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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Lire la première partie de la thèse ? Introduction générale ? Chapitre 1 : Utilisations de vibrations dans des systèmes actuels ? Chapitre 2 : Physique du frottement sec

  • moteurs asynchrones

  • technologie d'actionneur adaptee

  • actionneurs piezoelectriques

  • vitesse de deformation relative

  • systeme de cames supplementaires

  • large panel de technologies d'actionneurs

  • problemes de refroidissement des chemises


Publié le : mardi 19 juin 2012
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Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 162
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Lire la première partie de la thèse
Introduction générale
Chapitre 1 : Utilisations de vibrations dans des systèmes actuels
Chapitre 2 : Physique du frottement sec
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Chapitre 3 : La lubrification électroactive : Contrôle du frottement par contact actif
Chapitre 4
Les actionneurs piézoélectriques
197
198
4.1
Introduction
4. Les actionneurs piézoélectriques
Le moteur de la lubrification active est selon nos hypothèses l’introduction de vibrations au sein même du contact et du processus de friction. La génération de ces vibrations peut provenir de différentes technologies. Mécaniquement, par des systèmes de cames rotatives ou grâce à des balourds montés sur des excentriques, des vibrations mécaniques de fortes amplitudes sont réalisables. La taille des dispositifs vibrant est souvent conséquente et complexe à l’instar d’un système de distribution d’un moteur thermique. Nous pourrions envisager un système de cames supplémentaires disposées sur les flancs de la chemise 4.1. Une came latérale viendrait taper contre la chemise et activer la lubrification active. 1 Cependant, les vitesses de rotation mécaniques exigées (100 000tr.min) sont difficilement faisables et posent des problèmes de refroidissement des chemises.
Fig.4.1 – Activation du contact par came mécanique.
Les actionneurs électriques offrent de très bonnes aptitudes à la conversion d’énergie. L’acheminement de l’énergie est beaucoup plus flexible que pour une transmission mécanique. Sa transformation est statique, plus aisée et très peu volumineuse. Nous avons choisi dans notre étude de recourir aux actionneurs électroactifs et particulièrement les actionneurs piézoélectriques. Nous mettons alors en œuvre unelubrification électroactive.
Ce chapitre permet de justifier l’emploi de céramiques piézoélectriques. Ensuite, nous expliciterons les points fondamentaux pour un dimensionnement adapté des actionneurs et de leur alimentation. Enfin, nous entamerons une réflexion sur l’in tégration de notre dispositif dans une monoplace de Formule 1 et ses répercutions.
4.2.
4.2
Choix d’une technologie d’actionneur adaptée
Choix tée
d’une
technologie
d’actionneur
199
adap
Parmi le large panel de technologies d’actionneurs, nous avons à déterminer laquelle est la plus apte à répondre au cahier des charges défini par notre modé lisation de lubrification active. Les actionneurs électromagnétiques représentent à eux seuls la plus grande partie des actionneurs actuellement utilisés. La forte eme recherche et les développements dont ils furent l’objet depuis le début deXX siècle ont permis une réduction des coûts et une augmentation des performances impressionnantes. Même pour des actionnements spécifiques et particuliers, comme des mouvements allerretour ou à fraction angulaire comme des essuies glaces, les constructeurs font appel à des moteurs rotatifs associés à des mécanismes de transformation du mouvement (bielle/manivelle,...). Le développement de structures pensées directement pour simplifier ou pour s’intégrer à la fonction reste marginal car beaucoup plus chère que l’utilisation de composants génériques (moteurs asynchrones ou synchrones à aimants permanents).
D’après la figure 4.2, nous pouvons faire un tri parmi les diverses solutions disponibles de nos jours [Nog05, Jen98]. La contrainte spécifique représente la
3 10
2 10
)1 10
M P0a 10
1000 MW/m3
