Actionneurs linéaires directs et indirects : performances limites

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1 D/0 Jounées du club EEA «Aion et électicité»,, mas 004 Actionneus linéaies diects et indiects : pefomances limites H. Ben Ahmed, B. Multon,, P.E. Caaec Systèmes et Applications des Technologies de l Infomation et de l Énegie (SATIE, UMR CNRS 809) ÉCOLE NORMALE SUPÉRIEURE de CACHAN Antenne de Betagne D/0 Intoduction Actionneus EM diects Couplages polaies Couplages factionnés Sommaie Actionneus EM indiects Actionneus électo-hydauliques Conclusion Jounées du club EEA «Aion et électicité»,, mas 004

2 D/0 Intoduction Domaines de pefomances attendues Puissance (kw) Poussée (kn) , Lanceus EM Pop.. magn Vitesse (m/s) Souce : A. Cassat all., LDIA 00 Conoyeus Outils Robotique domotique Aéonautique D4/0 Ω Intoduction Compaaison de # technologies Puissance olumique :.( ) S F = a λ F/S a [MPa] ba N/cm² Sa = pre =Ω λ P em 0,5. V F σ S t a Sa /l [s - ] Hyd F S a λ σt R e X F σ S n a f λ X m Souce : aticle TI de M. B. Nogaede EM

3 N b S p B fo K imoy Généalités Poussée moyenne : Fj ( x ) Aec : Wm j = x j W F= m B.nI F N k f0 max bsp imoy bobinage de puissance dw e : nb. total de bobines : section de flux pa pôle : densité de flux d excitation sous un un pôle : coeff. De fome couant : péiode mécanique de conesion dwm x dw e dw mec D5/0 bobinage d'excitation flux pa spie -nimax Φ fo énegie conetie su un cycle en couants sinus. + Φ fo énegie conetie su un cycle en céneaux de couant nimax ampèes-tous Souces d excitation D6/0 Souce d excitation Non-dissipatie Dissipatie Aimantation MS et MCC à AP *** Poduite Couant MS bobinée (supa) MCC et MS bobinées et MAS généalisée Souce : aticle TI de M. B. Nogaede Aimantation MRV pue Machine à hystéésis Induite Couant *** MAS à oto en CC

4 D7/0 Alimentation / couse Alimentation mono-pas : Χ déplacement couant temps Souce : ETEL Alimentation multi-pas : << Χ Cas déeloppé pa la suite Souce : F.G. Jacek, LDIA 00 D8/0 Suface d entefe F n non-compensé Pb. guidage Fottements Souce : LineaDies Souce : ETEL Mono-suface plane Mono-suface cylindique (tubulaie) Souce : Tilogy Bi-sufaces planes Souce : SATIE

5 D9/0 Composition du ail À ail actif À ail passif aimants Souce : Aeotech Coût couse Potection ail guidage plots Souce : Hennebege,, ICEM 996 D0/0 Degés de libeté du mouement Souce : Dos Santos, LDIA 00 Souce : LineaDies degé : tanslation (classique) degés : tanslation et otation Souce : Kahlen, Actuato 000 Souce : Ohsaki,, LDIA 00 degés : tanslations degés : otation axes

6 Type de bobinage Bobinage dans l entefe D/0 Faible inetie Gde dynamique Foce tansesale éduite Gde intégation mécanique Petes dans le CM éduites Refoidissement difficile Poussée éduite Souce : ETEL Bobinage dans les encoches D/0 Tajet du flux d entefe suface suface Flux tansesal Flux longitudinal Souce : SATIE Souce : SATIE

7 D/0 Couplages électomagnétiques Bobinage de puissance / (/( p ) = 4 classes de machines élémentaies Caactéistiques Bobinage de puissance épati centalisé Couplages polaies p Couplages factionnés << p classique Venie gosses dents ( ) p p p Venie petites dents ( ) Global ( ) s s p D4/0 ha Entaînement EM diects : Pefomances B Excitations bobinée ou pa aimants e If (nf) e log(be) bobinage aimant bobinage Be B. + e ha Si efoidissement sufacique : nfif α θmax. ρ Sth cu.s ( k ) b n B f I f e µ 0 e.5 l /e aimant log(l) n,5 f I f λ,5 ( ) () λ Be δ λ 0,5 e

