Actionneurs linaires directs et indirects
H. Ben Ahmed, B. Multon, M. Ruellan Antenne de Bretagne de lENS Cachan - SPEELabs/SATIE (UMR 8029 CNRS) Campus de Ker Lann, 35170 BRUZ [email protected]
Rsum Cet article met en parallle les deux grandes familles dactionneurs lectriques linaires, ceux entranement direct (la force motrice est directement produite par les champs magntiques) et ceux indirects dans lesquels cest en gnral un moteur lectrique tournant qui convertit lnergie lectrique en nergie mcanique. Cest alors un systme mcanique ou hydraulique qui effectue la transformation en mouvement linaire. La comparaison porte principalement sur deux catgories de performances, celles dencombrement et celles, dynamiques, dacclration. Les effets dchelles sur ces caractristiques font lobjet dune attention particulire. Le cas des actionneurs linaires directs est dtaill, les auteurs montrent notamment la diversit des principes de conversion lectromagntiques et des architectures. Quelques calculs simplifis montrent les grandes lignes de leur dimensionnement ainsi que les ordres de grandeurs de leurs performances.
I. INTRODUCTION Dans de nombreuses applications, il est ncessaire de disposer dun mouvement de translation [1, 3, 4]. Comme lillustrent les diffrents graphiques de la figure 1 [2], ltendue des performances souhaites, aussi bien en termes de puissance que de course, est trs leve allant des applications trs forte acclration telles que les lanceurs lectromagntiques (1000 g), celles exigeant de trs grandes vitesses de dplacement tels que les trains propulsion magntique ( ), en passant par les systmes ncessitant un positionnement prcis ( , industrie lectronique), ou encore une pousse importante tels que lusinage ( ) ou les actionnements aronautiques [5] o la minimisation de la masse est un critre essentiel.
s/m100m
10kN
On peut classer les solutions adoptes en deux familles :
- entranements indirects : ils ncessitent un organe de transmission et de conversion mcanique entre lactionneur rotatif et sa charge en translation et restent trs employs actuellement car ils sont gnralement le moins coteux. Dans le domaine aronautique, des systmes lectriques interface hydraulique se rpandent.
- entranement directs : ils visent simplifier la chane de transmission par la suppression de lorgane intermdiaire. Dans ce cas, ce sont de vritables actionneurs linaires lectromagntiques
Les solutions mettant en uvre des dispositifs mcaniques et/ou hydrauliques intermdiaires de transformation (rducteur, vis crou, pompe+vrin) offrent gnralement des performances massiques leves, car lactionneur lectrique peut tourner vite et tre trs compact. Mais les organes intermdiaires introduisent des limites de performances dynamiques (bande passante mcanique) et des inconvnients tels que lusure, le bruit ou une fiabilit rduite. Les solutions dentranement linaire direct sont quant elles limites par des considrations physiques (magntiques, thermiques, ). Ces limitations interviennent diffremment selon le type dactionneur et selon son architecture. La figure 1 (issue de [2]) montre un panorama des performances requises en fonction des secteurs dapplication.
Fig. 1. Quelques ordres de grandeurs de performances attendues des actionneurs linaires [2]
Revue 3E.I, n42, septembre 2005, pp.38-58. 1
En guise de prambule, considrons la puissance volumique dveloppe par un actionneur linaire direct quelconque. Celle-ci peut, dune manire gnrale, scrire :
a a
P F v.V S
= l (1)
o est la force moyenne motrice, la surface active (surface dinterface entre la partie fixe et la partie mobile, sige des changes dnergie et des forces), la vitesse de dplacement de la partie mobile, est une dimension caractristique de lactionneur de volume actif (voir Fig. 2) :
F aS
vl
aV
Pour un actionneur cylindrique tournant (figure 2a),
taF
S reprsente la pression tangentielle.
p
e
vvR= =l est la vitesse de rotation. Ainsi, le rapport
a
PV correspond la puissance ramene au volume rotorique
(cylindre) ; Pour un actionneur linaire dont le dplacement est normal
la surface active (figure 2b), na
FS reprsente la pression
normale et l correspond la course ; Pour un actionneur linaire dont le dplacement est tangent
la surface active (figure 2c), ta
FS est la pression
tangentielle, et est la hauteur de lactionneur (diamtre du mover pour un actionneur tubulaire).
hl
(a) (b) (c)
Fig. 2. Schmas dactionneurs : (a) tournant cylindrique, (b) linaire dplacement normal, (c) linaire dplacement tangent
En utilisant lexpression (1), on peut qualitativement comparer les performances intrinsques de diffrentes technologies dentranement dans le plan pression-vitesse relative. Cest ce qui est indiqu sur la figure 3 [6].
