C6E2, Toulouse, 25 juin 2008 135 avenue de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4 – Tel : 05.61.55.97.02 – Fax : 05.61.55.97.00 - page

C6E2 , Toulouse, 25 juin 2008

135 avenue de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4 – Tel : 05.61.55.97.02 – Fax : 05.61.55.97.00 - www.insa-toulouse.fr

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C6E2 – Conception d’actionneurs électromécaniques

Présentation : J. LISCOUET, S. ORIEUX Préparation : M. BUDINGER, J. LISCOUET, S. ORIEUX , T. El HALABI



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Plan de la présentation

Objectifs de la présentation Cas test WP2 Electromécanique et cycle de

conception Power Sizing : Lois d’échelles et implantation

dans une librairie MODELICA Publication Proto virtuel : Bilan nul de puissances et d’efforts



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Objectifs de la présentation

Donner des éléments de discussion pour le document chapeau de septembre 2008

Faire un bilan des outils logiciels réalisé dans le cadre du cas test WP2 Actionneurs électriques pour l’aéronautique

Donner les perspectives de travail pour la fin du projet



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Cas test aéronautique MESSIER

Dans le domaine aéronautique : Changement de technologie d’actionnement => passage de l’hydraulique vers l’électrique

Problématique : conception d’une direction électrique de train d’atterrissage

Objectifs de C6E2 WP2 : Concevoir des outils logiciels pour aider à la

conception préliminaire de système d’actionnement électrique.

Servo-hydraulic jack



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Charge mécanique

Chaîne cinématique et réducteur

Moteur Electrique

Frein

Capteurs

Variateur de vitesse

Source d’énergie

Architecture à choisir et à dimensionner

Contraintes définies par l’application

Conception d’un système d’entraînement

Au début de la conception :

• Comment évaluer rapidement les différentes architectures possibles ?

• Comment évaluer les principales performances et les principales caractéristiques ?

• Comment spécifier les différents composants au mieux ?



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La conception d’un système d’entraînement passe classiquement par plusieurs étapes :

Besoins Produit

Constituants du système

Conception de détail

Synthèse de la commande

Cycle de conception classique (1)

Synth

èse

du sy

stèm

eIn

tégra

tion d

u p

roto

type

Recherche de solutions

Cahier des charges

Spécifications des

composants

Dimenssionement en

puissance

Architectures

Intégration des composants

Prototype

Validation des performances

Le choix des composants se fait à l’aide d’outils

maison (ex. routine excel)

Des outils de simulation (ex.

Simulink) sont utilisés pour synthétiser la

commande



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Ce cycle classique peut être lourd et complexe: - Dans le cadre de système d’actionnement mécatronique : présences de différentes technologies-=> Grand jeu de paramètres difficiles a connaitre en debut de cycle : nécessite aller-retour (1) entre niveau système et niveau constituant (utilisation de catalogues, devis, expertise de spécialistes métiers, …)-=> Difficiles de prédire les performances en boucle fermée avant d’atteindre les étapes de simulation dynamique. -Importances des modes de résonance (2) mécanique qui ont un gros impact sur ce dernier point.

Besoins Produit




Cycle de conception classique (2)

Recherche de solutions

Cahier des charges

Spécifications des

composants

Dimenssionement en

puissance

Architectures

Intégration des composants

Prototype


(1) (2)

Bilan : présence de boucles qui augmentent fortement les temps de développement et l’interaction entre les intervenants => On veut ici donner des outils logiciels pour limiter ces problèmes



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Les outils logiciels doivent permettre de répondre aux questions du développeur et présenter différentes caractéristiques :

Modèles à nombre de paramètres d’entrée

réduitModèles avancés

Intégration :

Le dispositif peut-il valider les spécifications demandées ?

La commande synthétisée est-elle robuste ?

Comment utiliser les données constructeurs, les résultats de

simulations éléments finis et rendre compte des mesures ?

Synthèse ou conception préliminaire :

Le dispositif peut-il respecter le cahier des charges (points

nominaux ou profil de missions) aux niveaux efforts

et vitesses (puissance) ?

