"Elaboration et application d'une approche multidisciplinaire pour la conception d'un actionneur électrique à rotor sphérique" Dehez, Bruno Abstract Depuis ses débuts, la conception des convertisseurs électromécaniques se limitait à l'optimisation, par l'électrotechnicien, de la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique. Cette énergie, alors fournie sous la forme quasi exclusive d'un mouvement à un seul degré de liberté, le plus souvent rotatif, devait ensuite être adaptée, par les mécaniciens, aux besoins du système à actionner. Aujourd'hui, grâce aux évolutions récentes dans des domaines aussi variés que l'électronique de puissance, l'informatique ou encore la conception et la fabrication assistées par ordinateur, il est devenu possible de concevoir de nouveaux actionneurs directement en fonction des besoins des applications auxquelles ils sont destinés. Ainsi, des actionneurs pouvant posséder plusieurs degrés de liberté, tant en rotation qu'en translation, ont été développés. Dans ce contexte, cette thèse poursuit deux objectifs. Le premier est de proposer une démarche de conception... Document type : Thèse (Dissertation) Référence bibliographique Dehez, Bruno. Elaboration et application d'une approche multidisciplinaire pour la conception d'un actionneur électrique à rotor sphérique. Prom. : Raucent, Benoît ; Grenier, Damien Available at: http://hdl.handle.net/2078.1/5193 [Downloaded 2016/06/24 at 23:03:24 ]
CONCLUSION L'objectif initial de ce travail était de concevoir un actionneur électrique original tant par la forme de son rotor, sphérique, que par le nombre de degrés de liberté motorisés, deux sur les trois degrés de liberté que possède une sphère en rotation. Pour mener à bien cette étude, mêlant intimement des aspects électriques et mécaniques, nous avons dû recourir à une démarche de conception adaptée par nos soins aux problèmes multidisciplinaires. En effet, les méthodes classiques ne prennent pas explicitement en compte les différentes disciplines pouvant intervenir dans un projet de conception. Appliquées telles quelles, elles risquent alors de dévier vers une conception découplée où la solution finale est obtenue en combinant, pour chacune des disciplines, les concepts les plus intéressants. Etant donné les interactions existant entre les disciplines, la solution ainsi obtenue peut ne pas être la meilleure, les optimums locaux ne formant pas un optimum global. 1. La démarche Rappelons, au travers de la conception de l'actionneur sphérique, les grandes étapes constituant cette démarche de conception. Partant du problème initial, nous avons tout d'abord cherché à clarifier la tâche en mettant en évidence les spécifications auxquelles devait satisfaire l'actionneur. Reprises sous forme structurée dans le cahier des charges, nous les avons ensuite analysées en vue d'établir la structure fonctionnelle du problème. Deux fonctions principales ont ainsi pu être mises en évidence via cette analyse fonctionnelle : l'actionnement, propre à l'électricité, et le guidage, lié à la mécanique. A ce stade, nous avons également décomposé la fonction d'actionnement en deux sous-parties plus élémentaires : le rotor et le stator qui doit l'entraîner. 245
246 CONCLUSION Sans restriction aucune, hormis sur le principe d'actionnement 1, nous avons ensuite généré des solutions pour chacune des fonctions et sous-fonctions précédentes. Afin d'offrir une vision globale de l'ensemble des concepts produits durant cette étape, nous les avons organisés, par fonctions et sous-fonctions, dans un tableau morphologique. Etant donné la nature particulière de notre problème de conception, qui s'approche davantage de la recherche que du développement, nous avons dû faire précéder l'étape de combinaison d'une caractérisation des différents concepts. Cette tâche, absente de la méthode proposée à la base pour les