Nouvelles structures de moteurs piézoéléctriques : conception, réalisation et caractérisation
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This work is related to the design, the assembly and the testing of new structures of piezomotors. Their operating principle is based on ultrasonic vibrations of the stator which drives the rotor by frictional forces. Hence, two conversions of energy are combined: - the vibrations of the stator are produced by an active material using the inverse piezoelectric effect (electromechanical conversion), - these vibrations are converted into a rotating or linear motion with the help of frictional forces: this is the mechanical conversion. Piezomotors have good characteristics such as high output torque, low rotational speed without gears, quick response, silent drive and large holding torque without energy dissipation. Because this new technology concerns varied disciplines (piezoelectricity, tribology, acoustic …), its conception and its development are generally difficult. The testing methods and the physical phenomenons of piezomotors are treated in the first section. In the following chapter, we show that the specific behavior of these motors requires a speed control. Finally, two new piezomotors are described: - a progressive wave motor using longitudinal actuators is studied at first. If a Finite Element Model had been used for the conception, its development had needed and important experimental work, - the second structure is an elastic shell to which the vibrations of two piezoelectric actuators are applied. This kind of stator permits indifferently the construction of rotating or linear motors. A Finite Element Model and an electromechanical equivalent circuit are used in the phases of conception and development.
Abstract FR:
Cette étude concerne la conception, la réalisation et la caractérisation de nouvelles structures de moteurs piézoélectriques (ou piézomoteurs). Leur principe de fonctionnement repose sur l’exploitation des mouvements vibratoires d'une structure élastique (le stator) susceptibles d'entraîner par friction une partie mobile (le rotor). Deux conversions d'énergie sont réalisées : - un matériau actif génère les vibrations du stator conformément à effet piézoélectrique inverse (conversion électromécanique), - ces vibrations sont transformées en mouvement rotatif ou linéaire par l'intermédiaire des forces de friction développées à l'interface rotor stator, réalisant ainsi une conversion mécano-mécanique. Les piézomoteurs présentent un couple élevé à faible vitesse de rotation sans réducteur mécanique (quelques centaines de mNm pour une centaine de tr/mn), un couple de maintien élevé à l'arrêt et un faible temps de réponse (quelques millisecondes). Cette technologie nécessite une approche pluridisciplinaire (piézoélectricité, mécanique vibratoire, tribologie, …) rendant délicates les phases de conception et de développement. Les éléments nécessaires à la compréhension des phénomènes intervenant dans le fonctionnement des moteurs et leurs méthodes de caractérisation sont rassemblés au début de cette étude. Le thème suivant traite du comportement spécifique des piézomoteurs en fonctionnement et montre qu'un asservissement en vitesse est nécessaire. Enfin, les travaux réalisés sur deux structures innovantes sont présentés et aboutissent à des moteurs fonctionnels dont les caractéristiques mécaniques sont conformes aux objectifs fixés. Le premier est un moteur à onde progressive induite par actionneurs piézoélectriques longitudinaux. Sa conception s'est appuyée sur un modèle à éléments finis et son développement a nécessité d’importants travaux expérimentaux. La deuxième structure utilise une coque élastique déformée par deux actionneurs piézoélectriques. Elle permet de concevoir un module élémentaire qui s’intègre indifféremment dans des configurations de moteurs linéaires ou rotatifs. Un modèle à éléments finis et un schéma électromécanique équivalent ont été les principaux outils utilisés pour sa conception et son développement.