Objectifs Produit


Dimensionnement en puissance

Estimation des performances limites


Spécification des composants



Quels outils de simulation ?

Simulation inverse acausale

sur un profil de mission (Effort, vitesse fonction du temps) imposé au niveau de la charge.

Simulation directe causale

Evaluation des modes propres et influence des raideurs de la

transmission ou de l’accrochage

Vérification des performances en boucle fermée



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Génération des macro

modèles

Besoins Produits


Conception préliminaire :

spécification des composants



Prototype virtuel

Partenaires C6E2 – WP2 sur ce cycle

Cahier des charges du cas

test

Modèles analytiques de dimensionnem

ent moteur Obtention de la géométrie pour éléments finis

Messier et LGMT-INSA

LGMT-INSA

LAPLACE-N7CEDRAT

LG2LAB-ENSIEGLGMT-INSA

LAPLACE-N7

Messier et LGMT-INSANiveau fonctionnel

Niveau 1D – modele Network (Modelica)

1D verts 3D (géométrie)Géométrie vers Eléments Finis

3D vers 1D fin

Niveau 1D fin

Niveau fonctionnel



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Une simulation nécessite de nombreux paramètres

paramètres de simulation , par ex. : inertie, raideur, constante de temps thermique, …

Le concepteur veut balayer rapidement un grand choix de solutions et voudrait éviter de chercher ces paramètres de simulation.

il préférerait travailler en terme de paramètres de définition, par ex. : couple nominal, vitesse, rapport de réduction, …

A l’issues de ces simulations, le concepteur veut également valider le choix des composants et comparer différentes architectures.

évaluation de variables dimensionnantes, par ex. : TRMS (moteurs électriques), TRMC (réducteurs),…

et de paramètres de comparaison, par ex. masse

Modèles très simples obtenus par des lois de

similitude (loi d’échelle).

Paramétrage de ces lois sur des gammes de

dispositifs industriels

Optimisation de la masse, de la consommation, …

et sélection d’architectures

actionneurs électriques

réducteurs mécaniques

Conception préliminaire : modèles



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C6E2 : état d’avancement INSA ToulouseObjectifs :Réaliser des modèles qui permettrait de créer une librairie de conception préliminaire de systèmes d’actionnement électromécanique comprenant notamment :- un bloc moteur générique - des blocs de transmissions mécaniques

Ces blocs seront construits autour de modèles simples avec un nombre réduit de paramètres à rentrer :- Utilisation de loi d’échelle pour obtenir des modèles prédictifs

Travail réalisé en grande partieRéalisation d’un programme Matlab utilisant ces modèles pour réaliser du dimensionnement automatique

- Modèles à bilan de puissance nulle (sortie puissance thermique) et bilan d’effort nuls (sortie d’ancrage) pour aider à spécifier certaines caractéristiques importantes

Début d’étude en causal sous AMESim, premières briques

- Utilisation de la simulation inverse ModelicaLibrairie en cours de réalisation


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DESIGN PROBLEMATICDESIGN PROBLEMATIC

PROPOSED APPROACH (2)

• Modular Approach:– Modules of components (sizing, simulation)– Architecture: combination of component modules– Sizing wave

Compo-nent 1

Compo-nent 2

Compo-nent 3

Compo-nent 4

Compo-nent 5

DesignExplorer

Reduction ratio N

Mass AnalysisArchitecture comparison

Mass opt. architectureStorage Analysis results

Mission cycle

Archit-ecture 1

Comp-onents Masses

Σ

MassMass obj.

