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Machines électriques

Princi pes et Applications

Denis Guérin

Lycée Eiffel Dijon

Introduction

Approche système Je sais à quoi ça sert

Approche Composants

Point de vue externe

Curiosité : « qui éveille l’intérêt »

Je sais comment ça marche

Point de vue interne

Actionneursde action, agir

moteursde « movere » mouvoir

machines électriques Introduction

Grande confusion…

actionneur rotatif, moteur linéaire…

Notion de machine (couvre le fonctionnement moteur et générateur)



Phénomènes électrostatiques

Phénomènes électromagnétiques

Phénomènes piézoélectriques

Introduction

Principes généraux

machines électriques

Introduction

Comparatif

Champs electriques et electromagnétiques


400 kJ/m³ à 1 Tesla dans l’air

40 MJ/m³ à 10 Tesla (supraconducteur)

40 J/m³ qq mm dans l’air pour 3kV/mm

10 kJ/m³ 8 µm pour 50 kV/mm

énergie ½ µ Bm²énergie ½ ε Ε²

Champ électromagnétiqueChamp électrostatique

Carburant SP98 : 30 960 000 kJ/m3


Introduction



Introduction

Interactions electrostatiques

L’interaction de champs électrostatiques est utilisée dans de nouvelles générations de machines MEMs (mechanical and electronicalmicrosystems).

Les MEMs conjuguent la micro-électronique des semi-conducteurs et la technologie du micro-usinage, permettant ainsi la réalisation de systèmes entiers sur une puce.

capteurs MEMS pour airbagcartouches d'imprimantes à jet d'encreapplications médicales, aérospatiales et de défense


micromoteur annulaire

rotor diamètre de 120 µm

épaisseur de 7µm

vitesse de rotation 10 000 tr/mn

Mems

Mems

microchirurgie pour la réalisation de microforeuses destinées à aller déboucher une artère obstruée par une plaque d'athérome.

également des applications en neurochirurgie, mais aussi dans bien d'autres domaines.


micromoteur annulaire

rotor diamètre de 500 µm

épaisseur de 7µm

vitesse de rotation 750 tr/mn

Puissance 10 µW

Mems

Memsmachines électriques

Développé par l'équipe LMA de l'université de Besançon

Un tel micromoteur de 500 µm peut aisément piloter une montre à aiguilles traditionnelles.

applications médicalessaisie, maintien, positionnement, orientation et lâcher, d'objets 3D de dimensions micrométriques, de quelques microns à plusieurs centaines de microns (différentes formes de pinces).

micromanipulateur

distance initiale entre doigts 250 µm

épaisseur de la pince 200 µm

Mems

Mems


micromoteur tubulaire

rotor diamètre de 1.1 mm

1340 actionneurs en surface

Couple 100000 µN

Mems


Imaginons un avion qui vole à 8 million Km/h, à seulement 0,4 mm du sol, sur une autoroute à 72000 voies de 2.54 cm de large, et qui change de ligne toutes les qq secondes. C’est le challenge d’une tête de lecture écriture sur un HDD.

Applications aux têtes de lecture HDD


Pour augmenter la capacité de stockage, on a cherché à améliorer la précision du positionnement de la tête. Une première étape consiste à utiliser des accéléromètres memset corriger la position par action sur le VCM (Voice Coil Motor)

Applications aux têtes de lecture HDD


Dans une deuxième étape, Seagate a installé des actionneurs Memsdirectement sur la tête. La densité de stockage passe de 0,3 à 15 Gb / cm2

Mems électromagnétiques


Faudahber MEMs

Poids : 91 mg

Dim : 5,5 x 1,9 mm



Introduction



Principe fondamental

Electromagnétismemachines électriques

Exemple : Electro-aimant

“Tout système tend vers un niveau d’énergie potentielle minimum”

Par la méthode des travaux virtuels, on démontre que

F = B².S/2.µo


Logiciel Contact gratuit

Electroaimant


Application aux machines


Dans une machine,

le mouvement est créé par une déformation des lignes de champs

Illustration des forces de laplace

Application aux machines


Pour déformer les lignes de champs

Interaction de 2 champs

« aimant-bobines »

ou « bobines-bobines »

