[1]Introduction





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Symposium de Génie Electrique (SGE’14) : EF-EPF-MGE 2014, 8-10 juillet 2014, ENS Cachan, France



Approche globale de l’étude des efforts développés par un actionneur MMA tubulaire

J-F. ALLIAS1, J-F. LLIBRE1, D. HARRIBEY1, C. HENAUX1, D. ALAZARD2

1Université de Toulouse, INPT, UPS; ENSEEIHT, 2 rue Camichel, BP 7122, F-31071 Toulouse cedex 7, France
1LAPLACE – CNRS, F-31071 Toulouse, France
2Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace, Département DMCSC, 31055 Toulouse, France


RESUME - Cet article traite du dimensionnement d’un actionneur électrique tubulaire, de type MMA (Moving Magnet Actuator), développant un effort important à basse vitesse pour une fonction de vérin électrique. Un modèle analytique permettant de calculer les efforts développés par la machine, a été réalisé en fonction de la puissance électrique disponible. Des simulations par éléments finis en régime quasi-statique permettent de valider ce modèle. Nous intégrons dans la conception, des contraintes fortes liées à l’absence d’ondulations des efforts.

Mots-clés — MMA, Modèle Ampérien, Force de Laplace, Optimisation, Halbach array.

[1]Introduction


Les systèmes électriques étant de plus en plus fiables, ils sont dignes d'intérêt pour des applications qui cherchent à réduire la masse embarquée. Si l'on compare avec les systèmes mécaniques ou hydrauliques, la maintenance et l'intégration sont plus faciles, en particulier grâce à la compacité des actionneurs électriques. Ces avantages poussent au développement et à la multiplication des technologies électriques dans les systèmes embarqués. L’article suivant présente alors le dimensionnement d’un vérin linéaire pour une application similaire. Celui-ci doit fournir une force élevée par unité de masse dans une plage de vitesse faible pour une consommation de puissance de 100 (W).

La structure proposée pour cette application est un actionneur linéaire de type « moving magnet » (MMA), qui présente toutes les caractéristiques d'une machine synchrone à aimants permanents tel que dans [1]-[2]-[3]. Le translateur est tout d’abord composé d'aimants permanents magnétisés purement radialement, et par la suite, les aimants sont remplacés par un réseau de Halbach pur comme le montre la Fig. 1. Le stator est composé de bobines en forme d'anneaux qui sont assemblées sur un circuit magnétique lisse. Deux MMA montés en parallèle sont présentés en Fig. 1. Parmi les différentes configurations de machines linéaires, les machines tubulaires à aimants permanents ont un certain nombre de caractéristiques tels qu’une densité de force élevée et d'excellentes caractéristiques de commande. Ils font des candidats intéressants pour les applications où la performance dynamique et la fiabilité sont cruciales comme dans [4].

Dans la littérature scientifique comme dans [1]-[5]-[6]-[7], les modèles analytiques sont basés sur l'équation de Poisson, où la distribution du champ magnétique créée par des aimants permanents est décomposée en série de Fourier. Dans le but de trouver la force linéaire développée, le tenseur de Maxwell peut être appliqué, ce qui donne des résultats très précis, en dépit de la difficulté et du temps de calcul de ce modèle. Dans [8]-[9], le calcul magnétique est effectué en utilisant un réseau d'aimants à réluctance.



Fig. . Actionneur de type “moving magnet” tubulaire

Nous utilisons ici un modèle simple basé sur la loi de Gauss et la force de Laplace qui consomme moins de temps de calcul. Dans la première partie de cet article, nous allons présenter ce modèle basé sur la structure choisie, qui respecte le cahier des charges. Dans la deuxième partie, nous étudierons les propriétés du réseau de Halbach, nous donnerons les critères permettant d’augmenter l’effort développé par la structure. Dans la troisième section nous expliquerons le processus d’optimisation multicritères utilisé permettant de trouver les dimensions optimales de l’actionneur respectant le cahier des charges. Puis, nous comparerons les résultats théoriques avec les résultats de simulations obtenus par éléments finis, réalisés avec le logiciel Ansys. Enfin, la dernière section présente les conclusions et perspectives de ce travail.
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