Power sizing

Mission cycle


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DESIGN PROBLEMATICDESIGN PROBLEMATIC

PROPOSED APPROACH (3)

• Module of components:– Sizing variables– Definition parameters– Simulation parameters

– Simulation model– Considering internal energetic losses– Comparison parameters

Sizing variables

Component mission cycle

T(t), F(t)

[θ(t),ω(t),γ(t)]

Life Time

Lh

Tmax, Fmax

Trms, Ttherm

Tfat, Ffat

Tsizing Fsizing Scaling

Laws

Simulation parameters

J, K, τth,ŋ

Simulation model

T(t), F(t)

Lh

[θ(t),ω(t),γ(t)]

Next component mission cycle

Life Time

Definition parameters N, Lead

Comparison parameters M

Verify component validity range


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POWER SIZING MODULES (examples)POWER SIZING MODULES (examples)

Mechanical Component: Roller-Screw• Principle:

– Rotation of a screw leading to a movement of translation of a nut. Nut based on rollers around the screw. End bearings maintain the roller-screw in position.

– Reduction ratio given by the lead (mm/rev) of the screw.

Nut

End bearings

Screw

Picture from SKF website


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Mechanical Component: Roller-Screw• Scaling Laws

– Constant maximum constraint in the material.– Homothetic geometrical variation– Screw dimension, lead efficiencies– Course, nut and bearing lengths screw length and mass

2

5*

* FJ

23** FM

21** Fl

1*max σ

2** lF

***max SFσ


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Mechanical Component: Roller-Screw

• Roller screw module:– Sizing variables– Definition parameters– Simulation parameters

– Comparison parameters– Simulation model– Incl. internal energetic losses

Sizing variables


F(t)

[x(t),v(t),α(t)]

Life Time

Lh

Fmax

Feq.,fat

Fsizing Scaling Laws


J, ŋ

T(t)

Lh

[θ(t),ω(t),γ(t)]


Life Time

Definition parameters Lead

Comparison parameter M

Verify lead angle and Fsizing ranges


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Electric Component: Annular Brushless Motor (PM)

• General Description– Typical architecture for annular permanent magnet motor.– high number of poles + higher torque density, - lower speed

T (Nm)

0 n (rpm)

Cont. torque

Trans. torque

Picture from “Comparaison du couple massique de diverses architectures de machines tournantes synchrones à aimants”, B. MULTON, H. BEN AHMED, M. RUELLAN, G. ROBIN


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• Scaling Laws:– Homothetic scaling, constant induction– Iron losses function of motor speed– Constant max heat power dissipation PJ+Pf=Plosses

– Number of poles increasing with the motor size


4**** lBJC 2/1** lJ

5,3** lC

3*** lfPb

fer

stalljfer PP@maxΩ@

)/1(**maxΩ bbl

bstallnomCC )Ω/Ω(1)Ω( max,

2** lM

4** lJ

BJrdVC

dVJρPj2

Jfer PP **

2*3*2** . llJPj

blf

1**

**max

* .Ω lf

TMBO210-050 ETEL


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• Annular brushless motor module:– Sizing variables– Definition parameters– Simulation parameters

– Comparison parameters– Simulation model– Incl. internal energetic losses

Sizing variables


T(t)

[θ(t),ω(t),γ(t)]

Tmax

Trms,Tth

Tsizing Scaling Laws


J, τth, ŋ

Comparison parameter M

Pel(t)


T

0 n

Verify Tsizing range and motor capacity in speed-torque plan


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TEST CASETEST CASE

• Nose gear steering system– Scaled to regional range commercial aircrafts

• Mission profile• 3 electromechanical candidate architectures

Nose Gear Steering System

Servo-hydraulic jack


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TEST CASETEST CASE

• Results:– In-house prototype developped within a Matlab environment– Variation of total mass as function of transmition ratio for each

architecture Mass optimization Architecture comparison

Nose Gear Steering System

Architecture AArchitecture CArchitecture B



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Publication

• M. Budinger, J. Liscouët, S. Orieux, J.-C. Maré, « Automated Preliminary Sizing of Electromechanical Actuator Archtiectures », ELECTRIMACS, Québec, Canada, June 2008.