100 MW/m3 −1 10Ceramique piezoelectrique PZT Ceramique magnetostrictive 10 MW/m3 PVDF −2 10 P(VDF−TrFE) Fibre piezo−composite 1 MW/m3 −3AMF E10ort spécifique ( Moteur a onde progressive Turboalternateur 1500MW −4 Micromoteur a effet electrique 10 Actionneur hydraulique Muscle biologique −5 10 −2 −1 0 1 2 3 4 10 10 10 10 10 10 10 1 ˙ Vitesse de déformation relativeS(s) Fig.4.2 – Courbe effort spécifique (M P a) en fonction de la vitesse de déformation 1 ˙ relativeS(s) pour différentes classes d’actionneurs électriques [Nog05, Nog].
capacité d’une technologie à développer des efforts pour un volume donné (la contrainte limite développée au sein du matériau). La vitesse de déformation relative représente la rapidité à laquelle un actionneur peut se déformer ramené v à son encombrement i.e. . Elle est le produit de la pulsation (ω= 2πf) par L ˙ la déformation relative (Sen ppm). Le produit de ces deux grandeurs donne la
200
4. Les actionneurs piézoélectriques
puissance volumique théorique. La figure 4.3 représente la puissance volumique que peuvent développer les différentes technologies. Les alimentations associées ne
Fig.4.3 – Comparaison énergétique des différentes [Max].
technologies
d’actionneurs
sont pas prises en compte ici. Dans le cadre de notre étude, nous avons besoin d’efforts de plus de 1 000N, à des fréquences de vibration de plusieurs dizaines de kilohertz et dans un volume de l’ordre du décimètre cube. La zone concernée se 1 situe alors pour des vitesses de déformation relatives de 10 à 1 000spour des efforts de 1 000Nen considérant des actionneurs centimétriques. La puissance 3 volumique est alors de 1 000M W.m. Ce chiffre pharaonique est à relativiser au vu des volumes des parties actives réduites.
Des technologies sont exclues d’office comme les actionneurs hydrauliques à puissance volumique élevée mais trop lents ou les moteurs électromagnétiques rapides mais trop encombrants. Nous retiendrons alors les céramiques piézoélec triques ou magnétostrictives. Les composites ou film PVD sont exclus à cause de leur fragilité pour l’application visée. Les céramiques électrostrictives sont aussi des candidats potentiels. Nous allons détailler les avantages et les inconvénients de ces trois candidats :
Les actionneurs électrostrictifs. L’électrostriction est un phénomène de couplage entre champ électriqueEet déformée d’ordre 2 i.e. les contraintes dépendent du carré de l’intensité du champ électrique. Ce couplage est observé dans des céramiques artificielles de type PMN (plomb, magnésium et niobium). Les performances de ces matériaux sont légèrement inférieures à celles des céramiques piézoélectriques. Les déformations peuvent atteindre
4.3. La piézoélectricité
201
1 1 000ppmpour des champs électriques de 1 000 à 2 000V.m. Ces céra miques présentent une orientation spontanée des dipôles, elles ne sont pas polarisées. De fait, leurs dérives au cours du temps est beaucoup plus faible que pour des composés PZT et elles présentent un hystérésis moins marqué (pas de champ coercitif). Leur point faible est leur tenue à la température qui impose de travailler à des températures ambiantes (T >40 ˚C). De ce fait, elles ne sont pas adaptées à notre cahier des charges.
Les actionneurs magnétostrictifs. La magnétostriction est un phéno mène de couplage d’ordre 2 entre champ magnétique et contraintes. Ces matériaux sont des composés synthétiques à base de terres rares comme le TerfernolD. Les matériaux à déformée géante permettent de générer des déformations de plus de 2 000ppmen quasi statique et des forces élevées de quelques milliers de newtons. Sensibles au champ magnétique, ces céramiques se pilotent en courant contrairement aux céramiques PZT ou PMN. Les matériaux magnétostrictifs possèdent des non linéarités dans leurs déformations. L’application d’une précontrainte permet de les ”polariser” et d’obtenir un caractère linéaire sur une certaine gamme d’effort. Ainsi leur mise en application nécessite un système de contrainte élastique (vis ou ressort) associé à une contrainte magnétique par l’intermédiaire d’aimants permanent insérés dans le montage (polarisation magnétique statique). La création d’un champ magnétique fort nécessite aussi une architecture bobinée encombrante et proche de l’actionneur. Ainsi le volume de l’actionneur est relativement important comparé aux céramiques PZT. Leur intégration au sein de dispositifs en est moins aisée. Leur alimentation doit être permanente pour assurer un fonctionnement quasi statique.
