Mach ines électriques

1. Machines électriques Principes et Applications Denis Guérin Lycée Eiffel Dijon

2. Introduction machines électriques Actionneurs de action, agirmoteursde « movere » mouvoir Grande confusion… actionneur rotatif, moteur linéaire… Notion de machine (couvre le fonctionnement moteur et générateur)

3. Introduction machines électriques

4. Introduction machines électriques

5. Introduction machines électriques Principes généraux Phénomènes électrostatiques Phénomènes électromagnétiques Phénomènes piézoélectriques

6. Introduction machines électriques Comparatif Champs electriques et electromagnétiques

7. Introduction machines électriques Principes généraux Phénomènes électrostatiques

8. Introduction machines électriques Interactions electrostatiques L’interaction de champs électrostatiques est utilisée dans de nouvelles générations de machines MEMs (mechanical and electronical microsystems). 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 airbag cartouches d'imprimantes à jet d'encre applications médicales, aérospatiales et de défense

9. Mems machines électriques Mems micromoteur annulaire rotor diamètre de 120 µm épaisseur de 7µm vitesse de rotation 10000 tr/mn 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.

10. Mems machines électriques Mems micromoteur annulaire rotor diamètre de 500 µm épaisseur de 7µm vitesse de rotation 750 tr/mn Puissance 10 µW Développé par l'équipe LMA de l'université de Besançon Un tel micromoteur de 500 µm peut aisément piloter une montre à aiguilles traditionnelles.

11. Mems machines électriques Mems micromanipulateur distance initiale entre doigts 250 µm épaisseur de la pince 200 µm applications médicales saisie, maintien, positionnement, orientation et lâcher, d'objets 3D de dimensions micrométriques, de quelques microns à plusieurs centaines de microns (différentes formes de pinces).

12. Mems machines électriques Mems micromoteur tubulaire rotor diamètre de 1.1 mm 1340 actionneurs en surface Couple 100000 µN

13. Mems machines électriques Applications aux têtes de lecture HDD 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. 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 mems et corriger la position par action sur le VCM (Voice Coil Motor)

14. Mems machines électriques Applications aux têtes de lecture HDD Dans une deuxième étape, Seagate a installé des actionneurs Mems directement sur la tête. La densité de stockage passe de 0,3 à 15 Gb / cm2

15. Mems machines électriques Mems électromagnétiques Faudahber MEMs Poids : 91 mg Dim : 5,5 x 1,9 mm

16. Introduction machines électriques Principes généraux Phénomènes électrostatiques Phénomènes électromagnétiques

17. Electromagnétisme machines électriques Principe fondamental “Tout système tend vers un niveau d’énergie potentielle minimum” Exemple : Electro-aimant Par la méthode des travaux virtuels, on démontre que F = B².S/2.μo

18. Electromagnétisme machines électriques Logiciel Contact gratuit

19. Electromagnétisme machines électriques Electroaimant

20. Electromagnétisme machines électriques Application aux machines Dans une machine, le mouvement est créé par une déformation des lignes de champs Illustration des forces de laplace

21. Electromagnétisme machines électriques 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 »

22. Electromagnétisme machines électriques Interaction de deux champs fixes champs magnétiques d’entrefer non tournants nécessitent un collecteur mécanique

23. Electromagnétisme machines électriques Machines à courant continu petits moteurs et servomoteurs (jusqu’à ~100 W) appareils ménager et outils portables (jusqu’à ~500 W) entraînements à vitesse variable (~200 kW à ~4 MW) machines-outils traction électrique

24. Electromagnétisme machines électriques Interaction de deux champs tournants Machine monophasée Champ pulsant Nécessité de créer une machine biphasée (spire de frager, condensateur…) Machine triphasée Théorème de Ferraris à l’ordre n

25. Electromagnétisme machines électriques Interaction de deux champs tournants Machine monophasée à bagues de déphasage

26. Electromagnétisme machines électriques Machines asynchrones

27. Electromagnétisme machines électriques 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.

28. Electromagnétisme machines électriques Machines synchrones Alternateurs

29. Electromagnétisme machines électriques Machines synchrones Moteurs DC Brushless

30. Electromagnétisme machines électriques Machines synchrones Moteurs pas à pas commande Pas entiers commande Demi-pas

31. Electromagnétisme machines électriques Machines synchrones à reluctance variable

32. Electromagnétisme machines électriques Reluctance variable Applications Perceuses, possibilités de grande vitesse (Hilti), lave-linge (Emerson),

33. Electromagnétisme machines électriques Nouveaux développements Sine Wave Commutated Servomotor with Integrated Motion Controller

34. Electromagnétisme machines électriques Contrôle de vitesse

35. Electromagnétisme machines électriques Contrôle de position

36. Electromagnétisme machines électriques Moteur pas à pas

37. Electromagnétisme machines électriques Boîte de vitesse

38. Introduction machines électriques Principes généraux Phénomènes électrostatiques Phénomènes électromagnétiques Phénomènes piézoélectriques

39. Piézoélectricité 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)

40. Piézoélectricité machines électriques matériaux Cristaux naturels La piézoélectricité 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). Céramiques PZT Pb(Zr-Ti)O3 Dans 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)

41. Piézoélectricité machines électriques Intérêts des céramiques PZT • 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

42. Piézoélectricité machines électriques Modes de couplage électromécaniques

43. Piézoélectricité machines électriques Capteurs piézoélectriques 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…

44. Piézoélectricité machines électriques Moteurs piézoélectriques utilisent les vibrations pour déplacer la partie mobile

45. Piézoélectricité machines électriques Moteurs à ondes stationnaires Effet inertiel Mouvement vibratoire elliptique

46. Piézoélectricité machines électriques 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.

47. Piézoélectricité machines électriques 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

48. Piézoélectricité machines électriques Répartition des électrodes Vitesse d’entraînement max 0,5m /s soit 160 tr/mn

49. Piézoélectricité machines électriques Exemple de moteur piézoélectrique USR 60 Shinsei Co Ltd

50. Piézoélectricité machines électriques Exemple de moteur piézoélectrique