation mécanique et prise en compte de la chaîne de côte
5.2.6 Exemple d’applications
6 Conclusion
Conclusion générale
Annexes
Annexe 1 Exemples d’actionneurs électromagnétiques
Annexe 2 Evolution des performances des actionneurs polyentrefers à réluctance variable
Annexe 3 Exemple d’optimisation de répartition
Tableau des symboles utilisés
Bibliographie
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