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Présenté par :
BOUSSAD Abdelhakim
Ingénieur d’état en électrotechnique de l’université de Batna
Thème :
Soutenu le : 12/06/2012
Devant le jury composé de :
0
REMERCIEMENTS
Je tiens aussi à remercier tous les professeurs qui ont participé à notre formation
au cours de l’année préparatoire de post-graduation.
1
Résumé
Mots-clés
La céramique piézoélectrique, procédé de fabrication, actionneurs piézo-
électriques, modélisation du moteur piézo-électrique, moteurs à onde progressive,
piézo-électrique.
2
Abstract
In this regard, we will discuss a rotary motor piezoelectric traveling wave. These
motors are known by a sound discretion and by their very high power density
compared to electromagnetic counterparts. They also offer a low operating speed
and high torque. These performances will eliminate the gearbox speed in systems
requiring low speed.
The purpose of this subject in the hybrid modeling of the actuator in question
taking into account the dynamic of the stator, the interaction of the stator-rotor
contact, and finally the dynamic of the rotor in order to analyze its load operation.
Keywords
The piezoelectric ceramique, manufacturing process, piezoelectric actuators,
modeling of piezoelectric motor, traveling wave motors, piezoelectric.
3
Table des matières
Introduction générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
CHAPITRE 1
1-Phénomène de la piézoélectricité .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1-Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2-Historique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3-La céramique piézoélectrique .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1-Procédé de fabrication de la céramique piézoélectrique. . . . . . . . . . . . . . 13
1.4-Relations piézoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1-Couplage électromécanique dans les céramiques PZT . . . . . . . . . . . . 20
1.4.2-Coefficient de pertes mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5-Modes de vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.1- modes de couplage électromécanique dans les céramiques PZT . . . . .21
1.5.2- modes typiques de couplage dans les céramiques PZT. . . . . . . . . . . . 23
1.6-Domaines d’application des céramiques piézoélectriques. . . . . . . . . . . . . . . 25
1.7-Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
CHAPITRE 2
2-Actionneurs piézoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1-Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2-Moteur ultrasonique de H.V. Barth. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3-Moteur de Vasiliev et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4-Moteurs de Sashida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5-Moteurs piézoélectriques linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6 -Moteur à double stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7-Moteurs piézoélectriques à deux modes de vibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.8- Brevets de piézomoteurs à onde progressive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.8.1-Brevet Daimler-Benz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.8.2-Brevet Canon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.8.3-Brevet Sagem. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.8.4-Brevet Shinsei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.9-Moteur piézoélectrique annulaire à onde progressive . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.9.1-Organe d’entrainement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.9.2-Organe entrainé. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4
2.9.3-Propriétés des moteurs piézoélectriques à onde progressive . . . . . . . . 42
2.9.4-Bilan de puissance du moteur Shinsei. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.10-Situation du moteur piézoélectrique à onde progressive dans l'ensemble des ..
actionneurs piézoélectriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.11-Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
CHAPITRE 3
3-Modélisation analytique du moteur piézoélectrique à onde progressive . . . . 47
3.1-Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
3.2-Schéma fonctionnel du moteur piézoélectrique à ondes progressives. . . . . . 47
3.3-Conversion d’énergie électrique en énergie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.1-Création d’une onde de flexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3.2-Création d’une onde progressive. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.3-Equation de la masse vibrante. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4-Modélisation de la dynamique de d é formation du stator . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.1-Conversion électromécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4.2-Schéma équivalent en analogie mécanique du stator . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5-Modélisation du contact mécanique entre le stator et le roto r .. . . . . . . . . . . .58
3.6-Modélisation de la dynamique du rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
3.7-Calcul des forces de r é action modale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.8-Récapitulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.8.1-Alimentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.8.2-Dynamique de déformation du stator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.8.3-Zone de contact entre le stator et le rotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.8.4-Dynamique du rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.9-Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
CHAPITRE 4
4-Simulation et interprétation des résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.1-Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.2-Bloc stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.3-Bloc fonction A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.4-Bloc fonction B du contact stator/rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5-Bloc fonction C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5
4.6-Bloc fonction D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.7-Bloc fonction Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.8-Bloc fonction E. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.9-Résultats de simulation du moteur à vide et interprétations . . . . . . . . . . . . . 82
4.9.1-Tensions d’alimentation du stator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.9.2-Amplitudes modales du stator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.9.3-L’amplitude de crête de l’onde modale résultante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.9.4-Le déplacement vertical relatif du rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.9.5-Demi-largeur de la zone de contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.9.6-Le point de non glissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.9.7-Couple moteur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.9.8-Vitesse de rotation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.9.9 -Comparaison des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.10-Résultats de simulation du moteur en charge et interprétations . . . . . . . . . . 93
4.11-Comparaison des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.12-Validation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.13-Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
Conclusion générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Annexes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Symboles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Bibliographie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6
Introduction Générale
7
Grâce à sa discrétion sonore, un encombrement réduit et des performances : fort
couple à basse vitesse, le moteur piézoélectrique représente un intérêt certain pour
l’industrie. Ainsi, il trouve sa place dans un univers relativement conquis par les
moteurs électromagnétiques classiques. En outre, l’absence de bruits audibles de
fonctionnement rend l’application des moteurs piézoélectriques très attractive.
Objectifs
Compte tenu du principe de fonctionnement basé sur des oscillations
mécaniques à haute fréquence et sur l’exploitation des forces de frottement par
friction dans l’interface stator-rotor, le développement d’un modèle analytique
fidèle se révèle de plus en plus difficile.
En effet les forces de contact par friction, origine de la création du couple
moteur, dépendent de plusieurs paramètres tels que l’état de surface du contact
stator-rotor. En plus, l’usure non uniforme, l’élévation de température de la
structure substrat-céramique et l’humidité, rendent la quantification de ces
paramètres très difficiles.
Le principal objectif de notre travail est la modélisation hybride de l'actionneur
piézo-électrique à onde progressive en prenant en compte un certain nombre
d’hypothèses simplificatrices.
Dans cette modélisation on tient en compte de la dynamique du stator, de
l'interaction du contact stator-rotor et de la dynamique du rotor. La validation du
modèle analytique se fera par comparaison des résultats obtenus par simulation en
fonctionnement à vide et en charge avec des résultats issus de la documentation.
Chapitre1
Un aperçu général sur la céramique piézoélectrique, son procédé de fabrication
et son domaine d’application.
Par la suite, à travers un aperçu sur la théorie d’élasticité, nous allons aborder les
différents modes de fonctionnement des éléments piézoélectriques.
8
Chapitre 2
Nous allons présenter dans cette partie l’état de l’art sur les actionneurs
piézoélectriques les plus populaires, pour chaque cas, on abordera en bref le
principe de fonctionnement.
La fin du chapitre sera consacrée pour l’actionneur le plus répondu dans la
bibliographie à savoir le moteur annulaire à onde progressive.
Chapitre 3
Dans cette partie nous allons établir l’algorithme de notre travail de thèse, qui
consiste dans l’élaboration du schéma fonctionnel analytique de l’actionneur
choisi,
Cette étude commencera par :
La dynamique du stator qui est l’origine de la génération de l’onde
progressive,
Le contact stator-rotor et les phénomènes tribologiques qui se produisent.
Et enfin l’étude de la dynamique du rotor qui résumera ses différents
comportements de rotation et de translation au cours du fonctionnement du
moteur.
