Mach ines électriques

Machines eacutelectriques

Principes et Applications

Denis Gueacuterin

Lyceacutee Eiffel Dijon

Actionneurs de action agir

moteursde laquo movere raquo mouvoir

machines eacutelectriques Introduction

Grande confusionhellip

actionneur rotatif moteur lineacuteairehellipNotion de machine (couvre le fonctionnement moteur et geacuteneacuterateur)

Pheacutenomegravenes eacutelectrostatiques

Pheacutenomegravenes eacutelectromagneacutetiques

Pheacutenomegravenes pieacutezoeacutelectriques

Introduction

Principes geacuteneacuteraux

machines eacutelectriques

Introduction

Comparatif

Champs electriques et electromagneacutetiques

Champ eacutelectrostatique Champ eacutelectromagneacutetique

eacutenergie frac12 ε Εsup2 eacutenergie frac12 μ Bmsup2

40 Jmsup3 qq mm dans lrsquoair pour 3kVmm

10 kJmsup3 8 μm pour 50 kVmm

400 kJmsup3 agrave 1 Tesla dans lrsquoair

40 MJmsup3 agrave 10 Tesla (supraconducteur)

Introduction

Interactions electrostatiques

Lrsquointeraction de champs eacutelectrostatiques est utiliseacutee dans de nouvelles geacuteneacuterations de machines MEMs (mechanical and electronical microsystems)

Les MEMs conjuguent la micro-eacutelectronique des semi-conducteurs et la technologie du micro-usinage permettant ainsi la reacutealisation de systegravemes entiers sur une puce

capteurs MEMS pour airbagcartouches dimprimantes agrave jet dencre applications meacutedicales aeacuterospatiales et de deacutefense

micromoteur annulaire

rotor diamegravetre de 120 microm

eacutepaisseur de 7microm

vitesse de rotation 10000 trmn

Mems

microchirurgie pour la reacutealisation de microforeuses destineacutees agrave aller deacuteboucher une artegravere obstrueacutee par une plaque datheacuterome

eacutegalement des applications en neurochirurgie mais aussi dans bien dautres domaines

Puissance 10 microW

Mems

Memsmachines eacutelectriques

Deacuteveloppeacute par leacutequipe LMA de luniversiteacute de Besanccedilon

Un tel micromoteur de 500 microm peut aiseacutement piloter une montre agrave aiguilles traditionnelles

applications meacutedicalessaisie maintien positionnement orientation et lacirccher dobjets 3D de dimensions micromeacutetriques de quelques microns agrave plusieurs centaines de microns (diffeacuterentes formes de pinces)

micromanipulateur

distance initiale entre doigts 250 microm

eacutepaisseur de la pince 200 microm

Mems

micromoteur tubulaire

rotor diamegravetre de 11 mm

1340 actionneurs en surface

Couple 100000 microN

Mems

Imaginons un avion qui vole agrave 8 million Kmh agrave seulement 04 mm du sol sur une autoroute agrave 72000 voies de 254 cm de large et qui change de ligne toutes les qq secondes Crsquoest le challenge drsquoune tecircte de lecture eacutecriture sur un HDD

Applications aux tecirctes de lecture HDD

Pour augmenter la capaciteacute de stockage on a chercheacute agrave ameacuteliorer la preacutecision du positionnement de la tecircte Une premiegravere eacutetape consiste agrave utiliser des acceacuteleacuteromegravetres mems et corriger la position par action sur le VCM (Voice Coil Motor)

Dans une deuxiegraveme eacutetape Seagate a installeacute des actionneurs Mems directement sur la tecircte La densiteacute de stockage passe de 03 agrave 15 Gb cm2

Mems eacutelectromagneacutetiques

Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

Principe fondamental

Electromagneacutetismemachines eacutelectriques

Exemple Electro-aimant

ldquoTout systegraveme tend vers un niveau drsquoeacutenergie potentielle minimumrdquo