8 D5/0 Entaînement EM diects : Pefomances Hypothèses : Poussée - fomalisme Matéiaux magn. en limite de satuation Pas d effet d encoches Stuctue tubulaie à aimants en suface Effets d extémité négligés Refoidissement sufacique : ( A α θ L.δ ) max ρ B.nI F N k f0 max bsp imoy. max Sth.Sb max kieff.. k N α θ ni b ρ λb R zone fe+cuie Stuctue généale tubulaie p l culasse extéieue h b culasse intéieue S th πr.λ Sb hbλk fc λ π h + b b S p πp h R. + b D6/0 Entaînement EM diects : Pefomances Poussée - fomalisme 0,5 p ( A. δ).b.. λ F K f. L f0 K.( A. ).B.. V F 0,5 f L f0 p δ a mode de couplage Kf kimoy.kieff F opt 0,5 kg.f op Fh= h Fh ( + h) ( + h ) =0,4 h opt h h h= b h=h opt h b R

9 D7/0 Entaînement EM diects : Pefomances Poussée olumique couplages polaies l R p h b p F λ 0,5 V F a aec : R l p K V F f a 0,5 0, 5.A (. δ).b. ( ) L f0 opt R h b min : pas d effet d échelle F l F/V indépendant de l Actionneu long ou multi-moteus moteus D8/0 Entaînement EM diects : Pefomances Poussée olumique couplages polaies F/Va (N/dm) opt 0 mm ( δ. AL) 50 0, 7 T B f0 k g 0,5 A²/mm 0 Va (dm) E+08

10 D9/0 Entaînement EM diects : Pefomances Poussée olumique couplages polaies T α Véification : EF/Optimisation B=T, α=0 W/m².K, θmax=00k, e= mm, Bsat=.6T Calcul du cycle de conesion FMM maximale Modèle themique dimensions actionneu Volume Jeu méc. Algoithme génétique Citèe : Foce MAX. Foce Foce optimale Actionneus mono-entefe cicuit magnétique entefe bobinage isolant aimants Foce olumique (N/dm^) Volume actif (dm^) D0/0 Entaînement EM diects : Pefomances Poussée olumique couplages factionnés p s p >> F K f. p λ 0,5 B ( A. δ) f0. λ L K V F f a.( A. δ) opt k e. e k p e.e aec : R 0,5 B p. f0 L. ke.e p + s p.f () 7 V F + a e e Effet d échelle > 0

11 D/0 Entaînement EM diects : Pefomances Poussée olumique couplages factionnés F/Va (N/dm) couplages factionnés optimisé V 6 a e e couplages polaies optimisé 0 Va (dm) E+07 E+08 4 Entaînement EM indiects : Pefomances Pefomances statiques D/0 F = C m. η t k k Ω t aec : t = V Moteu tounant cylindique classique à aimants en efoid. sufacique : p λ R C A.B. V m L f0 () λ, 5 F F V a 7.( k. η ) 6/ 7 t t Hos olume système de tansfomation

12 D/0 4 Entaînement EM indiects : Pefomances F/Va (N/dm) 0000 Pefomances statiques Va Volume tansmission! indiect polaie diect factionné F /7 50 diect polaie optimisé F (N) D4/0 4 Entaînement EM indiects : Pefomances Pefomances dynamiques C γ m max= M.J m ηt accéléation à couple donné V a M Couple à accéléation donnée k t M.J C m min= γ ηt Pou l entaînement indiect : Jm Cm Va () λ 5 () λ, 5 () λ p λ R + ( ). M Va γmax kt_opt γmax ( ) 5 4. M Hos olume système de tansfomation M J m. η t Pou l entaînement diect : V a = γ max.m Va = ( ) 7 6 γ 7 6. M max k t kt = Ω V : Couplage polaie : Couplage factionné