Chapitre 4
Dans ce dernier chapitre, le modèle théorique ainsi établi sera interprété en
langage Matlab en utilisant Simulink pour l’analyse et l’interprétation du
comportement de l’actionneur à travers les résultats de simulation pour les
différents régimes de son fonctionnement à vide et en charge.
Dans le but de valider ce modèle, nous allons comparer les résultats obtenus
avec les données des références bibliographiques.
9
Chapitre 1
Phénomène de la Piézoélectricité
1.1-Introduction
La piézoélectricité est une propriété basée sur la capacité de certains cristaux de
générer un champ électrique lorsqu’ils sont soumis à une pression mécanique
externe. On parle alors d’effet piézoélectrique direct.
Par contre, ces mêmes cristaux subissent une déformation sous l’action d’un
champ électrique ; c’est l’effet piézoélectrique inverse.
1.2-Historique
En 1880, les frères Curie publièrent les premiers résultats expérimentaux sur
l’existence d’un lien entre les phénomènes piézoélectriques macroscopiques et
certaines structures cristallographiques [11]. Chaque expérience consistait en la
mesure des charges électriques accumulées à la surface du cristal comme par
exemple le quartz, lorsqu’ il était soumis à un effort mécanique.
Dans les milieux scientifiques de l’époque, cet effet fut considéré presque
comme une "découverte", et rapidement nommé "piézoélectricité", afin de le
distinguer d’autres phénomènes tels que "l’électricité de contact" (électricité
statique due au frottement) et la "pyroélectricité" (électricité générée par les
cristaux, due à leur échauffement).
Toutefois, les frères Curie n’ont pas prédit que les cristaux qui exhibaient l’effet
piézoélectrique direct (électricité en réponse à l’application d’un effort mécanique)
auraient aussi exhibé l’effet piézoélectrique inverse (déformation en réponse à
l’application d’un champ électrique).
10
temps après, un noyau scientifique sur les applications piézoélectriques fut créé
dans le but d’identifier des cristaux piézoélectriques basés sur la structure
asymétrique du cristal.
En effet, on peut voir sur la figure (1.1) que la structure cristalline symétrique
sous l’action d’une contrainte mécanique extérieure n’aboutit pas au déplacement
des barycentres des charges positives et négatives, ainsi la polarisation résultante
est nulle.
11
Figure 1.2 – Cristal non Centro-symétrique [8].
12
Grâce à ce mécanisme, ils réussirent à mesurer la profondeur de l’océan. En
émettant un signal à haute fréquence et en mesurant l’intervalle de temps entre
l’émission et la réception du signal réfléchi par le fond de l’océan on arrive, en
connaissant la vitesse de propagation des ondes sonores dans l’eau (qui est cinq
fois plus élevée que dans l’air), à déterminer la profondeur de l’océan.
13
Préparation Pressage Déliantage à
des poudres 600°C
La préparation :
Préparation d’une poudre PZT à partir d’oxydes de titane de zirconium et de
plomb Pb (Zr-Ti)O3 chauffés à 900°C.
Le pressage :
Le contenu obtenu est pressé dans une matrice selon la forme désiré en barres
minces, ou sous forme de pastilles circulaires.
Le déliantage :
C’est l’opération qui consiste à éliminer les polymères de moulage à une
température approximative de 600°C,
Le frittage :
On passe au frittage à 1200°C sous contrainte axiale afin de souder les grains
entre eux et d’en réduire la porosité de la structure en céramique ainsi obtenue.
14
La métallisation :
On fixe par sérigraphie, une couche mince en métal conducteur sur la céramique
comme futurs électrodes de la pièce obtenue.
La polarisation :
C’est l’étape finale du procédé : par application d’un champ électrique continu
suffisamment intense de l’ordre de plusieurs kV/mm à l’élément céramique gardé
à une température dans l’intervalle de Curie [150 à 450°C] pour aligner tous les
dipôles.
a b c
)
15
Les céramiques piézoélectriques sont fabriquées sous diverses formes figure (1.5).
1.4-Relations piézoélectriques
16
Dans un solide élastique soumis à une contrainte T, la déformation S vaut :
S=sT (1.1)
D = E (1.2)
𝛛𝐒
≠𝟎 (1.4)
𝛛𝐄
Avec une bonne approximation, cette interaction peut être décrite par des
relations linéaires entre les quatre variables D, E, S et T, dont deux seulement sont
indépendantes.
𝐒 = 𝐬𝐄 𝐓 + 𝐝𝐭 𝐄 (1.5)
𝑫 = 𝒅𝑻 + 𝝐𝑻 𝑬 (1.6)
Avec :
𝐬𝐄 : La souplesse à champ électrique constant (matrice 6*6) [𝑚2 /𝑁] ;
𝝐𝑻 : La permittivité à contrainte constante (matrice 3*3) en [F/m] ;
d : La constante de charge (matrice 3*6) en [C/N] ;
17
L’exposant t dans l’équation (1.5) indique qu’il s’agit de la matrice transposée de
d.
Les relations (1.5) et (1.6) se réfèrent à une identification des directions qui est
donnée à la figure (1.5) Selon ce système d’axes, la direction de polarisation dans
le sens positif est définie selon l’axe 3 (axe z dans un système orthogonal).
On va définir les différentes matrices présentées dans les équations (1.5) et (1.6).
Matrice de souplesse 𝐬𝐄
Comme les PZT sont symétriques par rapport à l’axe de polarisation, la matrice
𝐬𝐄 prend une forme simplifiée [11].
Par exemple, 𝒔𝑬𝟏𝟑 est la souplesse à champ électrique constant pour une
contrainte dans la direction 1, avec une composante de déformation dans la
direction 3 selon l’axe z.
18
La matrice de souplesse 𝑠 𝐸 s’écrit [4]:
𝐸 𝐸 𝐸
𝑠11 𝑠11 𝑠13 0 0 0
𝐸 𝐸 𝐸
𝑠11 𝑠11 𝑠13 0 0 0
𝐸
𝑠13 𝐸
𝑠13 𝐸
𝑠33 0 0 0
𝑠𝐸 = 𝐸 (1.7)
0 0 0 𝑠44 0 0
𝐸
0 0 0 0 𝑠44 0
0 0 0 0 0 𝐸
𝑠66
Matrice de permittivité 𝝐𝑻
𝑇
𝜀11 0 0
𝜀𝑇 = 0 𝑇
𝜀11 0 (1.8)
𝑇
0 0 𝜀33
19
On peut écrire :
0 0 0 0 𝑑15 0
𝑑= 0 0 0 𝑑15 0 0 (1.9)
𝑑31 𝑑31 𝑑33 0 0 0
Ainsi, pour ce qui concerne les céramiques PZT, principalement utilisées dans
les actionneurs que nous étudierons, les différentes matrices de souplesse sE de
permittivité 𝜖 𝑇 et des constantes de charge d prennent les formes données par les
relations successives (1.7),(1.8)et (1.9) lorsque la polarisation est dirigée selon
l’axe 3 [25] .
2
𝑊𝐸𝑀
𝒌𝒆𝒎 = (1.10)
WE . WM
20
Qm permet donc de quantifier les pertes mécaniques et il est proportionnel au
rapport entre la fréquence de résonance et la largeur de bande.
Les matériaux piézoélectriques avec un coefficient de pertes mécaniques Qm
aux valeurs élevées sont caractérisés par des pics de résonance étroits, tandis que
ceux avec des facteurs Qm bas ont des largeurs de bande plus grandes [11].