Par la meacutethode des travaux virtuels on deacutemontre que

F = Bsup2S2μo

Logiciel Contact gratuit

Electroaimant

Application aux machines

Dans une machine

le mouvement est creacuteeacute par une deacuteformation des lignes de champs

Illustration des forces de laplace

Pour deacuteformer les lignes de champs

Interaction de 2 champs

laquo aimant-bobines raquo

ou laquo bobines-bobines raquo

Deacuteformation de la geacuteomeacutetrie

laquo machines agrave reacuteluctance variable raquo

Interaction de deux champs fixes

champs magneacutetiques drsquoentrefer non tournants

neacutecessitent un collecteur meacutecanique

Machines agrave courant continu

petits moteurs et servomoteurs (jusqursquoagrave ~100 W)appareils meacutenager et outils portables (jusqursquoagrave ~500 W)entraicircnements agrave vitesse variable (~200 kW agrave ~4 MW) machines-outils traction eacutelectrique

Interaction de deux champs tournants

Machine triphaseacutee

Theacuteoregraveme de Ferraris agrave lrsquoordre n

Neacutecessiteacute de creacuteer une machine biphaseacutee (spire de frager condensateurhellip)

Machine monophaseacutee

Champ pulsant

Machine monophaseacutee agrave bagues de deacutephasage

Machines asynchrones

Machines synchrones

Pour la mecircme machine plusieurs noms

- moteurs synchrones agrave aimants alterneacutes connotation topologique

- Moteurs DC Brushless courant continu sans balais substitution des moteurs agrave courant continu en geacuteneacuteral dans les asservissements

- moteurs agrave commutation eacutelectronique consideacuterations drsquoalimentation

Machines synchrones

Alternateurs

Machines synchrones

Moteurs DC Brushless

Machines synchrones

Moteurs pas agrave pas

commande

Pas entiers

commande

Demi-pas

Machines synchrones agrave reluctance variable

Reluctance variable

ApplicationsPerceuses possibiliteacutes de grande vitesse (Hilti)

lave-linge (Emerson)

Nouveaux deacuteveloppements

Sine Wave Commutated Servomotor with Integrated Motion Controller

Controcircle de vitesse

Controcircle de position

Moteur pas agrave pas

Boicircte de vitesse

Introduction

La pieacutezoeacutelectriciteacute est la proprieacuteteacute que preacutesentent certains corps de se polariser eacutelectriquement sous lrsquoaction drsquoune contrainte meacutecanique (effet direct) et de se deacuteformer lorsqursquoils sont soumis agrave un champ eacutelectrique (effet inverse)

Deacutecouverte 1880 (Fregraveres Curie)

machines eacutelectriques Pieacutezoeacutelectriciteacute

dg

MagneacutetostrictifsMeacutemoire de formePiezoelectrique

Cristaux naturels La pieacutezoeacutelectriciteacute se manifeste par lrsquoanisotropie des cristaux non conducteurs dont la maille eacuteleacutementaire ne possegravede pas de centre de symeacutetrie (sur 21 classes cristallines non centrosymeacutetriques 20 jouissent de lrsquoeffet pieacutezoeacutelectrique)

mateacuteriaux

Ceacuteramiques PZT Pb(Zr-Ti)O3Dans ces composeacutes fritteacutes (oxydes ou sels de plomb de zirconium et de titane) lrsquoapplication drsquoun champ eacutelectrique intense permet drsquointroduire lrsquoanisotropie neacutecessaire agrave lrsquoexistence de la pieacutezoeacutelectriciteacute Facteur 100 effet pieacutezo

(Peacuterovskite 1950)

dg

caracteacuteristiques pieacutezoeacutelectriques dont lrsquoordre de grandeur est 100 fois supeacuterieur en terme de quantiteacute de charge apparue rameneacutee agrave lrsquoeffort appliqueacute (constante exprimeacutee en pC middot Nndash1) En outre ces mateacuteriaux preacutesentent lrsquoavantage drsquoavoir une tempeacuterature de Curie relativement eacuteleveacutee (300 agrave 350 oC)

dg

Le caractegravere anisotropique particulier de leur structure cristalline est alors agrave mecircme de privileacutegier un axe de polarisation eacutelectrique de sorte que souslrsquoeffet drsquoune action meacutecanique un dipocircle eacutelectrique apparaicirct dans chaque maille du mateacuteriau par deacuteplacement

bull Facteur 100 pour la quantiteacute de chargebull Deacuteformation reste petite 300 ppm soit 03 microm pour une