13 4 Entaînement EM indiects : Pefomances Pefomances dynamiques Va M D5/0 Va (dm) M=0 kg indiect polaie ,8 6 + diect polaie diect factionné γmax (m/s²) Cicuit magn. HF! 5 Entaînement électo-hydauliques Pefomances statiques intinsèques D6/0 F/V en N/lite pou une pession de 00 bas Poussée : σ = n : Pession (qlq( qlq.. 00 bas) S : Section piston ou tige F σn.s F σ = n υ X a υ a= S. X : olume de la chambe couse (cm)

14 5 Entaînement électo-hydauliques Pefomances dynamiques Chaîne complète : Moteu tounant : C. Ω m m C,5 m λ Pompe : moteu tounant Ωm éducteu Ωp Q = Q : débit (~000lites/min) S Q F. Cas d une pompe olumétique : υp= Ωp σnωp Réseoi : = F. η p On pend : con Ω m = λ R υ m υes.q. t 0 [ ] 6 5 F. t0 min pompe X éseoi υes F. σ n D7/0 actionneu hydaulique HP υ. X a F σ n efoidisseu BP (F.) et X faibles Actionneu tès compact chage D8/0 5 Entaînement électo-hydauliques Exemple Actionneu hydaulique Actionneu EHA (A0) Chage Moteu/pompe Fixation Accumulateu 0 kn, couse ~ 45 mm Vitesse ~ 0,04 m/s Souce : P.W. Weelle & all., EPE 00

15 D9/0 5 Entaînement électo-hydauliques Exemple Systèmes Cde de ol Désignation Aileon Di. pofondeu Bec / Volet Plan hoiz. églable Tain Aant d'attéissage Pincipal Ineseu Pote de poussée Cago Potes Tappes tain d'attéissage Couple [kn.m] Vitesse angulaie [ /s] à 0 0 à 40 max 0 à 40 à 5 60 à à 5 à 40 5 max.5 à 5 40 max à.5 60 max Caactéistiques 0 max Débattement [ ] 50 à 80 max 0 max 90 max 80 max 0 max 90 max 00 P.A. Robson,, EPE point d'ancage 50 0 kn, couse ~ 45 mm Vitesse ~ 0,04 m/s R50 espace disponible D0/0 6 Conclusion Entaînements EM synchones diects : Simplification de la chaîne de conesion Guidage, capteu position, éalisation CM, banc d essai, Couplage polaie (classique) : Pas d effet d échelle ~ 400 N/lite en conditions usuelles Indépendance de la longueu is à is de F/V optimal Couplage factionné : Effet d échelle F/V ~ V /6 ~ F /7 ( kn / 800 N/l) Cicuit magnétique HF ou actionneus tès basse itesse Entaînements EM synchones indiects : Appoche tès simplifiée Effet d échelle F/V < F /7 Éléments standads Système de tansfomation : olume, buit, usue, pécision, fiabilité, éesibilité A olume et masse chage donnés, limitation des accéléations Entaînements électo-hydauliques : Poussées spécifiques tès impotantes : actionneus tès compacts pou et X faibles Dynamiques mécaniques limitées

16 D/0 Compléments D/0 Intoduction Domaines de pefomances attendues Aéonautique Aéonautique Souce : A. Cassat all., LDIA 00

17 D/0 Entaînement EM diects : Pefomances Poussée effet du efoidissement 0, m² 0, m² LSM 5N/cm² 0, m² Modes de conection : NC : natuelle AC : focée AIR OC : focée HUILE WC: focée EAU N/cm² 0,6 m² LIM Souce : F.G. Jacek, LDIA 00 D4/0 Suface d entefe Multi-sufaces : polyentefes Souce : SATIE/Radio Énegie Multi-sufaces planes Multi-sufaces cylindiques Souce : SATIE