problèmes de conception multidisciplinaire, nous a d'abord permis d'acquérir, au travers d'une série de grandeurs caractéristiques, des connaissances non disponibles des différentes solutions envisagées. Elle nous a aussi servi à écarter certaines solutions dont le principe n'était pas valide (p. ex. le guidage du rotor à l'aide de roues à galets doubles) ou dont certaines caractéristiques étaient éliminatoires eu égard aux spécifications du problème (p. ex. le guidage du rotor à l'aide de roues à galets simples). Suite à cette étude, nous avons mené conjointement les étapes de combinaison et d'évaluation en vue d'aboutir à une solution globale satisfaisant aux fonctions d'actionnement et de guidage. Ainsi, plutôt que de générer par combinaison une série de solutions globales pour les comparer ensuite sur base de critères d'évaluation, nous nous sommes servis de ces mêmes critères afin de définir une stratégie de combinaison. Bénéficiant des résultats du travail de caractérisation, celle-ci nous a permis de converger vers une solution considérée comme la plus intéressante au regard des critères d'évaluation. En confondant ces deux étapes, nous nous sommes quelque peu écartés de la démarche initialement prévue, risquant de passer à côté d'une combinaison qui aurait pu s'avérer, suite à l'évaluation, plus intéressante que toutes les autres. Nous justifions cette prise de risque par le nombre de combinaisons possibles et le travail considérable qu'il aurait fallu pour les évaluer et les comparer. La tâche aurait été d'autant plus lourde qu'il existe peu ou pas d'outils adaptés à l'étude de systèmes multidisciplinaires, en général. Les développements actuels de logiciels de modélisation électromagnétique et électromécanique, en particulier, devraient permettre une étude de plus en plus aisée d'ensembles intégrant des éléments électriques et mécaniques, rendant l'évaluation de toutes les possibilités de combinaison plus abordable. Cette solution globale, décrite suivant son principe, nous l'avons finalement étudié en détail jusqu'à en définir les matériaux, les dimensions ainsi que tout autres paramètres la caractérisant. Le produit de cette phase ultime de la conception, le design 1 Concernant le principe d'actionnement, nous avons ici restreint notre étude à la conversion électromécanique par induction car elle nous semblait la plus prometteuse a priori, entre autres, grâce à la possibilité de travailler sur un rotor isotrope et de commander le rotor sans capteur de position.
CONCLUSION 247 conceptuel, reprend toutes les informations nécessaires à la production de la solution finale, en ce compris les méthodes de fabrication préconisées. Pour mener à bien les différentes étapes de cette conception, en particulier celles de caractérisation, mais aussi celles de combinaison, d'évaluation et de design de détail, nous avons dû réaliser une série d'études de détails destinées, soit à valider, soit à caractériser les concepts de solution avancés. Nous avons ainsi procédé à quelques modélisations, dont une modélisation électromagnétique de l'actionneur. Celle-ci nous a permis d'observer l'influence de paramètres tels que la forme des encoches statoriques, le type de rotor, les matériaux, les dimensions, sur le rendement de conversion de l'actionneur. De même, nous avons dû recourir à l'expérimentation afin d'approfondir l'étude de certaines solutions. Pour les paliers à billes, par exemple, nous avons conçu et fabriqué un banc d'essai spécifique destiné à mesurer, pour différentes conditions de mise en charge, la puissance absorbée par ces derniers. Enfin, l'objectif final étant de pouvoir fabriquer un prototype de la solution globale retenue, nous avons également investigué des méthodes de fabrication permettant de produire chacun des concepts. Dans certains cas, nous les avons même mises en pratique pour produire l'un ou l'autre prototype mécanique ou électrique. Entre autres, nous avons testé et mis au point une méthode permettant de façonner la couche externe des rotors à deux couches par emboutissage de tôles. 