Le travail exposé dans ce mémoire a porté sur les structures d’actionneurs à base de matériaux électroactifs permettant l’obtention au sein de cette même structure de deux degrés de liberté en rotation et translation. Le choix de la technologie à base de matériaux électroactifs de types piézoélectriques et de la structure de conversion électromécanique associée ont été orientés par un cahier des charges indicatif de la société Matra BAE Dynamics. Ce travail a conduit à l’élaboration d’une nouvelle structure d’actionneur mettant en œuvre deux concepts de conversion électromécanique de l’énergie, quasistatique et résonant, correspondant à chacun des deux mouvements visés, respectivement la translation et la rotation. En outre, une étude plus précise de la structure de conversion au sein de laquelle sont élaborés les deux degrés de liberté, la structure à rotation de mode, a fait l’objet d’un développement plus particulier en modélisant la conversion électromécanique analytiquement et numériquement. L’alimentation et la commande de chacune des fonctions motrices ont été développées, comparées en terme de performances et d’extrapolation vers des tailles supérieures. Enfin, l’actionneur et son alimentation ont été réalisés et caractérisés permettant ainsi d’assurer la validité d’un tel concept.
Le premier chapitre débute par une introduction des fondamentaux tel que des notions de base de résistance des matériaux. Les propriétés des matériaux piézoélectriques et leurs possibilités d’utilisation dans différentes structures d’actionneurs ont ensuite été présentées. La représentation par schémas équivalents, qui est utilisée par la suite, est également introduite sur des exemples élémentaires et permet de définir certaines grandeurs (comme le coefficient de couplage) permettant de comparer les différentes structures d’actionneurs piézoélectriques. Cette comparaison met en évidence le potentiel intéressant du moteur à rotation de mode en terme de conversion électromécanique de l’énergie. Ce moteur présente en outre, de par sa forme cylindrique, une forte adéquation avec l’application finale visée.
Le second chapitre concerne la modélisation et la réalisation de moteurs à rotation de mode. L’objectif est d’améliorer la compréhension globale de ces moteurs afin d’aider à leur conception. Leurs structures relativement simples permettent d’aborder leur modélisation selon deux méthodes.
Conclusion générale
contact stator/rotor est alors déduite et l’inclinaison de la bande de contact peut être justifiée et calculée analytiquement. La transmission d’efforts au niveau du contact stator/rotor est prise en compte dans les schémas équivalents sous forme de tensions équivalentes. La répartition de pression correspondante est obtenue à l’aide de la théorie de Hertz en assimilant le contact à celui d’un cylindre/plan. L’ensemble permet d’obtenir les caractéristiques électromécaniques du moteur tels que le couple, la vitesse ou la tension d’alimentation.
La description analytique de la déformée obtenue par cette première étude permet également d’aborder la description de la conversion d’énergie électromécanique par une méthode variationnelle. Cette déformée permet d’établir simplement le Lagrangien du transducteur. Il est ensuite possible d’obtenir les équations mécaniques et électriques régissant de manière synthétique le comportement du moteur autour du mode de résonance. Le contact est pris en compte sous la forme de forces modales extérieures qui s’expriment sous une forme similaire aux tensions mises en évidence auparavant. Cette méthode présente également l’avantage de pouvoir obtenir les paramètres du moteur à partir de calculs numériques par éléments finis. Une méthodologie d’obtention de ces résultats avec le logiciel ANSYS est décrite.
Le troisième chapitre traite de l’alimentation du moteur à rotation de mode. Il met en évidence l’intérêt d’utiliser un filtre LC comme circuit d’accord dans un onduleur à résonance. Cette solution déjà utilisée par ailleurs [PIE] permet de minimiser en amplitude et en phase les variations de la tension d’alimentation qui peuvent apparaître lors d’une variation des paramètres du schéma équivalent du moteur. Ce phénomène est d’autant plus sensible ici que le moteur à rotation de mode ne comporte qu’un seul point de contact. Cette alimentation peut être complétée par un circuit de commande réalisé à l’aide d’une boucle à verrouillage de phase. Cet asservissement de l’écart de phase entre la tension d’alimentation du moteur et l’amplitude vibratoire permet de linéariser le comportement dynamique du moteur. Le modèle du moteur établi précédemment en régime permanent et étendu aux régimes transitoires permet en effet de vérifier que l’amplitude de la hauteur d’onde répond comme un premier ordre aux variations de consigne sur l’écart de phase. La hauteur d’onde peut alors être asservie. Dans le but de simplifier l’alimentation et de diminuer le nombre de composants actifs nécessaires, une variante monophasée du moteur à rotation de mode est ensuite présentée dans ce même chapitre. Le principe de ce moteur est basé sur l’exploitation d’une dissymétrie de la géométrie du stator de manière à obtenir deux fréquences de résonance en flexion libre-libre légèrement différentes. Le déphasage entre les deux ondes vibratoires s’obtient naturellement pour une fréquence d’utilisation intermédiaire à ces deux fréquences.