Fig. 3. Ordres de grandeurs des efforts surfaciques et des vitesses relatives
pour quelques technologies de convertisseurs lectromcaniques [6]
Ce graphique montre ainsi, que dans les entranements lectromagntiques (EM), la puissance volumique gnre est de
lordre de 100 MW/m3, pour des vitesses relatives de 102 103 s-1. Les pressions magntiques obtenues sont de lordre de quelques N/cm. Dans les entranements hydrauliques, malgr des pressions leves (100 1000 fois suprieures), la limitation en vitesse relative (quelques s-1) ne permet pas dobtenir des puissances volumiques trs importantes. Ces dernires sont en effet du mme ordre de grandeur que celles des systmes EM. Signalons cependant que ce diagramme ne tient pas compte des effets dchelle ventuels lis aux types de convertisseurs. Cest ce que nous allons examiner dans la suite de cet article en nous intressant particulirement aux actionneurs linaires lectromagntiques directs et indirects aprs un bref rappel du principe de conversion et des topologies existantes.
II. ENTRAINEMENTS ELECTROMAGNETIQUES INDIRECTS
A. Principe Les solutions industrielles les plus rpandues pour la ralisation dactionneurs linaires linaires sont entranements indirects. Il sagit souvent daccoupler un moteur tournant (classique) la charge par lintermdiaire dun systme de transformation mcanique de mouvement rotation/translation. Parmi les systmes intermdiaires, on peut citer les systmes bielle-manivelle, pignon-crmaillire et vis-crou (le plus employ, figure 4). On associe gnralement au moteur tournant un systme de rduction ou de dmultiplication de la vitesse.
Fig. 4 Schma de principe dun entranement indirect transmission vis-crou
La figure 5 illustre un vrin lectrique prise indirecte transformant laction rotative dun moteur par rducteur de vitesse et vis billes.
Fig. 5 Exemple de vrin lectrique prise indirecte doc. Linak [2]
Ce mode dentranement offre lavantage dutiliser une machine standard (alimente directement par une source dnergie ou via un variateur lectronique), de permettre ventuellement lloignement du moteur par rapport la charge entrane, et un cot minimal. Pour les inconvnients, nous citerons principalement, la grande inertie rsultante, le mauvais rendement vitesse leve, une prcision rduite du positionnement (problme de jeu de transmission), la maintenance et les nuisances sonores. Cependant, il faut noter que des progrs sont rgulirement raliss sur ces points. Leffort volumique
v
x
Sa
Sa
v v
Revue 3E.I, n42, septembre 2005, pp.38-58. 2
Pour formaliser quelque peu ces diffrences, prenons le cas dun systme vis-crou et examinons tout dabord ses performances statiques. Lexpression de la force exerce sur la charge linaire en rgime permanent peut scrire :
m t tF C . k= (2)
o est le couple du moteur tournant, mC mtk v= est le
facteur de transformation de la transmission mcanique. Sa valeur est lie au pas de vis : v
mt
v v
2k .
= (3)
t le rendement nergtique de lensemble vis-crou et multiplicateur de vitesse (sil existe), , et v m v sont respectivement les vitesses de translation de la charge, de rotation du moteur et de rotation de la vis. Notons que le systme vis-crou devra tre rversible, cest--dire que le mouvement peut tre ralis la fois sous laction dun couple (fonctionnement moteur) sur les parties tournantes ou sous celle dune force (fonctionnement frein rcupratif) sur laxe linaire. Les systmes vis billes, ayant un coefficient de frottements trs faible, sont gnralement rversibles. A linverse, les systmes vis trapzodales un filet sont souvent non rversibles. Dans ce dernier cas, la rversibilit impose une forme de filet particulire. Si lon note par langle dhlice li au pas de
vis et au rayon moyen de la vis v moyr1 ( ( ) v
moyt an
2 r
=
), le
rendement du systme vis-crou scrit alors [31] :
( )( )
( )( )
+
=
)gnrateur(appliquaxialefforttan
tan
)moteur(appliqucoupletan
tan
t (4a)
o est li au coefficient de frottements et langle de filet rf
par : ( )( )rft an
cos =
.
Ainsi, la condition de rversibilit (pour laquelle ) sexprime par :
0t
2 (4b)
Le rendement ainsi que la plage de rversibilit dun tel systme dcroissent ainsi rapidement avec le coefficient de frottements. En outre, le rendement est maximal pour un angle dhlice proche de
4 (cf. figure 6).
Fig. 6 Exemple de rendement dun systme vis-crou de type vis trapzodales [31]
1 La valeur de est notamment fonction du couple transmis. moyr
La loi de variation du couple dun moteur tournant cylindrique classique, cest--dire lvolution