2. La solution La solution retenue au terme du processus de conception intègre les concepts lui permettant de satisfaire au mieux, compte tenu des différents critères pris en compte, les deux fonctions principales que sont l'actionnement et le guidage du rotor sphérique. Concernant l'actionnement, le stator combine des inducteurs à un et deux degrés de liberté en vue de maximiser le recouvrement (la couverture) du rotor, et par conséquent, le couple généré. Pour des facilités de fabrication, essentiellement, le circuit magnétique de ces inducteurs est formé d'un matériau massif dans lequel sont pratiquées des encoches droites. Les bobinages insérés dans ces encoches sont, pour leur part, constitués de fil de Litz. Quant au rotor, il est scindé en deux couches, une couche intérieure ferromagnétique faiblement conductrice et une couche extérieure amagnétique conductrice. Cette dernière est traversée par une multitude de dents, elles aussi ferromagnétiques et
248 CONCLUSION faiblement conductrices, légèrement évasées au niveau de l'entrefer. Tous les matériaux, magnétiques ou conducteurs, ont été choisis massifs tant pour leurs performances que pour leur facilité de mise en œuvre. Concernant le guidage, il est réalisé par des paliers aérostatiques directement intégrés aux inducteurs formant le stator. L'avantage de cette solution est triple. Tout d'abord, elle permet d'exploiter l'entièreté de l'espace disponible au rotor à la fois pour l'actionnement et pour le guidage. Ensuite, elle permet d'atteindre des entrefers plus faibles, et donc, de meilleures performances. Enfin, elle assure un refroidissement par convection forcée des inducteurs et du rotor. Les courants injectés dans les inducteurs, et par conséquent, la puissance massique de l'actionneur peuvent être augmentés. La solution globale complètement caractérisée à la suite du design de détail, nous avons fabriqué et testé un prototype en vue de valider nos principaux choix. La phase de fabrication, bien que fastidieuse, n'a pas révélé de réels problèmes. Nous avons juste pu constater un décollement, au niveau des dents statoriques, de la résine utilisée pour former la surface active des paliers aérostatiques. Ce défaut, dû à un manque d'adhérence de la résine sur le métal, pourrait toutefois être corrigé en changeant de résine ou en appliquant un traitement de surface approprié sur la surface des dents statoriques. Les tests, pour leur part, nous ont permis de valider, sur le principe, la structure générale de l'actionneur. Elle nous a également servi à évaluer ses performances, et en particulier, son rendement électrique. Sur ce point, les résultats obtenus peuvent paraître assez décevants. Après une analyse plus approfondie, le faible rendement exhibé par le prototype semble cependant essentiellement imputable au type de matériau constituant le circuit magnétique du stator. Le choix d'un matériau massif au détriment de tôles, lui-même motivé par le choix d'un procédé de fabrication adapté au prototypage ou aux petites séries, s'avère bien plus désastreux, au niveau du rendement, que nous ne le prévoyions. En effet, les pertes fer, et dans une moindre mesure, les pertes par hystérésis qui en résultent, sont telles qu'elles absorbent la quasi-totalité de la puissance électrique fournie au stator. Cette analyse a également permis de confirmer le gain significatif de performance apporté par l'utilisation d'une structure rotorique composée d'une couche interne ferromagnétique et d'une couche externe conductrice traversée par une série de dents elles aussi ferromagnétiques, solution originale selon nous, relativement à une structure identique mais sans dent.