Sur la base des connaissances relatives à la modélisation de l’actionneur à onde progressive de type rotation de mode élaborée au deuxième chapitre, une structure d’actionneur à deux degrés de liberté a été élaborée, reprenant pour la partie rotative l’actionneur résonant auquel est greffée une structure d’actionneur de type Inchworm
Conclusion générale
quasistatique. Ce dernier permet de réaliser le mouvement supplémentaire en translation nécessaire à l’obtention d’un actionneur à deux degrés de liberté en translation et rotation. Le développement de cet actionneur fait l’objet du quatrième chapitre. Le principe de fonctionnement de cet actionneur linéaire est original et se distingue des moteurs Inchworm traditionnels par le fait qu’il réalise le débrayage et l’avance d’une pince dans un même mouvement. Cette particularité permet de diminuer le nombre de céramiques à commander et se contente de deux ensembles électroactifs. Le sens de déplacement est donné par le déphasage entre les tensions d’alimentation. Une maquette du moteur a été réalisée et a permis de vérifier ce principe de fonctionnement. L’effort généré reste cependant de faible valeur (inférieur à 1 N). Les coques utilisées pour réaliser les pinces d’embrayage/débrayage apparaissent en effet trop souples pour supporter les efforts normaux nécessaires à l’obtention d’efforts plus importants. Elles avaient été initialement dimensionnées pour un contact réparti mais, en pratique, le contact s’avère être localisé.
Enfin, le cinquième chapitre a présenté un onduleur apte à fournir les tensions nécessaires à l’alimentation du moteur à deux degrés de liberté. Les formes d’ondes et les fréquences d’utilisation conduisent à chercher à obtenir un onduleur MLI à large bande passante. Il apparaît alors nécessaire de placer un filtre LC entre cet onduleur de tension et la charge piézoélectrique de nature capacitive. Le comportement relativement haute tension / faible courant de ce type de charge et la recherche de fréquence de fonctionnement élevée mène à de fortes ondulations de courant. Il est alors intéressant d’utiliser les interrupteurs MOS de l’onduleur en thyristors duaux. Ce mode de fonctionnement permet d’obtenir des commutations douces. La fréquence de découpage peut alors augmenter sans échauffement excessif des composants de puissance. Des maquettes d’onduleur 200V / 2 A ont été réalisées et ont permis d’alimenter des charges capacitives sur une large bande de fréquences. La fréquence de découpage se situait à environ 400 kHz et les tensions restituées pouvaient dépasser la dizaine de kHz.
Afin de mettre en évidence les paramètres influençant la taille de l’alimentation, et dans la perspective d’extrapoler la géométrie de l’actionneur vers des tailles supérieures, une étude dimensionnelle a été menée et a permis de comparer l’encombrement relatif des différentes familles d’alimentation (linéaire, résonante, MLI) par rapport à la taille du moteur. Le paramètre prépondérant est, dans chacun des cas, l’énergie réactive contenue dans la charge piézoélectrique. Malgré l’utilisation de fréquences de découpage élevées, les onduleurs MLI ne permettent que de diminuer légèrement l’encombrement des composants réactifs par rapport aux onduleurs à résonance. Ils trouvent pleinement leur intérêt par rapport à d’autres critères : contrairement aux onduleurs à résonance, les onduleurs MLI se sont pas dédiés à une charge particulière, l’inductance n’étant pas accordée sur la capacité bloquée de l’actionneur, ils s’adaptent aux applications nécessitant des formes d’ondes diverses telles que des
Conclusion générale
Ce travail a permis de démontrer la validité du principe de fonctionnement d’une structure d’actionneur à deux degrés de liberté. Afin d’améliorer l’effort généré par l’actionneur, un nouveau prototype comportant des éléments préhenseurs plus rigides doit être réalisé. L’ensemble comportant des céramiques moins longues pourrait également être excité à la résonance et utiliser la fonction rotation du moteur.
Il serait également intéressant d’étudier de manière plus approfondie chaque degré de liberté dans le cadre d’une augmentation des efforts ou de la puissance générée. De nombreuses applications sont également intéressées par un mouvement de translation ou de rotation seul. Pour le mouvement de translation, le concept original, développé ici pour l’actionneur à deux degrés de liberté, conserverait l’avantage sur un Inchworm classique de se contenter de deux voies d’alimentation. Afin d’augmenter les efforts, il serait intéressant de tester sur ce type de structure la transmission d’efforts par obstacle à l’aide de micro dentures. Ces dernières pourraient être de forme triangulaire d’angle au sommet compatible avec le mouvement d’embrayage/débrayage de la pince.
Pour l’actionneur à rotation de mode, il serait également intéressant de réaliser des prototypes de plus forte puissance. Au vue des conclusions des différents chapitres, la structure devrait tendre vers les choix technologiques suivant : un contact incliné pour diminuer les pertes par mouvement radial et augmenter la hauteur d’onde apparente, deux rotors pour obtenir à même pertes vibratoires un meilleur rendement au niveau du contact, l’utilisation de céramiques massives et relativement épaisses pour diminuer le nombre d’interfaces (augmentation du coefficient de qualité mécanique) et représentant un volume important du transducteur (augmentation du coefficient de couplage et diminution de la taille de l’alimentation), un contrôle de la planéité et du polissage des différentes surfaces, des contre-masses en matériau à faibles pertes (alliage d’aluminium par exemple) avec un traitement de surface pour augmenter la durée de vie (dépôt d’alumine), une alimentation résonante à filtre LC bien choisie pour diminuer la taille de l’inductance d’accord, L’augmentation de la taille et des performances sera certainement limitée par des considérations thermiques. Une étude liant les pertes dans le stator et dans le contact pourrait être réalisée pour visualiser l’effet de la géométrie du moteur sur la puissance ou le couple massique.