1.5-Modes de vibrations
Chaque céramique piézoélectrique possède une fréquence élastique de vibration
spécifique, en fonction du matériau et de sa forme.
Lorsqu’une tension alternative est appliquée à une céramique piézoélectrique
avec une fréquence égale à sa propre fréquence de vibration élastique, la
céramique résonne.
21
Mode de couplage : longitudinal (33)
d233
𝒌𝒆𝒎 = 𝒌𝟑𝟑 =
εT33 s33
E
22
d231
𝒌𝒆𝒎 = 𝒌𝟑𝟏 =
εT33 s11
E
2
d15
𝒌𝒆𝒎 = 𝒌𝟏𝟓 = T E
ε11 s44
23
Tableau1.2 – Modes de vibration typiques associés à la forme de la céramique
piézoélectrique [11].
24
1.6-Domaines d’applications des céramiques piézoélectriques
Le tableau (1.3) illustre quelques domaines des applications les plus courantes
25
piézoélectrique, ce dernier équipé d'un actionneur PZT ce qui lui permet de
produire une pulvérisation plus rapide et plus précise du carburant dans la chambre
de combustion du moteur Diesel, donc un abaissement de rejets de gaz et une
économie dans la consommation du carburant jusqu'à 30%. L’injecteur
piézoélectrique va permettre aux constructeurs automobiles de répondre aux
exigences sévères des normes Européennes et Américaines concernant la
limitation de rejet des gaz polluants.
Dans les applications sous-marines les "sonar" varient des petits émetteurs pour
bateaux aux systèmes professionnels utilisés dans les grandes traversées
transatlantiques pour détecter la profondeur de l’eau.
Dans les moteurs aéronautiques, les capteurs à ultrasons installés dans les
turbines de puissance pour le contrôle dynamique ;
Ces capteurs sont capables de détecter d’éventuelles charges mécaniques
asymétriques dans le rotor, permettant ainsi d’implémenter des mesures
correctives.
26
L’effet piézoélectrique inverse est utilisé dans le positionnement de précision :
un champ électrique est alors appliqué à la céramique pour produire le
déplacement désiré.
1.7-Conclusion
Au cours de ce chapitre, nous avons essayé de présenter progressivement
l’historique de la piézoélectricité, à la fois comme phénomène découvert depuis
plus d’un siècle, et comme composant révolutionnaire dans la fabrication et la
conception des micro-actionneurs contemporains.
27
Chapitre 2
Actionneurs piézoélectriques
2.1 –Introduction
Dans ce qui suit nous allons présenter les actionneurs piézo-électriques les plus
répandus dans la bibliographie.
Nous donnons pour chacun, de ces actionneurs, brièvement, le principe de
fonctionnement.
Rotor
Axe
Oscillateur 1
Elément
Oscillateur 2
Piézoélectrique
Elément
Piézoélectrique
Divers prototypes similaires ont été présentés, on peut citer principalement celui
proposé par V.V. Lavrinenko et al. [19].
28
2.3-Moteur de Vasiliev et al.
Rotor
Rotor
Oscillateur
Oscillateur
Eléments
Support Transducteur Piézoélectriques
Métallique
2.4-Moteurs de Sashida
29
le rotor est un disque fin, libre en rotation dont on peut ajuster l’angle
d’incidence 𝜃 avec l’extrémité P de l’oscillateur, qui au cours du fonctionnement
va décrire une trajectoire elliptique sur la surface du rotor (figure (2.3)).
Tige Vibrante
30
Eléments Pièce
Corne
Piézoélectriques Vibrant Rotor
e
Butée
Fext
Rail Statorique
Céramique
Piézoélectrique 1
Céramique
Piézoélectrique 2
31
En partant de ces considérations on peut, dans le cas du deuxième prototype
représenté à la figure (2.6), parler effectivement d'un moteur linéaire.
Deux oscillateurs sont installés aux extrémités du rail pour créer une onde
progressive.
Fext
Rail
Chariot
Statorique
Oscillateur T1 Oscillateur T2
ou ou
Amortisseur 1 Amortisseur 2
Figure 2.6–Prototype d’un moteur piézoélectrique linéaire utilisant des
oscillateurs de Langevin, [11].
32
L’idée consiste à entraîner un disque en rotation grâce à un double stator vibrant
constitué de pétales métalliques oscillant circulairement et longitudinalement. La
combinaison des deux vibrations pilotées au synchronisme produit un mouvement
elliptique assurant l’entraînement du rotor.
La faisabilité de ce montage a été testée, on est arrivé à soulever une charge de
15Kg en utilisant une poulie de rayon de 2.5cm.
Bâti Arbre de
du stator Transmission
Roulement
à bille
Stator
Ressort
Céramique
Piézoélectrique
Roulement
à bille
Les deux groupes d’actionneurs pzt sont alimentés avec la même fréquence et à
alimentation en tension biphasé réglée en déphasage pour ajuster la vitesse (figure
(2.8.b)).
33
Ecrou
Ressort
Rotor
Actionneurs PZT
Multicouches
Vibreur
en torsion
PZT
f 0=17.8khz
1) basse vitesse.
2) vitesse moyenne.
3) haute vitesse.
Figure 2.8.b –Surface de contact pour différents rapports entre les amplitudes des
modes de vibration [19].
2.8.1-Brevet Daimler-Benz
La firme Daimler-Benz propose un autre modèle [21], les éléments
piézoélectriques sont montés entre les dentures rétractables du stator.
34
Le plus populaire de ses moteurs c’est le AWM90 [18].
Plaque élastique
Actionneurs Piézoélectriques
2.8.2-Brevet Canon
Rotor
Stator
Piézocéramiques
35
L'actionneur
Annulaire
2.8.3-Moteur SAGEM
Eléments piézo-actifs
normaux Rotor
Galette Statorique
Ressort de Stator
Précontrainte Axiale
Figure 2.12-Galette statorique et schéma du Moteur SAGEM Haute Puissance [16].
36
Les spécifications techniques sont présentées dans le Tableau 2.1 ci-dessous :
Propriétés Spécifications
2.8.4-Brevet Shinseï
37
Boitier
Connecteur
Arbre d'entrainement
Substrat
Roulement
Céramique Rotor
PZT Stator
Capot de fermeture
Butée à bille
Arbre
Ressort parapluie
Rondelle amortissante
Rotor
Substrat+Anneau de Céramique
Roulement à bille
Bâti
38
Le stator est excité en vibrations de volume forcées par l’intermédiaire d’un
transducteur piézoélectrique collé à sa partie inférieure.
La sectorisation du transducteur détermine le rang du mode de flexion
entretenue sur le stator.
Le rang du mode est par ailleurs choisi en fonction des paramètres
dimensionnels du moteur, afin de garantir l’absence de bruits audibles de
fonctionnement. Le rotor est en contact avec la partie supérieure du stator par
l’intermédiaire d’un matériau d’interface (épaisseur élastique).
Stator
AA
Electrodes
Céramiques
Phase A GND
Electrodes
Phase B
Il est entraîné par frottement en exploitant les trajectoires elliptiques décrites par
les points à la surface du stator figure (2.18).
Le transfert de puissance à l’arbre moteur nécessite une double conversion
d’énergie :
39
La deuxième c’est le transfert de l’énergie mécanique produite par le stator
vers le rotor par adhérence : c’est la conversion mécano-mécanique.