plaquette de 1mmamplification meacutecanique par la cineacutematique (effet de type bilamehellip)effets de reacutesonance meacutecanique (effet langevin)ceacuteramiques multicouches (distribution drsquoeacutelectrodes micromeacutetriques le long drsquoun barreau en mode longitudinal)

bull Limite en tension (en geacuteneacuteral 100 Volts)bull Freacutequences eacuteleveacutees (20 agrave 500 kHz) pertes dieacutelectriques et

meacutecaniques

Exemple barreau 80mm S 25mm2

150 Volts Deacuteplac 70 microm Force 800 N

Inteacuterecircts des ceacuteramiques PZT

Modes de couplage eacutelectromeacutecaniques

classification de veacutehicules sur peacuteages

Classe de preacutecision II (plusmn20)Dimensions 30x30mmLongueur sur demandeVitesse minimum des veacutehicules 10kmhReacutesine de pose P5GMTBF gt7 millions dessieux

Acceacuteleacuteromegravetres drsquoairbag Deacutetection ultrasonorehellip

Capteurs pieacutezoeacutelectriques

utilisent les vibrations pour deacuteplacer la partie mobile

Moteurs pieacutezoeacutelectriques

Moteurs agrave ondes stationnaires

Effet inertiel

Mouvement vibratoire elliptique

La vitesse communiqueacutee est maximale lorsque les deacuteplacements orthogonaux eacuteleacutementaires sont en quadrature de phase Le signe de ϕ deacutetermine le sens de la vitesse drsquoentraicircnement

Transmission par friction des efforts drsquoentraicircnement geacuteneacutereacutes par le transducteur sous lrsquoaction drsquoune force drsquoappui assurant le maintien en contact des parties vibrante et mobile du moteur

Reacutepartition des eacutelectrodes

Vitesse drsquoentraicircnement max 05m s soit 160 trmn

USR 60

Shinsei Co Ltd

Exemple de moteur pieacutezoeacutelectrique

Modegravele eacutelectrique

dg

Commande

accord sur la freacutequence drsquoalimentation du circuit reacutesonnant formeacute par la mise en parallegravele de lrsquoinductance magneacutetisante du transformateur (vue du secondaire) et de la capaciteacute parallegravele eacutequivalente du moteur

dg

Bien que la nature drsquoun transducteur pieacutezoeacutelectrique puisse danscertaines conditions se reacuteveacuteler apparemment inductive (possibiliteacutedrsquoune inversion de signe de la susceptance entre la reacutesonance et lrsquoantireacutesonance figure19b) la charge eacutelectrique qursquoil constitue vis-agrave-vis de son alimentation peut ecirctre assimileacutee hors reacutesonance ou au voisinage immeacutediat de la freacutequence de reacutesonance seacuterie agrave un circuitRC parallegravele Lrsquooriginaliteacute et la difficulteacute de lrsquoalimentation des moteurs pieacutezoeacutelectriques reacuteside ainsi dans la mise en jeu drsquoune charge fortement capacitive (quelques nanofards en parallegravele avecquelques kiloohms) alimenteacutee agrave des freacutequences ultrasonores et qui plus est sous des tensions relativement eacuteleveacutees vis-agrave-vis des dimensionscentimeacutetriques voire millimeacutetriques de lrsquoactionneurParmi les diffeacuterentes structures drsquoonduleur susceptibles de satisfaire agrave un tel cahier des charges [13] la structure de typepush-pull parallegravele scheacutematiseacutee sur la figure 20 constitue une solution tregraves souvent exploiteacutee Cette structure preacutesente en effet lrsquointeacuterecirct de combiner les fonctions drsquoonduleur et drsquoadaptateur de tension gracircce agrave la mise en jeu drsquoun transformateur HF La preacutesence de ce transformateur reacutesout par ailleurs les problegravemes eacuteventuels drsquoisolement pouvant par exemple se poser dans le cas de lrsquoalimentation drsquoun moteur agrave partir du reacuteseau redresseacute En outre cet eacuteleacutementinductif peut ecirctre mis agrave profit pour reacutealiser lrsquoadaptation drsquoimpeacutedance requise entre la source de tension primaire et la charge capacitiveque constitue le moteur Deux approches touchant au dimensionneent du transformateur sont alors envisageables selon que sesinductances de fuite (inductance seacuterie) ou son inductance magneacutetisante sont utiliseacutees pour compenser lrsquoeacutenergie reacuteactive produite par le moteur Ces deux approches induisent en outre une commande diffeacuterente des interrupteurs K1 et K2 correspondant agrave une commande jointe dans le premier cas et impulsionnelle dans lesecondfonctionnement du montage dans cettedeuxiegraveme configuration qui revient agrave accorder sur la freacutequence drsquoalimentationle circuit reacutesonnant formeacute par la mise en parallegravele de lrsquoinductance magneacutetisante du transformateur (vue du secondaire) et de la capaciteacute parallegravele eacutequivalente du moteur Lrsquoinjection drsquoeacutenergiereacutealiseacutee agrave travers lrsquoinductance de fuite pendant les phases de conduction des interrupteurs conduit durant leur blocage agrave uneoscillation quasi sinusoiumldale correspondant au reacutegime libre du circuit oscillant