CONCLUSION 249 Bien que fonctionnel, le système de guidage présente quant à lui une consommation élevée que nous attribuons essentiellement au manque d'approfondissement apporté tant à son design qu'à son dimensionnement. 3. Les perspectives En terme de démarche, il serait intéressant d'intégrer une méthode plus systématique et rigoureuse pour mener à bien les étapes de combinaison et d'optimisation. Le formalisme de Suh [SUH-90], qui tente de relier de manière matricielle les paramètres de design des solutions et les fonctions que celles-ci doivent remplir, pourrait servir de base à une telle méthode [FERRIERE-98]. En outre, il serait également intéressant de valider la démarche de conception proposée sur d'autres problèmes multidisciplinaires pour lesquels, par exemple, les interactions entre les différentes disciplines sont plus fortes et plus difficiles à mettre en évidence. En terme de solution, les performances électriques de l'actionneur pourraient être significativement accrues en opérant d'autres choix, principalement au niveau du stator : l'utilisation de tôles, ou tout au moins, d'un matériau magnétique plus doux, pour former le circuit magnétique statorique, l'usage de fils classiques pour constituer les bobinages, le recours à des ouvertures d'encoches réduites, La mise en œuvre de ces solutions, et en particulier celle de tôles, suppose néanmoins le développement d'un outillage spécifique à la fois lourd, coûteux, et par conséquent, irréaliste dans le cadre d'une recherche doctorale. D'un point de vue économique, ce développement ne pourrait donc s'avérer intéressant que dans le cadre d'une production de moyennes ou de grandes séries. Cette mise en œuvre nécessiterait également de remettre en cause le choix des autres éléments constituant la solution globale. Cette remise en cause, portant spécifiquement sur les paliers, pourrait tout aussi bien être motivée par les rendements envisageables, supérieures à 50%, ou les éventuelles difficultés d'intégration des paliers aérostatiques entre les tôles du stator. Elle ne pourrait s'envisager, enfin, que sur la base d'une structure complètement optimisée, entre autres, au niveau de la taille et de la forme des dents statoriques et rotoriques ainsi qu'au niveau de l'étalement des bobinages statoriques. Or, les outils de modélisation nécessaires pour mener à bien cette optimisation manquent encore. Les logiciels commerciaux de calcul de champ par éléments finis sont encore incapables de prendre en compte le mouvement de rotation d'une sphère. Leur développement et leur adaptation aux besoins spécifiques des actionnements à induction constitueront donc un préalable à la poursuite du travail. Au niveau mécanique, les performances du système de guidage devraient pouvoir, elles aussi, être améliorées en apportant davantage de soin à son étude.
250 CONCLUSION 4. Les possibilités de valorisation Au-delà du niveau actuel de performance, les possibilités de valorisation industrielle de l'actionneur que nous avons développé sont variées. Il pourrait par exemple remplacer avantageusement les roues universelles mécaniques utilisées sur la plateforme omnimobile ROLLMOBS (cf. Introduction) ou encore servir comme élément d'un module de distribution et de réorientation au sein d'un convoyeur industriel (cf. infra). Toutefois, peu fréquentes sont les applications nécessitant une motorisation du rotor sphérique suivant deux degrés de liberté. Parmi celles-ci, nous pouvons citer celle d'un tapis omnimobile (Fig. c.1) permettant à une personne de se déplacer librement tout en maintenant cette dernière au centre du tapis et dans une direction déterminée. Une première solution, simpliste, consisterait à utiliser trois roues universelles (Fig. c.1), électriques ou mécaniques, actionnée suivant les axes 1, 2 et 3. Le principal défaut de cette solution réside dans le risque de formation de plis à proximité de ces roues. Ce risque, lié à la souplesse du tapis et aux frottements des roues dans les directions "restées" libres (1', 2' et 3'), survient par exemple lors d'un mouvement dans la direction X. Dans ce cas, en effet, le tapis est poussé par les roues II et III vers la roue I qui est passive dans cette direction. La seule solution consiste alors à activer les axes 1', 2' et 3', autrement dit, à utiliser des roues possédant deux degrés de liberté motorisés. 3' 3 III 2' I X Y II 2 1 1' Plis du tapis Fig. c.1. Illustration du tapis omnidirectionnel Utilisée comme roue universelle sur une plate-forme omnimobile, l'actionneur ne requiert pas une motorisation suivant deux degrés de liberté. Au contraire, afin d'éviter un suractionnement et les difficultés de contrôle qui y sont associées, seul un des trois degrés de liberté devrait être motorisé. Si l'actionneur développé ne répond pas directement à cette spécification, les études et les concepts proposés dans le cadre de ce travail peuvent être aisément exploités et étendus au cas d'un actionneur sphérique motorisé suivant un degré de liberté. Une