2.9.1-Organe d’entraînement
40
2.9.2-Organe entraîné
La partie mobile, ou l’organe entraîné, est constituée du rotor et d’une couche
de friction qui est collée sur la partie inférieure du rotor.
Ce dernier est pressé au moyen d’une force de précontrainte, contre le stator
figure (2.17) et (2.18).
Fext Fext
xt
Rotor
Stator
Onde Mouvement
Progressive Elliptique
41
• la conversion électromécanique
• la conversion mécano-mécanique
Avantages
Densité de puissance mécanique élevée.
Possibilités de miniaturisation.
Flexibilité dans la forme géométrique du moteur
Couple de maintien important hors alimentation électrique
Pas d’interférences électromagnétiques
Couple élevé à basse vitesse (Entraînement direct sans réducteur).
Fonctionnement silencieux.
Précision de positionnement possible due à l’absence de jeu.
Faible inertie favorise un court temps de réponse (dynamique de
positionnement élevée ).
Grande souplesse d’intégration.
42
Les majeurs inconvénients de ce type d’actionneurs PZT peuvent être résumés
dans le tableau (2.3) qui suit :
inconvénients
Nécessite une source d’alimentation à haute fréquence.
43
2.10-Situation du moteur piézoélectrique à onde progressive dans l'ensemble
des actionneurs piézoélectriques.
La méthode d'excitation.
La méthode de construction.
La fonction du moteur.
44
Actionneurs Piézoélectriques
Vibreur en forme
de Tige
45
2.11-Conclusion :
46
Chapitre 3
Modélisation Analytique du Moteur Piézoélectrique à Onde Progressive
3.1-Introduction
Dans le présent chapitre nous allons nous intéresser au moteur à onde progressive
Shinsei USR60. Nous allons traiter plus particulièrement les points suivants :
Les différents éléments constituant le moteur,
Le principe de fonctionnement,
Les avantages et les inconvénients,
Les différents domaines d’application.
47
Le schéma fonctionnel le plus simple est constitué d’un seul élément avec un
signal d’entrée et un signal de sortie :
Élément
Signal d’entrée signal de sortie
48
3.3 -Conversion de l’énergie électrique en énergie mécanique
Electrode
Mince
Figure 3.2- Céramiques en piézoélectrique entre deux électrodes [19].
Dilatation Contraction
Contraction Dilatation
Polarisation Rémanente
Figure 3.3-Déformation des céramiques en piézoélectrique [19].
49
3.3.2-Création d’une onde progressive
Polarisation
𝑈1 = 𝑉𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 𝑈2 = 𝑉𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡
50
La fonction 𝚽𝑒 (𝛉), est définie comme suit :
L’électrode auxiliaire.
L’électrode reliée à la terre (GND).
Le mode des céramiques choisies pour cet actionneur est le mode transversal 𝒅𝟑𝟏 .
𝚽𝐴 (𝛉), 𝚽𝐵 𝛉 sont définies comme suit [6],[8] :
𝜋 3𝜋
1 𝑠𝑖 + 𝑖𝜆 < 𝜃 < + 𝑖𝜆
Φ𝐴 𝜃 = 18 18
3𝜋 5𝜋
−1 𝑠𝑖 + 𝑖𝜆 < 𝜃 < + 𝑖𝜆
18 18
10𝜋
1 𝑠𝑖 𝜋 + 𝑖𝜆 < 𝜃 < + 𝑖𝜆
Φ𝐵 𝜃 = 9
10𝜋 11𝜋
−1 𝑠𝑖 + 𝑖𝜆 < 𝜃 < + 𝑖𝜆
9 9
Pour i∈ 0,1,2,3
51
Avec :
𝜆 : Longueur d’onde,
𝝀
La pastille de longueur 𝟒 située entre 170° et 180° est utilisée comme
capteur d’informations.
𝟑𝝀
La pastille de longueur située entre 340° et 10° est reliée à la masse.
𝟒
52
Les forces 𝐹v1 , 𝐹v2 qui créent les déformations dans les structures céramiques
sont proportionnelles aux tensions d’alimentation 𝑈𝑐𝑝 1 , 𝑈𝑐𝑝 2 .
On peut donc écrire :
𝑤(𝑟, 𝜃)
2h
𝐸𝑠 2 4
𝜕 2 𝑤 𝑟, 𝜃, 𝑡
∇ 𝑤 𝑟, 𝜃, 𝑡 + 𝜌𝑠 =0 3.3
3 1 − 𝜈𝑠2 𝜕𝑡 2
53
Avec :
𝑤 𝑟, 𝜃, 𝑡 ∶ La fonction décrivant les vibrations du stator en coordonnées
polaires(r, 𝜃).
𝐸𝑠 ∶ Le module de Young.
𝜈𝑠 ∶ Le coefficient de Poisson.
𝜌𝑠 ∶La masse volumique du matériau de l’anneau statorique.
2
4
𝜕2 1 𝜕 1 𝜕2
∇ = + +
𝜕𝑟 2 𝑟 𝜕𝑟 𝑟 2 𝜕𝜃 2
𝑤1 𝑟, 𝜃 = 𝜉 𝑟 𝑐𝑜𝑠𝑘𝜃 (3.4)
𝜋
𝑤2 𝑟, 𝜃 = 𝜉 𝑟 cos 𝑘𝜃 + (3.5)
2
54
Comme la structure du moteur est symétrique, donc les amplitudes des deux
ondes libres ont la même amplitude (𝑊1𝑚𝑎𝑥 = 𝑊2𝑚𝑎𝑥 = 𝑊𝑚𝑎𝑥 ) et sont en
𝜋
quadrature de phase dans le temps (𝜑 = 2 ) .
La combinaison des deux modes propres génère une onde progressive d’équation :
La vitesse tangentielle des points à la surface du stator entraîne le rotor grâce aux
forces de friction agissant dans la zone de contact entre le stator et le rotor.
La vitesse de rotation tangentielle du rotor est exprimée par la relation (3.10) [2],
𝑉𝑟 = 𝑅0 𝜃
55
amplitudes de déformation en fonction de la tension appliquée aux bornes des
céramiques piézoélectriques.
𝑡2 𝑡2
𝛿 𝑡1
ℒ𝑑𝑡 + 𝑡1
𝛿𝒲𝑑𝑡 = 0 (3.11)
Avec∶
𝛿 ∶ Opérateur de variation infinitésimale.
ℒ : Le Lagrangien du système.
𝛿𝒲 ∶ La variation de travail infinitésimal donnée par les forces extérieures.
ℒ = EK − Ep + Ee (3.12)
Avec :
EK L’énergie cinétique contenue dans le substrat du stator.
Ep L’énergie potentielle élastique contenue dans la couche de céramique
piézoélectrique.
Ee L’énergie électrique des différentes composantes du stator.
La dynamique du stator est résumée dans les deux équations différentielles (3.13)
et (3.14) [11],[9] :
56
Avec :
𝐹v1 , 𝐹v2 les forces générées par effet piézoélectrique dans chaque phase du
système (relations 3.1 et 3.2).
𝐹𝐶1 et 𝐹𝐶2 les forces de réaction modales dues au chargement axial (force de
précontrainte) entre le stator et le rotor.
ms la masse du stator.
𝑤1 (t) et 𝑤2 (t) représentent l’amplitude de déformation des deux ondes
stationnaires.