Tensionpar variation de la tension appliqueacutee on controcircle

lrsquoamplitude de la vibration

Freacutequence sa marge de variation est geacuteneacuteralement tregraves eacutetroite

(quelques centaines de hertz car fonctionnement au voisinage drsquoune reacutesonance meacutecanique)

Le controcircle de lrsquoeacutecart entre la freacutequence drsquoalimentation et la freacutequence de reacutesonance permet de jouer sur lrsquoamplitude de la vibration et constitue de ce fait un second mode de reacuteglage de la vitesse

Strateacutegies de commande

dg

Dans le cas des structures diphaseacutees le deacutephasage entre les tensions appliqueacutees correspond enfin agrave une troisiegraveme variable dereacuteglage qui preacutesente lrsquointeacuterecirct drsquoagir non seulement sur lrsquoamplitudemais aussi sur le sens de la vitesse de rotation de la machine

LS2 MOTORS SPECIFICATION

PERFORMANCEMaximum Allowable Velocity 50 (mmsec)Dynamic Stall Force 2 (N)Static Holding Force 18 (N) (reference value)Kf 04 (NVolt command) Resolution Better than 20 nm NominalLifetime 20000 hours

Nanomotion ltd

Reacutesolution de 20 nm

Positionnement au mm sur 50 km

ELECTRICALMaximal Voltage 100

Vrms 396KHz sine wave

Maximal Current consumption 60 mA rms

Maximal Power Consumption 08 W

Low-Profile Translation Stages

Travel Ranges to 150 mm (6)Velocity up to 50 mmsecLoad Capacity 100 kgResolution 15 nmgt20000 Hours MTBF

dg

Cedrat Technologies amplifies piezo-strain for space systems

bull injecteurs agrave commande pieacutezoeacutelectrique en automobile

bull Tecirctes jet drsquoencre (epson)bull actionneurs lineacuteaires submicronique

submilliseconde bull actionneurs lineacuteaires forte charge jusquagrave 30KN

submilliseconde bull microscopes agrave nanofocale submicronique bull systegravemes de positionnement subnanomeacutetrique bull scanners subnanomeacutetriques pour microscopie

httpwwwdirectindustryfr miroirs pieacutezoeacutelectriques orientables

reacutesolution au nanoradian

tables rotatives motoriseacutees agrave preacutecision submicroradian

dg

platines de positionnement autofocus pour microscopes

Travel Range to 15 mm01 microm Resolution with Closed-Loop DC Motor5nm Resolution with Closed-Loop PZT Drive