Les actionneurs piézoélectriques. Cette classe d’actionneur repose sur des matériaux offrant un couplage électromécanique. L’effet piézoélectrique se traduit par un couplage linéaire entre le champ électriqueEau sein du matériau et la contrainte. Nous avons choisi cette technologie de part les performances des matériaux, le faible encombrement de leur alimentation et leur haut pouvoir d’intégration. Pour une application embarquée, ils constituent alors le meilleur choix.
Nous allons dans la suite de ce chapitre détailler l’origine de l’effet piézoélectrique, donner les équations analytiques qui permettent de dimensionner les actionneurs ainsi que les topologies d’alimentation associées qu’il faut mettre en œuvre.
4.3
La piézoélectricité
Afin de comprendre, caractériser et modéliser le phénomène de piézoélectricité, une première partie propose de rappeler l’origine de la piézoélectricité. Puis nous caractériserons l’effet piézoélectrique par ses modes de couplage et ses propriétés. Nous expliciterons par la suite, une méthode capable de modéliser le comportement
202
des actionneurs piézoélectriques. générées au sein du matériau et influence de l’environnement.
4. Les actionneurs piézoélectriques
Nous terminerons aux difficultés de
enfin, par l’analyse des pertes mise en œuvre : non linéarité,
4.3.1 L’origine de la piézoélectricité 1 Découvert en 1880 par les frères Curie , le phénomène de la piézoélectricité est la propriété qu’ont certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique (effet direct) et inversement soumis à un champ électrique, le matériau se déforme (effet inverse). Cependant il a fallu attendre l’avènement des matériaux piézoélectriques performants tels que les céramiques PZT dans les années 80 pour que ce phénomène soit exploité à sa juste mesure dans la génération d’actionneurs piézoélectriques performants.
Le phénomène de piézoélectricité s’observe naturellement dans des cristaux de quartz. En l’absence de déformation, le cristal reste électriquement neutre. Sous l’effet d’une action mécanique, un dipôle électrique apparâıt dans chaque maille du matériau par déplacement des barycentres des charges positives et négatives. L’application d’une action mécanique sur une des faces d’un échantillon piézoélectrique fait rompre son équilibre électrostatique naturel et provoque l’apparition d’un champ électrique à ses bornes. La somme des champs électriques élémentaires donne alors naissance à un champ électrique macroscopique. Les matériaux piézoélectriques sont capables de générer des charges électriques sur 2 certaines faces de l’échantillon sous l’effet d’une contrainte mécanique extérieure (quelles que soient les contraintes internes propres au matériau existant avant la présence de l’effort extérieur). Cet effet est appelé effet piézoélectrique direct et est utilisé dans la fabrication de capteurs de force, de pression, d’accélération et autres. Inversement, quand une tension électrique est appliquée aux bornes de deux faces opposées, le champ électrique produit provoque l’apparition d’une contrainte mécanique (qui se traduit par une variation de forme si l’échantillon est libre ou d’une force si l’échantillon est encastré). Cette propriété est appelée effet piézoélectrique inverse. Cet effet est utilisé pour les oscillateurs à quartz hautes fréquences ou pour fabriquer des actionneurs comme des sonars ou des résonateurs.
La piézoélectricité peut aussi être induite dans certains matériaux ferroélec triques. Les cristaux ferroélectriques possèdent un moment dipolaire électrique même en l’absence d’un champ électrique extérieur. La dissymétrie naturelle des barycentres électriques de la maille cristalline provoque une polarisation locale du matériau. Naturellement, le matériau s’organise en domaines polarisés mais aléatoi rement distribués, de sorte que, la polarisation globale ou macroscopique soit nulle (cf. figure 4.4). En présence d’un champ électrique extérieur, chaque domaine tend à s’aligner dans la direction du champ et déforme la structure cristalline. La somme des petites déformations provoque une déformation macroscopique, c’est l’effet in