𝑑𝑠 coefficient d’amortissement représentant l’élasticité de la structure.
𝑐𝑠 la rigidité de la céramique.
Ainsi la dynamique du stator décrite par les deux équations peut être
schématisée suivant le modèle du schéma de la figure 3.7 [11], [8].
Comme les deux ondes stationnaires sont en quadrature de phase dans l’espace,
L’amplitude de crête de l’onde progressive résultante est donnée par l’équation :
57
𝑤𝑚𝑎𝑥 (𝑡) = 𝑤12 𝑡 + 𝑤22 𝑡 (3.15)
Fext
Couple Appliqué
Rotor
Stator
Substrat
Po E
Piézocéramique
Contact
Onde
Rotor/Stator
Progressive
Trajectoire Elliptique
d'un point de contact
L’étude des phénomènes liés au contact mécanique entre stator et rotor est
abordée en faisant les hypothèses suivantes :
–Les modes d’excitation sont parfaitement sinusoïdaux et à amplitudes égales.
– La géométrie du contact est admise symétrique par rapport à la crête de l’onde
progressive figure (3.9) [11].
𝜋
–Les déphasage temporel et spatial entre les modes égal à .
2
Ainsi, la vitesse tangentielle des points de la surface du stator appartenant à
l’onde progressive résultante obéit à l’équation 3.16 [11], [2]:
58
Dont 𝑣𝑡𝑚𝑎𝑥 est représentée par l’équation [2] :
2𝜋𝜔
𝑣𝑡𝑚𝑎𝑥 (𝑡) = − 𝑊𝑚𝑎𝑥 𝑡 (3.17)
𝜆
Avec: ,
2𝜋 𝑅𝑜
𝜆= , 𝑅𝑜 :étant le rayon moyen de l'anneau statorique.
𝑛
Le signe (-) dans (3.17) montre que la vitesse tangentielle 𝑣𝑡𝑚𝑎𝑥 (𝑡) de l’onde
progressive est opposée à la vitesse rotationnelle du rotor 𝑉𝑟 .
𝜔
En remplaçant : 𝑥=𝜃− 𝑡 dans (3.9) on obtient:
𝑘
59
Figure 3.10–Schéma du contact mécanique stator/rotor [6].
1 −𝑧(𝑡)
𝑥𝑜 𝑡 = 𝑘 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠 (3.19)
𝑊𝑚𝑎𝑥
−𝑥𝑠 et +𝑥𝑠 sont les points où la vitesse tangentielle du stator Vt est égale à
celle du rotor Vr,
60
𝑥𝑠 est appelé le point de non glissement [39], ( 𝑥𝑠 est nommé en anglo-
saxon stick-point qu'on traduit par point d'adhérence ou point de non glissement)
et est calculé par la relation (3.20) [6].
1 𝑅𝑜 2 𝜃
𝑥𝑠 𝑡 = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠 (3.20)
𝑘 𝜔𝑘𝑊𝑚𝑎𝑥
𝑥0
𝐹𝑡 𝑡 = 𝜏 𝑥, 𝑡 𝑑𝑥 (3.24)
−𝑥 0
61
Le couple moteur 𝐶𝑚 sera calculé par la relation :
𝐶𝑚 𝑡 = 𝑛𝑅𝑜 𝐹𝑡 𝑡 3.25
Avec :
cas 1 : 𝒙𝒔 ≤ 𝒙𝟎 .
2𝑊𝑚𝑎𝑥 𝑡 𝜇 𝑑 𝐾𝑒
𝐹𝑡 𝑡 = (2(𝑠𝑖𝑛𝑘𝑥𝑠 − 𝑘𝑥𝑠 𝑐𝑜𝑠𝑘𝑥0 ) − (𝑠𝑖𝑛𝑘𝑥𝑜 − 𝑘𝑥𝑜 𝑐𝑜𝑠𝑘𝑥0 ) (3.26)
𝑘
Si on pose :
𝜙𝑟 (𝑥𝑠 ) = 𝑠𝑖𝑛𝑘𝑥𝑠 − 𝑘𝑥𝑠 𝑐𝑜𝑠𝑘𝑥0 (3.27)
Et
𝜙𝑟 (𝑥𝑜 ) = 𝑠𝑖𝑛𝑘𝑥𝑜 − 𝑘𝑥𝑜 𝑐𝑜𝑠𝑘𝑥0 (3.28)
2𝑊𝑚𝑎𝑥 𝑡 𝜇𝑑 𝐾𝑒
𝐹𝑡 (𝑡) = (2𝜙𝑟 (𝑥𝑠 ) − 𝜙𝑟 (𝑥0 )) (3.29)
𝑘
On obtient deux zones de freinage intercalées par une de traction (figure 3.10)
62
cas 2 : −𝒙𝒔 > 𝒙𝟎 𝐞𝐭 +𝒙𝒔 ≤ 𝒙𝟎
2𝑊𝑚𝑎𝑥 𝑡 𝜇𝑑 𝐾𝑒
𝐹𝑡 𝑡 = 𝜙𝑟 𝑥𝑠 (3.30)
𝑘
2𝑊𝑚𝑎𝑥 𝑡 𝜇𝑑 𝐾𝑒
𝐹𝑡 𝑡 = 𝜙𝑟 𝑥𝑠 (3.31)
𝑘
2𝑊𝑚𝑎𝑥 𝑡 𝜇𝑑 𝐾𝑒
𝐹𝑡 𝑡 = 𝜙𝑟 𝑥0 (3.32)
𝑘
2𝑊𝑚𝑎𝑥 𝑡 𝜇𝑑 𝐾𝑒
𝐹𝑡 𝑡 = − 𝜙𝑟 𝑥0 (3.33)
𝑘
63
Figure 3.11-Schéma fonctionnel du mouvement de translation vertical du rotor [39].
Avec :
𝑚𝑟 Masse du rotor ;
𝐽𝑟 Inertie du rotor ;
𝜃 vitesse angulaire du rotor ;
𝐶𝑚 Couple moteur ;
𝑀𝑐 Couple de charge ;
𝐹𝑒𝑥𝑡 Force de précontrainte ;
𝐹𝑍 Force de réaction axiale due à la contraction de l’épaisseur élastique ;
𝑑𝑟 Coefficient d’amortissement dans la direction axiale ;
𝑤𝑟 Vitesse de translation du rotor suivant l’axe Z.
64
Figure 3.12-Schéma fonctionnel du mouvement de rotation du rotor [39].
𝑥0
𝐹𝑍 𝑡 = n 𝐹𝑣 𝑥, 𝑡 𝑑𝑥 (3.36)
−𝑥 0
Avec :
𝐾𝑒
𝐹𝑍 𝑡 = 2𝑛 𝑊𝑚𝑎𝑥 𝜙𝑟 𝑥0 (3.37)
𝑘
𝐾𝑒
𝐹𝑍 𝑡 = 2𝑛 𝑊 𝑠𝑖𝑛𝑘𝑥𝑜 − 𝑘𝑥𝑜 𝑐𝑜𝑠𝑘𝑥0 (3.38)
𝑘 𝑚𝑎𝑥
65
Comme l’onde progressive résulte de la superposition de deux modes de
vibrations en quadrature de phase spatiale, Fc1 et Fc2 sont calculées en utilisant le
vecteur 𝜙𝑥𝑇 pour décomposer séparément l’effet de la force globale sur les deux
modes séparément :
𝐹𝐶1 𝑥0
𝐹𝐶2
= 𝜙𝑥 𝑁 𝐹
−𝑥 0 𝑣
𝑥, 𝑡 𝑑𝑥 (3.39)
𝑛 𝐾𝑒 𝑤 1 (𝑡) 1
𝐹𝑐1 (𝑡) = 𝑘𝑥0 − 2 𝑠𝑖𝑛2𝑘𝑥0 (3.40)
𝑘
𝑛𝐾𝑒 𝑤 2 (𝑡) 1
𝐹𝑐2 (𝑡) = 𝑘𝑥0 − 2 𝑠𝑖𝑛2𝑘𝑥0 (3.41)
𝑘
3.8-Récapitulation
3.8.1-Alimentation
L’amplitude w1(t) et w2(t) des deux ondes stationnaires est obtenue grâce aux
équations 3.13 et 3.14.
