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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)
machines électriques Introduction
machines électriques Introduction
Phénomènes électrostatiques
Phénomènes électromagnétiques
Phénomènes piézoélectriques
Introduction
Principes généraux
machines électriques
Introduction
Comparatif
Champs electriques et electromagnétiques
machines électriques
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
Phénomènes électrostatiques
Introduction
Principes généraux
machines électriques
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
machines électriques
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.
machines électriques
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
machines électriques
micromoteur tubulaire
rotor diamètre de 1.1 mm
1340 actionneurs en surface
Couple 100000 µN
Mems
Memsmachines électriques
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
Memsmachines électriques
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
Memsmachines électriques
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
Memsmachines électriques
Faudahber MEMs
Poids : 91 mg
Dim : 5,5 x 1,9 mm
Phénomènes électrostatiques
Phénomènes électromagnétiques
Introduction
Principes généraux
machines électriques
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
Electromagnétismemachines électriques
Logiciel Contact gratuit
Electroaimant
Electromagnétismemachines électriques
Application aux machines
Electromagnétismemachines électriques
Dans une machine,
le mouvement est créé par une déformation des lignes de champs
Illustration des forces de laplace
Application aux machines
Electromagnétismemachines électriques
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
Electromagnétismemachines électriques
champs magnétiques d’entrefer non tournants
nécessitent un collecteur mécanique
Machines à courant continu
Electromagnétismemachines électriques
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
Electromagnétismemachines électriques
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
Electromagnétismemachines électriques
Machine monophasée à bagues de déphasage
Machines asynchrones
Electromagnétismemachines électriques
Machines synchrones
Electromagnétismemachines électriques
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
Electromagnétismemachines électriques
Alternateurs
Machines synchrones
Electromagnétismemachines électriques
Moteurs DC Brushless
Machines synchrones
Electromagnétismemachines électriques
Moteurs pas à pas
commande
Pas entiers
commande
Demi-pas
Machines synchrones à reluctance variable
Electromagnétismemachines électriques
Reluctance variable
Electromagnétismemachines électriques
ApplicationsPerceuses, possibilités de grande vitesse (Hilti),
lave-linge (Emerson),
Machines spéciales
Electromagnétismemachines électriques
Nouveaux développements
Electromagnétismemachines électriques
Sine Wave Commutated Servomotorwith Integrated Motion Controller
Contrôle de vitesse
Electromagnétismemachines électriques
Contrôle de position
Electromagnétismemachines électriques
Moteur pas à pas
Electromagnétismemachines électriques
Boîte de vitesse
Electromagnétismemachines électriques
Phénomènes électrostatiques
Phénomènes électromagnétiques
Phénomènes piézoélectriques
Introduction
Principes généraux
machines électriques
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)
machines électriques Piézoélectricité
• 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
machines électriques Piézoélectricité
Modes de couplage électromécaniques
machines électriques Piézoélectricité
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
machines électriques Piézoélectricité
utilisent les vibrations pour déplacer la partie mobile
machines électriques Piézoélectricité
Moteurs piézoélectriques
machines électriques Piézoélectricité
Moteurs à ondes stationnaires
Effet inertiel
Mouvement vibratoire elliptique
machines électriques Piézoélectricité
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
machines électriques Piézoélectricité
machines électriques Piézoélectricité
Répartition des électrodes
Vitesse d’entraînement max 0,5m /s soit 160 tr/mn
USR 60
Shinsei Co Ltd
machines électriques Piézoélectricité
Exemple de moteur piézoélectrique
machines électriques Piézoélectricité
Exemple de moteur piézoélectrique
Modèle électrique
machines électriques Piézoélectricité
Commande
machines électriques Piézoélectricité
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
machines électriques Piézoélectricité
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
machines électriques Piézoélectricité
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
machines électriques Piézoélectricité
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
machines électriques Piézoélectricité
Cedrat Technologies amplifies piezo-strainfor space systems
machines électriques Piézoélectricité
• 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.
machines électriques Piézoélectricité
http://www.directindustry.fr/ miroirs piézoélectriques orientables, résolution au nanoradian
tables rotatives motorisées à précision submicroradian
machines électriques Piézoélectricité
platines de positionnement autofocus pour microscopes
machines électriques Piézoélectricité
Travel Range to 15 mm0.1 µm Resolution with Closed-Loop DC Motor5nm Resolution with Closed-Loop PZT Drive
Ultra-High-Precision, Side-DriveStages
machines électriques Piézoélectricité
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.
machines électriques Piézoélectricité
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.
machines électriques Piézoélectricité
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