Ultra-High-Precision Side-DriveStages

Domaine des moteurs de dimensions centimeacutetriques voire millimeacutetriques agrave forces ou couples eacuteleveacutes et vitesses lentes

efforts massiques eacuteleveacutes pouvant ecirctre jusqursquoagrave dix foissupeacuterieurs agrave ceux mis en jeu dans des machines performantes agrave aimant permanent dans la mecircme gamme de taille Verrouillage meacutecanique naturel de la partie mobile lorsque le stator nrsquoest pas alimenteacute discreacutetion acoustique lieacutee agrave la freacutequence geacuteneacuteralement ultrasonore des vibrations exploiteacutees (moteur agrave ultrasons ) temps de reacuteponse tregraves brefs (quelques millisecondes)grande souplesse drsquointeacutegration dans le processusmotoriseacute lieacutee agrave la varieacuteteacute des structures exploitables

dg

Cette fonctionnaliteacute associeacutee aux caracteacuteristiques fort couple ndash basse vitesse confegravere agrave ces structures les avantages drsquoune fonction inteacutegreacutee associant un moteur un reacuteducteur et un frein drsquoimmobilisation

dg

faible ampleur des mouvements 1048707 lt 100 mm 1048707 mais reacutesolution illimiteacutee1048713 faible force motrice 1048707 lt ~50 Nm1048707 tregraves grande force de maintien agrave lrsquoarrecirct sans alimentation1048713 tregraves faible masse en mouvement temps de reacuteponse tregraves rapide (~10 micros)1048713 insensibiliteacute aux champs magneacutetiques1048713 1048713 micro positionnement (nanotechnologies)1048713 applications agrave faible vitesse1048707

coucirct des ceacuteramiques pieacutezoeacutelectriques

collage au sein de la structure vibrante

difficulteacutes inheacuterentes agrave la transmission par friction des

efforts drsquoentraicircnement

contraintes introduites par lrsquoalimentation agrave haute freacutequence et haute tension drsquoune charge de nature plutocirct capacitive

Classification

machines

Cours Bernard Multon ENS Cachan antenne de

Bretagne

SATIE recherche systegravemes et applications des technologies de lrsquoinformation et de lrsquoeacutenergie (CNRS)

Documents Techniques de lrsquoingeacutenieur

Peacuteriodiques revue 3EI REE (revue de la SEE)

Conseils Gilbert Allegri Jean-Claude Rolin

Sourcesmachines eacutelectriques

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Actionneurs de action agir

moteursde laquo movere raquo mouvoir

Grande confusionhellip

actionneur rotatif moteur lineacuteairehellipNotion de machine (couvre le fonctionnement moteur et geacuteneacuterateur)

Introduction

Comparatif

Introduction

Mems

Puissance 10 microW

Mems

micromanipulateur

Mems

Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

Alternateurs

Machines synchrones

commande

Pas entiers

commande

Demi-pas

Reluctance variable

Introduction

dg

mateacuteriaux

dg

meacutecaniques

Effet inertiel

USR 60

Shinsei Co Ltd

dg

Commande

dg

Nanomotion ltd

dg

Classification

machines

Bretagne

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Introduction

Comparatif

Introduction

Mems

Puissance 10 microW

Mems

micromanipulateur

Mems

Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

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F = Bsup2S2μo

Electroaimant

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Champ pulsant

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Comparatif

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Mems

Puissance 10 microW

Mems

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Mems

Faudahber MEMs

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Introduction

Mems

Puissance 10 microW

Mems

micromanipulateur

Mems

Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

Alternateurs

Machines synchrones

commande

Pas entiers

commande

Demi-pas

Reluctance variable

Introduction

dg

mateacuteriaux

dg

meacutecaniques

Effet inertiel

USR 60

Shinsei Co Ltd

dg

Commande

dg

Nanomotion ltd

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Classification

machines

Bretagne

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Mems

Puissance 10 microW

Mems

micromanipulateur

Mems

Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

Alternateurs

Machines synchrones

commande

Pas entiers

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Introduction

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Effet inertiel

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Puissance 10 microW

Mems

micromanipulateur

Mems

Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

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commande

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commande

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Introduction

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micromanipulateur

Mems

Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

Alternateurs

Machines synchrones

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Introduction

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Mems

Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

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Introduction

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Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

Alternateurs

Machines synchrones

commande

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Introduction

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Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

Alternateurs

Machines synchrones

commande

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Introduction

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Faudahber MEMs

Poids 91 mg

Dim 55 x 19 mm

Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

Alternateurs

Machines synchrones

commande

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Introduction

F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

Alternateurs

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F = Bsup2S2μo

Electroaimant

Dans une machine

Champ pulsant

Machines synchrones

Alternateurs

Machines synchrones

commande

Pas entiers

commande

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Introduction

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Alternateurs

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commande

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