66
𝑚𝑠 𝑤1 (t)+𝑑𝑠 𝑤1 (t)+𝑐𝑠 𝑤1 (t)= 𝜂𝑈𝑐𝑝 1 − 𝐹𝐶1 𝑡 .
1 −𝑧(𝑡)
𝑥𝑜 𝑡 = 𝑘 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠 𝑊𝑚𝑎𝑥
1 𝑅𝑜 2 𝜃
𝑥𝑠 𝑡 = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠
𝑘 𝜔𝑘𝑊𝑚𝑎𝑥
Les relations 3.27 et 3.28 nous donnent la force de traction par unité de longueur
(x, t) et la force de traction totale 𝐹𝑡 ; le couple moteur 𝐶𝑚 est ensuite obtenu avec
l’équation 3.30.
𝐶𝑚 𝑡 = 𝑛𝑅𝑜 𝐹𝑡 (𝑡)
3.8.4-Dynamique du rotor
67
𝑚𝑟 𝑤𝑟 + 𝑑𝑟𝑤𝑟 = 𝐹𝑧 − 𝐹𝑒𝑥𝑡
𝑑
𝐽𝑟 𝜃 = 𝐶𝑚 − 𝑀𝑐
𝑑𝑡
L’effet de la force de précontrainte sur les deux ondes stationnaires est modélisé
avec les forces Fc1 et Fc2 données par 3.40 et 3.41.
𝑛𝐾𝑒 𝑤1 (𝑡) 1
𝐹𝑐1 (𝑡) = 𝑘𝑥0 − 𝑠𝑖𝑛2𝑘𝑥0
𝑘 2
𝑛𝐾𝑒 𝑤2 (𝑡) 1
𝐹𝑐2 (𝑡) = 𝑘𝑥0 − 𝑠𝑖𝑛2𝑘𝑥0
𝑘 2
3.9-Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté une synthèse des différentes relations
mathématiques et physiques qui décrivent les phénomènes qui apparaissent dans le
fonctionnement du moteur piézoélectrique à onde progressive .
68
résumé les différents cas possibles de traction et de freinage qui peuvent se
présenter .
69
Chapitre 4
Simulation et interprétation des résultats
4.1-Introduction
A l’aide du modèle théorique établi dans le chapitre précédent, décrivant le
comportement du moteur piézoélectrique à onde progressive nous allons dans ce
qui suit simuler son fonctionnement.
Cette simulation va permettre de juger les performances du moteur en question
dans les deux modes opératoires possibles : à vide et en charge.
L’outil de simulation le plus adéquat pour cette modélisation est l’environnement
Matlab/Simulink.
En résumé, le schéma bloc figure (4.1) représente le moteur avec ses variables
d’entrée et de sortie.
4.2-Bloc stator
70
Les deux signaux 𝑈𝐶𝑝1 et 𝑈𝐶𝑝2 sont en quadrature. Le déphasage 𝜑 entre ces
𝜋
deux signaux vaut .
2
1 1
𝑤1 𝑠 = F v1 𝑠 − 𝐹 𝑠 (4.3)
𝑚𝑠 𝑠 2 + 𝑑𝑠 𝑠 + 𝐶𝑠 𝑚𝑠 𝑠 2 + 𝑑𝑠 𝑠 + 𝐶𝑠 𝑐1
1 1
𝑤2 𝑠 = F v2 𝑠 − 𝐹 𝑠 (4.4)
𝑚𝑠 𝑠 2 + 𝑑𝑠 𝑠 + 𝐶𝑠 𝑚𝑠 𝑠 2 + 𝑑𝑠 𝑠 + 𝐶𝑠 𝑐2
𝜂 1
𝑤1 𝑠 = U cp 1 𝑠 − 𝐹 𝑠 (4.5)
𝑚𝑠 𝑠 2 + 𝑑𝑠 𝑠 + 𝐶𝑠 𝑚𝑠 𝑠 2 + 𝑑𝑠 𝑠 + 𝐶𝑠 𝑐1
71
𝜂 1
𝑤2 𝑠 = Ucp 2 𝑠 − 𝐹 𝑠 (4.6)
𝑚𝑠 𝑠2 + 𝑑𝑠 𝑠 + 𝐶𝑠 𝑚𝑠 𝑠 + 𝑑𝑠 𝑠 + 𝐶𝑠 𝑐2
2
A partir des équations ((4.3) et (4.4)), ((3.40) et (3.41)); on construit le bloc stator
illustré par la figure (4.2.2) qui suit:
72
L'ensemble des blocs de la figure (4.2.2) seront contenus dans la fonction stator
illustrée par la figure (4.2.3) qui suit :
4.3-Bloc fonction A
73
Figure 4.3-Bloc fonction A dans l’environnement Matlab/Simulink.
Dans ce bloc on récupère deux sorties essentielles qui sont le couple moteur 𝐶𝑚 et
le point de non glissement xs,
En substituant (3.28) dans (3.25), on obtient :
2𝑛𝑅𝑜 𝑊𝑚𝑎𝑥 𝑡 𝜇 𝑑 𝐾𝑒
𝐶𝑚 𝑡 = (2𝜙𝑟 (𝑥𝑠 ) − 𝜙𝑟 (𝑥0 )) (4.5)
𝑘
𝑑
𝐽𝑟 𝑑𝑡 𝜃 = 𝐶𝑚 − 𝑀𝑐
1
𝜃= 𝐶𝑚 − 𝑀𝑐 𝑑𝑡 (4.6)
𝐽𝑟
74
𝐿 : la longueur d’onde 𝜆 = 2𝜋𝑅𝑜 /𝑛
A_min : l’ondulation minimale limite de la surface du stator aux
conditions aux limites (figure (4.4.1)) qui sont :
𝐿
𝑥𝑜𝑚𝑎𝑥 = (4.7)
4
Pour calculer A_min, à partir de l’équation (3.34) et pour ces conditions on peut
écrire l’égalité :
𝐹𝑍 = 𝐹𝑒𝑥𝑡 (4.8)
75
𝐾𝑒
𝐹𝑒𝑥𝑡 = 2𝑛 𝑊 (4.9)
𝑘 𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛𝑘 𝑥 𝑜𝑚𝑎𝑥 −𝑘𝑥 𝑜𝑚𝑎𝑥 𝑐𝑜𝑠𝑘 𝑥 0𝑚𝑎𝑥
𝐹𝑒𝑥𝑡
donc A_min = 𝑊𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑖𝑛 = 𝐾 (voir Annexe B)
2𝑛 𝑒 𝑠𝑖𝑛𝑘 𝑥 𝑜𝑚𝑎𝑥 −𝑘𝑥 𝑜𝑚𝑎𝑥 𝑐𝑜𝑠𝑘 𝑥 0𝑚𝑎𝑥
𝑘
76
Toute cette structure sera contenue dans une apparence réduite dans le bloc
fonction B sous la forme figure (4.4.3) :
1 − 𝑧(𝑡)
𝑥𝑜 𝑡 = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠
𝑘 𝑊𝑚𝑎𝑥
77
Figure 4.5.1–Détails de la fonction C sous Matlab/Simulink.