• …



page 23

Librairie MODELICA

Contenu :

• Les lois d’échelles• L’évaluation de variables dimensionnantes• Les modèles à bilan nul d’effort et de puissance

Dans une librairie de conception préliminaire

A tester en inverse et directe

Etat actuel d’avancement : premières briques (moteur, réducteur, embrayage) et premiers essais de simulation



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LOAD

DC brushless motor

Gearbox

Clutch

Spur gear

Librairie de conception préliminaire

Profil de mission

position

couplePremières briques sous modelica :



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Profil de mission

position

coupleUn réducteur Cyclo Sumitomo CF :Paramètres de définition : Couple nominalParamètre de référence : couple nominal, l’inertie, masse Paramètres de simulation : inertie, masse

Un moteur cylindrique Brushless Danaher BH 626 :Paramètres de définition : Couple nominalParamètres de référence : Couple maximal, couple nominal, inertie, constante de temps thermiqueParamètre de simulation : Inertie, Constante de temps thermique

Un embrayage Telecomec GDF à dents :Paramètres de définition : Couple nominaleParamètre de référence : couple maximal a la sortie

de l’embrayage, l’inertie, masse de référence pour le réducteur. Paramètres de simulation : l’inertie de l’embrayage, masse de l’embrayage.

Paramètres des composants Modelica



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Exemple de résultatsPour un réducteur :

Couple RMC (fatigue)

Couple dimensionnant

Le dimensionnement se fait composant par composant en remontant la chaîne d’actionnement de la charge vers le moteur.

Pour chaque composant une première simulation permet de calculer la grandeurs dimensionnante.

L’utilisateur entre ensuite cette valeur comme paramètre de définition et peut continuer pour le composant suivant.



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Bilan nul d’efforts et de puissance

Pour le prototype virtuel, il est intéressant :- De pouvoir tenir des pertes à partir des grandeurs constructeurs et des frottements correspondants- De pouvoir tenir compte des modes de résonances provenant notement de la souplesse des accrochages

=> Influence sur l’asservissement et les performances en boucle fermée



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moteur

embrayage

Reducteur Cylo Drive

tube

tournant

roue

mo

teu

r

reducteur

tube

tournant

Vis à rouleaux

Cré

mai

llèr

e

pignon

Deux cas tests

Développement de 5 modèles de composant :- Vis à rouleaux- Réducteur CycloDrive- Roue et vis sans fin- Crémaillère- Embrayage



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Iecrou

Ivis

Mecro

u

Mvis

Port antiRotation

de l’écrou

Port de fixation de la vis

Mvis + Mecrou

Port thermique

Bilan puissance

)θsgn(E p µπd

)θsgn(E πµd p

2

d ET

m

mm

Port rotation

Port translation

frottement de Coulomb + Stribeck + VisqueuxIdentification de six paramètres

Expérimentation

Calage sur les courbes de rendements constructeurs

Vis à rouleaux

Roue et vis sans fin



page 30

Iecrou

Ivis

Mecro

u

Mvis

Port antiRotation

de l’écrou


Mvis + Mecrou

Port thermique

Bilan puissance

Port rotation

Port translation

Raideur dépendantedu mode de fixation de la visde la position de l’écrou

Intégration éventuelle du jeu

Mvis + Mecrou

Pertes mécanique Chaleur

Vis à rouleaux




page 31

Iecrou

Ivis

Mecro

u

Mvis

Port antiRotation

de l’écrou


Mvis + Mecrou

Port thermique

Bilan puissance

Port rotation

Port translation

Modèle existant déjà sous AmesimParamètres calés

expérimentalement

En cours d’intégration sous Amesim / Modelica

Vis à rouleaux




page 32

Icorps

Ir

Port antiRotation

Mtotale

Port thermique

Port rotationArbre rapide

Port rotation

arbre lentIl

Réducteur CycloDrive

Raideur dépendante du couple de sortieIntégration éventuelle du jeu.

Pertes mécanique réparties sur l’entrée et la sortie Chaleur

Mtotale




page 33

Icorps

Ir

Port antiRotation

Mtotale

Port thermique

Port rotationArbre rapide

Port rotation

arbre lent

Modèle physique en cours de développementRécupération de données expérimentales possibleModèle certainement générique pour d’autres types de

réducteur

Il



Documents

C6E2, Toulouse, 25 juin 2008 135 avenue de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4 – Tel : 05.61.55.97.02 – Fax : 05.61.55.97.00 - page