Déformation de la géométrie

« machines à réluctance variable »

Interaction de deux champs fixes


champs magnétiques d’entrefer non tournants

nécessitent un collecteur mécanique

Machines à courant continu


petits moteurs et servomoteurs (jusqu’à ~100 W)appareils ménagers et outils portables (jusqu’à ~500 W)entraînements à vitesse variable (~200 kW à ~4 MW)machines-outilstraction électrique

Interaction de deux champs tournants


Machine triphasée

Théorème de Ferraris à l’ordre n

Nécessité de créer une machine biphasée ( ou spire de frager, condensateur…)

Machine monophasée

Champ pulsant

Interaction de deux champs tournants


Machine monophasée à bagues de déphasage

Machines asynchrones


Machines synchrones


Pour la même machine, plusieurs noms :

- moteurs synchrones à aimants alternés : connotation topologique ;

- Moteurs DC Brushless : courant continu sans balais, substitution des moteurs à courant continu, en général dans les asservissements;

- moteurs à commutation électronique : considérations d’alimentation.

Machines synchrones


Alternateurs

Machines synchrones


Moteurs DC Brushless

Machines synchrones


Moteurs pas à pas

commande

Pas entiers

commande

Demi-pas

Machines synchrones à reluctance variable


Reluctance variable


ApplicationsPerceuses, possibilités de grande vitesse (Hilti),

lave-linge (Emerson),

Machines spéciales


Nouveaux développements


Sine Wave Commutated Servomotorwith Integrated Motion Controller

Contrôle de vitesse


Contrôle de position


Moteur pas à pas


Boîte de vitesse




Phénomènes piézoélectriques

Introduction



La piézoélectricité est la propriété que présentent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique (effet direct) et de se déformer lorsqu’ils sont soumis à un champ électrique (effet inverse).

Découverte 1880 (Frères Curie)

machines électriques Piézoélectricité

Cristaux naturels La piézoélectrité se manifeste par l’anisotropie des cristaux non conducteurs, dont la maille élémentaire ne possède pas de centre de symétrie (sur 21 classes cristallines non centrosymétriques, 20 jouissent de l’effet piézoélectrique).

matériaux

Céramiques PZT Pb(Zr-Ti)O3Dans ces composés frittés (oxydes ou sels de plomb, de zirconium et de titane), l’application d’un champ électrique intense permet d’introduire l’anisotropie nécessaire à l’existence de la piézoélectricité. Facteur 100 effet piézo. (Pérovskite 1950)


• Facteur 100 pour la quantité de charge

• Déformation reste petite : 300 ppm soit 0,3 µm pour une plaquette de 1mm

amplification mécanique par la cinématique (effet de type bilame…),

effets de résonance mécanique (effet langevin),

céramiques multicouches (distribution d’électrodes micrométriques le long d’un barreau en mode longitudinal)

• Limite en tension (en général 100 Volts)

• Fréquences élevées (20 à 500 kHz) pertes diélectriques et mécaniques

Exemple barreau 80mm, S 25mm2

150 Volts Déplac. 70 µm Force 800 N

Intérêts des céramiques PZT


Modes de couplage électromécaniques


classification de véhicules sur péages

Classe de précision: II (±20%)Dimensions : 30x30mmLongueur sur demandeVitesse minimum des véhicules : 10km/hRésine de pose : P5GMTBF : >7 millions d'essieux

Accéléromètres d’airbag, Détection ultrasonore…

Capteurs piézoélectriques


utilisent les vibrations pour déplacer la partie mobile


Moteurs piézoélectriques


Moteurs à ondes stationnaires

Effet inertiel

Mouvement vibratoire elliptique


Mouvement vibratoire elliptique

La vitesse communiquée est maximale lorsque les déplacements orthogonaux élémentaires sont en quadrature de phase. Le signe de ϕ détermine le sens de la vitesse d’entraînement.