4.6-Bloc fonction D
La fonction D est construite à partir de l’équation (3.38). Cette équation est mise
sous forme de bloc fonction D (fig.4.6) :
78
4.7-Bloc fonction Rotor
La charge utilisée dans notre fonction est la fonction step dont le symbole est
le suivant:
79
Figure 4.7.2-Bloc fonction Rotor sous Matlab/Simulink.
4.8-Bloc fonction E
Le bloc fonction E voir figure (4.8) destiné pour les forces de réaction modales
dont les équations définies par (3.40) et (3.41) :
80
Figure4.9-Modélisation du moteur USR60 dans l’environnement Matlab/Simulink
[2]
81
Pour les différents cas d’interaction traités dans le chapitre précédent, on va
étudier le cas général 𝒙𝒔 ≤ 𝒙𝟎 𝐪𝐮𝐢 𝐩𝐫𝐞𝐧𝐝 𝐞𝐧 𝐜𝐨𝐧𝐬𝐢𝐝é𝐫𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧 la présence
de la traction et le freinage.
Le moteur est alimenté en biphasé avec deux tensions 𝑈𝑐𝑝 1 et 𝑈𝑐𝑝 2 qui sont en
𝜋
quadrature de , les courbes obtenues sont représentées dans la figure (4.9.1) :
2
82
150
130 V
100
Tensions d'alimentation Ucp1,Ucp2 [v]
Ucp1
Ucp2
50
𝜑
0
-50
-100
-150
9.955 9.96 9.965 9.97 9.975 9.98 9.985 9.99 9.995 10
Temps [s] -3
x 10
83
-6
x 10
5
3
amplitudes modales w1,w2 [m]
-1
-2
-3
-4
-5
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
temps [s]
1.7𝜇𝑚
84
4.9.3-L’amplitude de crête de l’onde modale résultante 𝒘𝒎𝒂𝒙 𝒕 .
L’amplitude de crête de l’onde modale résultante atteint 3.2𝜇𝑚
en régime permanent (figure (4.9.3a)).
3.2𝜇𝑚
-6
x 10
4.5
l'amplitude de créte de l'onde résultante wmax [m]
3.5
2.5
1.5
0.5
0
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
temps [s]
Le régime transitoire est de très courte durée environ 0.008s, au cours duquel
85
4.9.4-Le déplacement vertical relatif du 𝐫𝐨𝐭𝐨𝐫 𝒛 𝒕
Le déplacement relatif du rotor z (t) (voir figure 3.10) se stabilise aux environs
de 1.45 𝜇m (voir figure (4.9.4a)) :
-6
x 10
2.5
1,45𝜇𝑚
2
0.5
0
8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10
Temps [s] -3
x 10
Figure 4.9.4a
-6
x 10
1.45
1.44
Le déplacement relatif Z [m]
1.43
1.42
1.41
1.4
1.39
8 8.2 8.4 8.6 8.8 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10
Temps [s] -3
x 10
Figure 4.9.4b
86
En régime permanent, z(t) d’après la figure (4.9.4b) varie dans un intervalle
infinitésimal compris entre 1.39. 10−6 m et 1.45. 10−6 m.
3,3𝑚𝑚
-3
x 10
5
Demi-largeur de la zone de conact xo [m]
4.5
3.5
2.5
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Temps [s]
87
4.9.6- Le point de non glissement 𝒙𝒔 𝒕 (équation (3.20))
-3
x 10
5
4.5
3.5 1.1mm
mm
3
2.5
1.5
0.5
0
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Temps [s]
Dans la figure (4.9.6b), les deux courbes de xs et xo sont représentées dans un même
repère ;
-3
x 10
5
xo(t)
4.5 xs(t)
3.3mm
4
3.5
3
xs [m] , xo[m]
1.1mm
2.5
1.5
0.5
0
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Temps [s]
88
4.9.7-Couple moteur 𝑪𝒎 𝒕 en fonctionnement à vide.
Le couple moteur à vide est nul (figure (4.9.7)).
1.5
0.00Nm
1
Couple moteur Cm [Nm]
0.5
-0.5
-1
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Temps [s]
140
120
Vitesse de rotation Vr [tr/mn]
100
133tr/mn
80
à vide
60
40
20
0
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Temps [s]
89
En régime permanent, la vitesse de rotation du moteur à vide est stable aux
environs de 133tr/mn.
Les résultats de simulation à vide obtenus sous forme de courbes sont comparés
avec celles de la documentation de référence [2],
La comparaison est comme suit :
-6
x 10
5
-1
-2
-3
-4
-5
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
temps [s]
-6
x 10
4.5
l'amplitude de créte de l'onde résultante wmax [m]
3.5
2.5
1.5
0.5
0
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
temps [s]
L’amplitude de crête 𝑤𝑚𝑎𝑥 (t) [2] L’amplitude de crête 𝑤𝑚𝑎𝑥 (t) figure 4.9.3b
90
-6
x 10
2.5
0.5
0
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Temps [s]
-3
x 10
5
demi-largeur de la zone de contact xo [m]
4.5
3.5
2.5
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
temps [s]
91
-3
x 10
5
xo(t)
4.5 xs(t)
3.5
xs [m] , xo[m]
2.5
1.5
0.5
0
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Temps [s]
1.5
1
Couple moteur Cm [Nm]
0.5
-0.5
-1
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Temps [s]
92
140
120
80
à vide
60
40
20
0
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
Temps [s]
Les paramètres utilisés pour l’essai en charge sont les mêmes que ceux du tableau
(4.1), seulement la valeur de la charge imposée au moteur est variée dans
l’intervalle du fonctionnement normal indiqué par le constructeur suivant les
différentes valeurs de la fréquence.
L’essai suivant se fera avec les valeurs nominales principales qui sont :
F=40khz.
Charge Mc=0.5Nm.
La tension V=130V.
93
La courbe de la vitesse de rotation obtenue Vr (t) est représentée dans la figure
(4.10.1) comme suit :
140
Charge=0.50Nm.
120
Vitesse de rotation Vr [tr/mn]
100
122tr/m
80
n
60
40
20
0
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
Temps [s]
La vitesse de rotation se stabilise à 122 tr/mn, elle est proche de la valeur nominale
qui est : 100tr/mn.
94
charge=0.5Nm
0.58
0.56
0.54
0.5
0.48
0.46
0.44
0.42
0.4
0.014 0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.02
Tems [s]
Figure 4.10.2a
1.4
charge=0.5Nm.
1.2
1
Couple moteur Cm[Nm].
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
Temps [s]
0.502
charge=0.5Nm
0.5015
0.501
Couple moteur Cm [Nm]
0.5005
0.5
0.4995
0.499
0.4985
0.498
0.018 0.0182 0.0184 0.0186 0.0188 0.019 0.0192 0.0194 0.0196 0.0198 0.02
Tems [s]
Figure 4.10.2b
95
Le couple moteur Cm se stabilise au niveau de 0.5Nm (figure (4.10.2a)).
