back arrow construct  dernière mise à jour: 12-06-06   construct

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Moteurs et actuateurs piézoélectriques

Principe de fonctionnement
Caractéristiques
Quelques applications
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Principe de fonctionnement

Lorsqu’on soumet certains matériaux non conducteurs à une contrainte mécanique, un champ électrique apparaît entre leurs faces. Cet effet est appelé la piézoélectricité directe. Le champ électrique est créé par la séparation, suite à la déformation, des centre de charge positives et négatives. Inversement, sous un champ électrique imposé, ces matériaux se déforment (légèrement, de l'odre de 1 pour 1000). Les matériaux piézoélectriques sont, par exemple, le BaTiO3 (titanate de baryum, élément naturel) ou les céramiques PZT (Zirconate, Titanate de Plomb, céramiques artificielles). Lorsque ces éléments subissent un champ électrique variable dans le temps, ils se mettent à vibrer avec la même fréquence que celui-ci. Pour certaines fréquences bien déterminées, les éléments piézo entrent en résonance. Leur déformation peut alors être bien plus grande (quelques micromètres) que leur déformation statique.


Illustration du principe de piézoélectricité directe: la déformation causée par l'effort
de compression génère une séparation des centres des charges positives
et négatives; d'où l'apparition d'un champ électrique.

Pour fabriquer un moteur piézoélectrique à onde progressive, on colle un anneau de céramique PZT sour une structure métallique, annulaire également. On excite ces céramiques à l'aide d'un champ variable à une fréquence de quelques dizaines de kHz, correspondant à un des modes propres de flexion de l'assemblage statorique. Les vibrations se transmettent alors à l'anneau qui se met à vibrer. En combinant correctement 2 vibrations sinusoïdales déphasées de 90° dans le temps et d'un quart de longueur d’onde dans l’espace (au niveau de l'excitation des céramiques), on arrive à créer une onde progressive au sein de ce stator. Physiquement, cette onde est comparable à la propagation d'une vague.


Vue éclatée des différents composants d'un moteur à onde progressive.

Cette onde progressive, se propageant dans l'anneau statorique, impose à chaque point de celui-ci une trajectoire elliptique comme illustré sur le schéma ci-dessous. En posant un disque libre en rotation sur le stator vibrant, il est entraîné dans un mouvement de rotation opposé à la gropagation de l'onde grâce au contact avec les crêtes des "vagues" du stator. On obtient finalement un mouvement de rotation continu à partir d'une vibration piézoélectrique à haute fréquence. La modélisation permet de visualiser le comportement du stator excité par les piézocéramiques. Les "dents" présentes sur le stator permettent d'amplifier le mouvement d'entraînement sans rigidifier le stator ainsi que d'éliminer les particules d'usure issues du frottement entre le stator et le rotor.

illustration du mouvement elliptique
Représentation de l'entraînement du rotor par les crêtes de l'onde progressive.

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Caractéristiques

Avantages
Par rapport à un moteur classique de même taille (DC, quelques watts):
  • La puissance massique est potentiellement plus élevée;
  • La vitesse de sortie est faible et le couple élevé, plus besoin de réducteur (+ petit et + léger);
  • Le niveau de bruit est très faible voir nul (vibrations ultrasonores);
  • La réactivité est de l'ordre de la milliseconde (au lieu de quelques centaines de ms);
  • A l’arrêt, le moteur est naturellement bloqué sans consommer d’énergie grâce à la pression du rotor sur le stator;
  • Il n’y a aucun risque de perturbation électromagnétique;
  • Le moteur est de fabrication simple;
  • Son design est très flexible, il peut s’intégrer au cœur même du mécanisme (voir ci-dessous).
Inconvénients
  • La faible durée de vie (2000h) due à l’usure de l’interface de friction;
  • Le coût élevé (développement, fabrication des céramiques, nouvelle technologie);
  • L’alimentation électrique complexe (contrôle et concordance des 2 voies);
  • Le rendement énergétique faible (10-25%) dû aux pertes dans la céramique piézo et lors de l’entraînement par friction;
  • Le besoin d’une source électrique à haute fréquence.

