Soutenance mémoire
Dans de nombreux domaines, comme la robotique et, de manière générale, les transports, l’utilisation d’actionneurs électriques se développe. Cela peut s’expliquer, d’une part, par la souplesse d’utilisation que leur confère l’électronique de puissance, d’autre part, la présence de plusieurs types d’actionneurs (hydraulique ou pneumatique et électrique) signifie une complexité et un surcoût de fonctionnement important. Ainsi, le concept d’avion ou de navire «tout électrique » progresse. Toujours dans un esprit de simplification des chaînes de conversion de l’énergie, les actionneurs électriques à entraînement direct présentent beaucoup d’avantages. Il s’agit de supprimer l’étage mécanique souvent placé entre l’actionneur et la charge. La disparition des engrenages permet, entre autres, de diminuer les jeux mécaniques et le bruit, d’augmenter la fiabilité de l’ensemble et d’éliminer une partie des entretiens. Elle permet aussi d’augmenter la dynamique du système et éventuellement de libérer de la place.
Cette technique impose, cependant, des contraintes mécaniques beaucoup plus fortes sur l’actionneur électrique. Dans le cas des système lents, il doit être capable de fournir directement le couple (pour les actionneurs tournants) ou l’effort destiné à la charge (pour les actionneurs linéaires). Ces actionneurs électriques peuvent se classer en deux familles : les actionneurs électro-actifs (piezo electriques ou magnéto-strictifs), et les actionneurs électromagnétiques, de loin les plus fréquents. Les actionneurs électro-actifs, bien qu’encore peu développés, constituent une voie très prometteuse. Une de leurs principales caractéristiques mécaniques est d’offrir un blocage naturel important au repos, alors que les actionneurs électromagnétiques imposent peu de résistance en l’absence d’alimentation. Or, dans les applications de transports, la sécurité est une des priorités. Tous les actionneurs doivent, en cas de panne, soit rester dans la même position, soit n’offrir aucune résistance. Ainsi, ces deux technologies ne peuvent répondre au même cahier des charges. Pour les applications à entraînement direct nécessitant de ne pas se bloquer en cas de panne, les actionneurs électromagnétiques semblent les mieux adaptés.
Actionneurs électromagnétiques : Classification topologique et performances comparées
Bien que de nouvelles solutions émergent (piezoélectriques, magnétostrictives, voire électrostatiques dans les très faibles dimensions), les actionneurs électromagnétiques occupent toujours, et probablement encore pour longtemps, une place prépondérante dans la conversion réversible électromécanique d’énergie. Au-delà des actionneurs dits conventionnels, bénéficiant d’une maturité technologique et d’une diffusion scientifique importantes (Machines à courant continu à collecteur, Synchrones à rotor bobiné, Asynchrones à cage d’écureuil…), une très grande diversité d’actionneurs dits non conventionnels, coexistent et se développent toujours. Ils répondent généralement à des exigences particulières et ne sont pas standardisés. Leur fonctionnement est également souvent méconnu et leur potentiel encore plus mystérieux. Ils se trouvent notamment dans les applications de très grande diffusion (souvent de faible puissance : inférieure au kW) et dans celles exigeant de hautes performances. Leur développement a été accéléré grâce aux formidables développements de l’électronique de puissance (notamment ses possibilités de « haute fréquence ») et de l’électronique programmable. Une classification de ces différents actionneurs paraît, au premier abord, risquée, sinon impossible, d’autant que leurs topologies sont très nombreuses et très variées. Néanmoins, après une analyse approfondie de différents actionneurs existants ou faisant l’objet de travaux de recherche, la mise en avant de critères fondamentaux topologiques, liés notamment au type de bobinages de puissance (d’alimentation), au mode d’alimentation, au mouvement généré, s’est révélée possible.
Définition des critères de classification
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.
Les sources d’excitation
Rappelons que la source d’excitation magnétique est le système qui permet de créer une variation du flux dans le bobinage de puissance en fonction de la position mécanique. Nous pouvons en dégager les différentes caractéristiques [Nogarede_D3410], [Nogarede_D3411] :
Excitation «produite » ou induite
Concernant les sources magnétiques d’excitation, la première distinction se trouve dans l’origine du champ. Nous pouvons ainsi définir deux catégories d’excitations.
• Excitation produite
On parle d’excitation produite (ou de champ produit) lorsqu’elle est créée de façon indépendante du champ magnétique de puissance. On trouve, dans cette catégorie, les sources magnétiques d’excitation produites dans les actionneurs à aimants permanents 143 et les actionneurs à excitation bobinée 6.
• Excitation induite
On parle d’excitation induite lorsque le champ magnétique résulte des effets magnétodynamiques (courants de Foucault ou induits : cas de la machine asynchrone 5) ou par effet d’induction magnétique (cas de la machine à réluctance variable pure 13).
Excitation de type aimantation ou courant
Deux types de phénomènes physiques sont mis en jeu pour créer le champ magnétique d’excitation :
• Aimantation
Le champ magnétique d’excitation est de type aimantation lorsqu’il utilise les propriétés des matériaux ferromagnétiques. Les excitations de type aimantation regroupent les excitations par aimants permanents 14, les excitations par réluctance variable 13 et les excitations par hystéresis.
• Courant
Le champ magnétique d’excitation est de type courant lorsqu’il utilise les courants électriques. Les excitations de type courant regroupent les excitations bobinées classiques 6, les excitations par supraconducteurs, les excitations par courants induits (dans un bobinage en court-circuit 5 ou dans un matériau massif conducteur 4).
Nature dissipative de l’excitation
On peut également ajouter un critère supplémentaire quant à la nature fondamentalement dissipative ou pas de la source d’excitation :
• Excitation non-dissipative
Une source non-dissipative est une source ne pouvant fonctionner qu’en créant des pertes. On trouve de telles excitations dans les machines à aimants permanents 14, les machines à réluctance variable 13 et les machines supraconductrices.
• Excitation dissipative
Une source dissipative se trouve dans les machines à excitation bobinée 5,6 non supraconductrice ainsi que dans les machines à hystérésis.
Les bobinages de puissance
Les bobinages de puissance représentent l’autre source de champ magnétique. Ils échangent de l’énergie électrique avec l’extérieur du système.
Polarité magnétique du bobinage
Rappelons que nous appelons bobinage de puissance, l’ensemble des enroulements (éventuellement un seul) se trouvant à l’interface avec la source d’énergie électrique et transférant l’énergie dans un sens ou dans l’autre selon le mode de fonctionnement (actionneur ou générateur électrique). Le bobinage peut être qualifié d’unipolaire (c’est-à-dire un seul pôle Nord ou Sud dans l’entrefer) ou de multipolaire (c’est-à-dire au moins une paire de pôles).
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Table des matières
Introduction générale
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
Conclusion générale