Si on essaye d’affiner beaucoup plus le résultat, de la figure (4.10.2) on déduit que
le couple en fait oscille à grande fréquence (40khz) dans un intervalle compris
entre 0.4985Nm et 0.5015Nm.
Nous avons simulé plusieurs essais pour différentes charges : 0.1Nm, 0.2Nm,
0.3Nm, 0.4Nm, 0.5Nm, 0.6Nm,0.7Nm et 0.8Nm.
A signaler qu'à partir de 0.9Nm pour la fréquence nominale de 40000Hz, le
moteur simulé décroche.
L’ensemble des résultats obtenus sont représentés par un faisceau de
caractéristiques : vitesses de rotation en fonction de la fréquence d’alimentation
dans la figure (4.10.3) :
140
Charge=0.00Nm.
130 Charge=0.10Nm.
Charge=0.20Nm.
Vitesse de rotation du rotor Vr [tr/mn].
120
Charge=0.30Nm.
Charge=0.40Nm.
110
Charge=0.50Nm.
100 Charge=0.60Nm.
Charge=0.70Nm.
90 Charge=0.80Nm.
80
70
60
60tr/mn,
0.60Nm.
50 40000Hz.
40
40000 40200 40400 40600 40800 41000 41200 41400 41600
Fréquence [Hz]
96
122.9 tr/mn
60tr/mn,
0.60Nm.
40000Hz.
Par comparaison entre les deux résultats, on constate une similitude entre les
deux figures : (4.11) et (4.10.3).
140
Charge=0.00Nm.
130 Charge=0.10Nm.
Charge=0.20Nm.
Vitesse de rotation du rotor Vr [tr/mn].
120
Charge=0.30Nm.
Charge=0.40Nm.
110
Charge=0.50Nm.
100 Charge=0.60Nm.
Charge=0.70Nm.
90 Charge=0.80Nm.
80
70
60
50
40
40000 40200 40400 40600 40800 41000 41200 41400 41600
Fréquence [Hz]
4.12-Validation
Par exemple, pour la charge de 0.5Nm, la vitesse de rotation Vr dans le cas de la
courbe de référence (figure (4.11)) est égale à 122.9tr/mn et dans le cas de notre
résultat de simulation (figure (4.10.3)), Vr=123tr/mn.
97
Pour la charge de 0.60 Nm, la vitesse de rotation est la même pour les deux
résultats.
A travers les comparaisons pour différents régimes à vide et en charge, on
remarque une similitude dans l’allure des caractéristiques prélevées de la
simulation réalisée et celles fournies par la documentation de référence [2].
On donne à titre de comparaison dans le tableau (4.2), les différentes puissances
massiques.
Les moteurs :
USR30, USR60 et SAGEM sont à base des céramiques piézoélectriques.
C827380 est un moteur direct à courant continu à balais.
C82524D est un moteur synchrone avec réducteur à deux sens de rotation.
RS120 [38] est un servomoteur utilisé dans l'asservissement.
98
Canon [37] est un moteur annulaire à onde progressive utilisé pour
mécanismes d’autofocus pour objectif CANON.
4.13-Conclusion
Les équations du modèle analytique du moteur piézoélectrique ont été converties
dans l’environnement Matlab/Simulink, ainsi on a obtenu une plate-forme d’essai
virtuel et avec les paramètres du moteur fourni par la documentation de référence
[2], on a pu prélever de l’essai à vide et l’essai en charge les caractéristiques
principales de l’actionneur qui sont la vitesse et le couple en fonction du temps.
99
Conclusion générale
Le travail présenté dans ce mémoire comme son titre l'indique c'est l'analyse de
fonctionnement d'un actionneur piézoélectrique à onde progressive.
Le début de notre travail est un résumé sur les principes physiques liés aux
phénomènes piézoélectriques.
Afin de pouvoir entamer le reste des thèmes, on a rédigé à partir de notre
recherche bibliographique, le parcours des inventions les plus populaires pendant
la décennie passée liées aux conversions par effet inverse de la piézoélectricité et
on a retenu le plus populaire qui est le moteur piézoélectrique à onde progressive
USR 60.
A travers l’étude théorique présentée au troisième chapitre, on a essayé de traiter
les différents phénomènes complexes rencontrés: de la dynamique du stator, en
passant par les phénomènes complexes liés au contact stator-rotor jusqu’à enfin la
dynamique du rotor pour mettre en forme le schéma fonctionnel de l'actionneur
USR60.
La dernière partie dans notre travail consistait dans la conversion des équations
qui régissaient le schéma fonctionnel dans l’environnement de simulation sous
Matlab/Simulik;
Le modèle hybride du moteur ainsi obtenu nous a permis d’accéder à l’étude des
caractéristiques du moteur USR 60 à vide et en charge.
Les résultats obtenus de la simulation, ont été comparés avec les résultats donnés
dans la référence [2].
Après ces comparaisons qui présentaient une grande similitude, on a pu valider le
modèle.
100
essentielles décrivant le comportement du moteur par l'étude de ses
caractéristiques à vide et en charge .
Ces actionneurs piézocéramiques envahissent de plus en plus les domaines de la
technologie de pointe. Ainsi, une concurrence rude et prometteuse pour ce type
d’actionneurs est entamée avec les autres catégories similaires des micromoteurs
et cela depuis un bon moment.
101
Annexe A
102
Annexe B
103
Symboles
𝐅𝐯𝟏,𝟐 Forces générées par effet piézoélectrique dans chaque phase [N]
𝐅𝐯𝟏,𝟐 Force axiale par unité de longueur agissant dans la zone de contact [N/m]
𝓛 Lagrangien [J]
104
Qm Coefficient de pertes mécaniques [-]
Force de traction par unité de longueur agissant dans la zone de contact [N/m]
105
Pulsation propre électrique [rad/s]
106
Bibliographie
[2] Devon Patrick Murphy, “Analysis of a Rotary Ultrasonic Motor for Application in
Force- Feel Systems”, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2008.
[3] N. Rizet, “Contrôle actif de vibrations utilisant des matériaux piézo-actifs, PhD
Thesis, INSA. Lyon, 1999.
[7] Nishant Venkatesan, “An Evaluation of the Traveling Wave Ultrasonic Motor for
Force Feedback Applications”, University of Kentucky, 2009.
107
[12] WHDuan, S T Quek and Q Wang, “A novel ring type ultrasonic motor with
multiple design, wavenumbers: fabrication and characterization”,Monash University,
Clayton, VIC, 3800, Australia Published 10 November 2009.
[13] Gungor BAL, “A Digitally Controlled Drive System for Travelling-wave Ultrasonic
Motor”,Gazi University, Turk J Elec Engin, VOL.11, NO.3 2003.
108
[21] Hervé Frayssignes , “ étude des effets non linéaires et les pertes dans les
moteurs ultra-sonores introduction au problème de couplage mécanique entre les
voies”, INSA Lyon ,2001.
[27] Nicolas Rizet, “contrôle actif des vibrations utilisant des matériaux piézo-
électriques”, INSA, Lyon, 1999.
109
[31] Physik Instrumente, « http://www.physikinstrumente.com », 2006.
[35] www.crouzet.fr.
[38] www.parvex.com
110