Transmission par friction des efforts d’entraînement générés par le transducteur sous l’action d’une force d’appui assurant le maintien en contact des parties vibrante et mobile du moteur



Répartition des électrodes

Vitesse d’entraînement max 0,5m /s soit 160 tr/mn

USR 60

Shinsei Co Ltd


Exemple de moteur piézoélectrique


Exemple de moteur piézoélectrique

Modèle électrique


Commande


accord sur la fréquence d’alimentation du circuit résonnant formé par la mise en parallèle de l’inductance magnétisante du transformateur (vue du secondaire) et de la capacité parallèle équivalente du moteur

Tensionpar variation de la tension appliquée, on contrôle l’amplitude de la

vibration

Fréquencesa marge de variation est généralement très étroite (quelques

centaines de hertz car fonctionnement au voisinage d’une résonance mécanique).

Le contrôle de l’écart entre la fréquence d’alimentation et la fréquence de résonance permet de jouer sur l’amplitude de la vibration et constitue, de ce fait, un second mode de réglage de la vitesse.

Stratégies de commande


LS2 MOTORS SPECIFICATION

PERFORMANCEMaximum Allowable Velocity: 50 (mm/sec)Dynamic Stall Force: 2 (N)Static Holding Force 1.8 (N) (reference value)Kf 0.4 (N/Volt command) Resolution Better than 20 nm NominalLifetime 20,000 hours

Nanomotion ltd


Résolution de 20 nm ?

Positionnement au mm sur 50 km

LS2 MOTORS SPECIFICATION

ELECTRICALMaximal Voltage: 100 Vrms,

39.6KHz, sine wave

Maximal Currentconsumption: 60 mA rms

Maximal PowerConsumption: 0.8 W


Low-Profile Translation Stages

Travel Ranges to 150 mm (6")Velocity up to 50 mm/sec.Load Capacity 100 kgResolution 15 nm>20,000 Hours MTBF


Cedrat Technologies amplifies piezo-strainfor space systems


• injecteurs à commande piézoélectrique en automobile

• Têtes jet d’encre (epson),

• actionneurs linéaires, submicronique, submilliseconde,

• actionneurs linéaires forte charge jusqu'à 30KN, submilliseconde,

• microscopes à nanofocale, submicronique,

• systèmes de positionnement subnanométrique,

• scanners subnanométriques pour microscopie.


http://www.directindustry.fr/ miroirs piézoélectriques orientables, résolution au nanoradian

tables rotatives motorisées à précision submicroradian


platines de positionnement autofocus pour microscopes


Travel Range to 15 mm0.1 µm Resolution with Closed-Loop DC Motor5nm Resolution with Closed-Loop PZT Drive

Ultra-High-Precision, Side-DriveStages


Domaine des moteurs de dimensions centimétriques, voire millimétriques, à forces ou couples élevés et vitesses lentes.

efforts massiques élevés, pouvant être jusqu’à dix foissupérieurs à ceux mis en jeu dans des machines performantes à aimant permanent dans la même gamme de taille. Verrouillage mécanique naturel de la partie mobile lorsque le stator n’est pas alimenté.. discrétion acoustique liée à la fréquence généralement ultrasonore des vibrations exploitées (moteur à ultrasons ), temps de réponse très brefs (quelques millisecondes),grande souplesse d’intégration dans le processusmotorisé, liée à la variété des structures exploitables.


coût des céramiques piézoélectriques,

collage au sein de la structure vibrante,

difficultés inhérentes à la transmission par friction desefforts d’entraînement,

contraintes introduites par l’alimentation à haute fréquence et haute tension d’une charge de nature plutôt capacitive.


Classification

machines

Cours Bernard Multon ENS Cachan, antenne de Bretagne

SATIE recherche systèmes et applications des technologies de l’information et de l’énergie (CNRS)

Documents Techniques de l’ingénieur

Périodiques revue 3EI, REE (revue de la SEE)

Conseils Gilbert Allegri, Jean-Claude Rolin

Sourcesmachines électriques

Date post:	06-Jul-2016
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