CONCLUSION 251 solution pourrait ainsi consister à ne conserver, au stator, qu'un seul inducteur à un degré de liberté. Son nombre de paire de pôles serait multiplié, et son ouverture angulaire élargie, afin de maximiser la couverture du rotor (Fig. c.2). Le rotor et le système de guidage pourraient, pour leur part, rester inchangés. Circuit magnétique statorique Rotor Bobinages inducteurs Fig. c.2. Actionneur sphérique motorisé suivant un degré de liberté Cet actionneur pourrait trouver des applications dans des domaines autres que celui de la robotique mobile. Citions, à titre d'exemple, le convoyage industriel. Dans le cadre de l'automatisation des chaînes de production, la fonction de convoyage devient en effet de plus en plus importante et complexe. Les convoyeurs actuels doivent ainsi être capables, outre le simple fait de transporter les produits d'un point à l'autre : - de répartir les produits sur l'un ou l'autre convoyeur en fonction de leur destination ; - de réorienter les produits en vue de les présenter correctement pour être redirigés ou pour être pris en charge par une station de traitement. Un seul et même module, composé de trois actionneurs sphériques, pourrait remplir ces deux fonctions, soit pour gérer un carrefour entre plusieurs convoyeurs (Fig. c.3), soit pour faire pivoter des palettes convoyées face à une station d'emballage (Fig. c.4). Fig. c.3. Module servant à la gestion d'un carrefour de quatre convoyeurs Cette dernière application permet d'éviter les opérations de manutention normalement nécessaires pour transférer les palettes entre le convoyeur et une poste d'emballage séparé et équipé de son propre plateau tournant.
252 CONCLUSION -a- Arrivée de la palette -b- Rotation de la palette -c- Départ de la palette Fig. c.4. Module servant à la mise en rotation d'une palette face à une station d'emballage De la même manière, ce travail pourrait servir au développement d'un actionneur sphérique motorisé suivant ses trois degrés de liberté. Formé de plusieurs inducteurs à deux degrés de liberté, ce dernier pourrait par exemple être utilisé comme roue inertielle pour le contrôle de l'attitude des satellites. 5. Les apports scientifiques et technologiques Les apports scientifiques et technologiques de ce travail peuvent être distingués en deux catégories. La première porte sur la méthode de conception. A ce point de vue nous avons : - montré l'existence de deux types de problèmes multidisciplinaires, les uns pouvant être approchés par une démarche classique de conception, les autres nécessitant, pour garantir la qualité du produit, de recourir à une démarche prenant explicitement en compte les différentes disciplines y intervenant ; - proposé, sur base des méthodes classiques, et plus particulièrement celle de Phal et Beitz, une démarche de conception spécifique aux problèmes du second type ; - distingué, au niveau de cette démarche de conception, le cas d'une recherche de celui d'un développement ; - appliqué à la conception d'un actionneur sphérique à deux degrés de liberté la démarche propre aux problèmes de recherche. La seconde concerne les résultats engrangés au cours et au terme de l'application de cette démarche à la conception d'un actionneur sphérique à deux degrés de liberté. A ce point de vue, nous avons : - généré une série de concepts, certains originaux, tant pour l'actionnement électromagnétique directe par induction d'une sphère que pour son guidage ; - réalisé une série d'études théoriques et expérimentales en vue de les caractériser ;
CONCLUSION 253 - discuté des techniques envisageables pour leur fabrication ; - comparé et combiné ces concepts en vue de produire la solution présentant les meilleures performances possibles compte tenu de quelques contraintes technologiques et de fabrication ; - dimensionné, fabriqué et validé cette solution ; - analysé ses performances en vue de retirer les principales pistes permettant de les améliorer. Dans son ensemble, l'étude menée au niveau de l'actionneur a montré que, pour autant qu'une production en moyenne ou grande série puisse être envisagée, le développement d'actionneurs sphériques à induction était tout à fait pertinent.
254 CONCLUSION