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Quelques Applications

Microrobotique: De petits moteurs et actionneurs peuvent être conçus pour des applications de robotique ne nécessitant pas une grande puissance mais une grande précision et un poids limité.
piezomotor suédoismoteur sphérique
Montres: Un micromoteur pour date a été développé par la firme Seiko. Ce système permet d'actionner l'affichage de la date et donc de gérer le nombre de jours dans le mois en cours (28, 29, 30 ou 31). Il s'agit d'un des plus petit moteur intégré actuellement. Son diamètre est de 4mm!
moteur seiko pour date  montre équipée du piézomoteur
Auto focus: L'intégration au sein même du mécanisme est un avantage indéniable des moteurs à onde progressive. Leur géométrie annulaire permet l'utilisation de l'espace intérieur pour le maintien d'instrument (ici la lentille d'un appareil photo). On peut imaginer le passage de fils (commande, alimentation,...) de tubes (refroidissement, lubrification,...), de mécanismes plus complexes,...
emplacement du moteur canon dans l'objectif  moteur canon
Automobile: Les applications automobiles ne sont pas encore largement développées. Cependant, on peut imaginer qu'à l'avenir, les piézomoteurs actionneront les vitres, sièges, ouvertures centralisées, écrans mobiles, vannes,... Une application récente qui devrait se concrétiser dans les prochaines années est l'injection directe d'essence par un moteur linéaire combinant haute pression (200bar) et grande vitesse (0,2ms).
La nouvelle architecture du système d'injection directe par Siemens VDO. L'injecteur pulvérise le carburant très près de la bougie.  Avec la Deka VII, la pulvérisation du carburant est
très fine et précise.
MEM's: Les "Micro Electro Mechanical Systems" sont des mécanismes dont la taille avoisine le micromètre. Ces mécanismes nécessitent également des moteurs. La miniaturisation des moteurs électromagnétiques étant impossible à cette échelle, il faut se rabattre sur d'autres technologies telles que les moteurs électrostatiques ou... piézoélectriques.
MEM's
Et bientôt… Un nombre très important d'applications nécessitent des mouvements précis, rapides, "propres" (pas de pollutions électromagnétiques) et silencieux tout en limitant l'encombrement et le poids. Les moteurs piézoélectriques sont une réponse possible à ces besoins. Voici quelques exemples supplémentaires d'applications potentielles: Motorisation de matériel médical; Positionneurs de précision pour microscope; Manipulateur de cartes à puce;...et tous les petits moteurs se trouvant dans nos appareils quotidiens (PC, voiture, électroménager,…)
comparaison classique-piézoélectrique

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Recherche, projets et collaborations logo alcatel logo LEEI logo ENSEEIHT logo INP



L’objectif de la recherche est d’acquérir des compétences dans la modélisation des moteurs piézoélectriques, d’en déterminer les limites d’utilisation dans les applications spatiales et d’être ainsi prêt à développer, par la suite, un moteur de nouvelle génération. La collaboration avec ALCATEL ALENIA SPACE ETCA dans le but de développer une application spatiale permet de concrétiser la recherche et de suivre un objectif précis. L'expérience du Laboratoire d'Electronique et d'Electrotechnique Industrielle de l'ENSEEIHT de Toulouse, acquise dans le domaine des moteurs piézoélectriques, nous guide via l'échange d'informations pratiques et techniques.



Modélisation de la propagation d'une onde progressive dans le stator.
Le stator est fixe, chaque dent décrit un mouvement elliptique,
l'onde se propage dans le stator, les crêtes (rouge) sont les points de contact
entre le stator et le rotor

Pour en revenir à l'application finale, l’exploitation de systèmes piézoélectriques (actuateurs ou moteurs) en lieu et place des systèmes électromécaniques actuels à bord des satellites doit apporter un gain en termes de poids, de volume, de simplification de commande électrique et par conséquent un gain en terme de coûts. Les applications sont nombreuses et on peut citer à titre d’exemple :
  • les moteurs pour déploiement des antennes de télécommunication
  • les moteurs pour l’orientation des panneaux solaires
  • les moteurs pour l’orientation des tuyères des moteurs de propulsion
  • les moteurs pour l’actionnement des volets de protection des instruments scientifiques

Un banc d'essais est en cours de réalisation. Il permettra de comparer et valider les résultats issus de la modélisation.

photo du banc d'essais
Banc d'essais réalisé à la FPMs.


Article présenté au National Congress on Theoretical and Applied Mechanics, May 29th-30th 2006 at the FPMs:
"Modelling of annular piezoelectric motors."


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Contacts

Promoteur : Prof. Ir. Enrico Filippi, chef du service de Génie Mécanique
+32 (0)65 374546 enrico.filippi@fpms.ac.be

Chercheur : Ir. Fabien Thielemans, assistant de recherche
+32 (0)65 374544 fabien.thielemans@fpms.ac.be