1 Le découvreur de cette propriété est Pierre Curie bien que le premier à avoir observé ce phénomène soit l’abbé René Just Haüy (17431822). 2 3 Un quartz de 1cmsoumis à une force de 2 000Npeut produire environ 12 000V.
4.3. La piézoélectricité
Fig.4.4 – Structure cristalline d’un cristal ferroélectrique.
203
verse.Pouraugmenterlesperformances,cesmatériauxsontprépolarisésdefa¸con à privilégier un axe de dissymétrie en l’absence de champ électrique extérieur.
4.3.2 Les matériaux piézoélectriques Nous pouvons recenser parmi les matériaux offrant un effet piézoélectrique :
Le quartzou dioxyde de silicium (SiO2). Il est présent dans la nature sous forme de cristal. Dans le passé, les quartz naturels ont été utilisés pour construire des transducteurs, mais ses inclusions et ses impuretés inévitables ne permettaient pas d’obtenir une sensibilité constante d’un transducteur à un autre dans les productions de série. En conséquence, il y a maintenant des procédures artificielles de croissance de cristaux de quartz qui permettent l’obtention d’une bien meilleure pureté, donnant ainsi des transducteurs d’une sensibilité uniforme. La technique de croissance des cristaux est en tout point comparable à la méthode de fabrication des galettes de silicium (waffer) nécessaires à la fabrication des puces électroniques. Bien que les matériaux naturels soient doués de propriétés de piézoélectricité (quartz SiO2, sel de seignette...), les performances atteintes, acceptables pour des applications de type ” capteur ” ne sont pas compatibles avec les objectifs liés à leur mise en œuvre en conversion d’énergie (les polarisations spontanées associées aux domaines de ces monocristaux étant initialement orientées de manière aléatoire, la sensibilité globale d’un échantillon n’est pas optimum).
Les céramiques piézoélectriques. Ces céramiques n’existent pas à l’état naturel. Elles apparaissent au cours des années 50 pour la construction de sonars. Ces céramiques ferroélectriques de la famille cristalline des pérovs kites (ABO3) sont obtenues par frittage (les monocristaux élémentaires sont soudés entre eux par le procédé de frittage comme présenté sur la
204
4. Les actionneurs piézoélectriques
figure 4.5). L’application d’un champ électrique intense visant à aligner
Fig.4.5 – Cycle de fabrication des céramiques PZT par voie solide [Riz99].Les cé ramiques sont fabriquées dans des formes géométriques simples (barreaux, disques, anneaux, coques,...) par des procédés de frittage de poudres mélangées à un liant. La céramique simplement frittée est constituée de microcristaux élémentaires ferro électriques et doués d’une polarisation spontanée. Cet agrégat désordonné présente un moment dipolaire nul à l’échelle macroscopique. En soumettant la céramiqu aunchampsélectriqueintense,nousobètenonsunalignementdesmomentsélémentaires dans la direction du champ appliqué. Après cette étape, la céramique est piézoélectrique.
les polarisations des microcristaux élémentaires (opération de polarisation) permet d’introduire l’anisotropie nécessaire à l’existence de la piézoélectricité 1 (champ de polarisation de 4kV.mm˚à une température de 100 C). Typi quement le frittage d’oxyde ou de sels de plomb, de zirconium et de titane, permet la réalisation de la famille très performante des céramiques PZT (les titanozirconates de plombP b(ZrT i)O3). Ces céramiques sont très versatiles : leurs caractéristiques physiques, chimiques et piézoélectriques peuvent être ajustées à toutes les applications. Elles sont rigides et peuvent être produites sous n’importe quelle taille ou forme. Elles offrent l’avantage d’être chimiquement inertes et insensibles aux conditions atmosphériques. Ces céramiques peuvent générer des contraintes de l’ordre de 40M P aavec des déformées relatives de 1 000 à 2 000ppm.
Comparés au quartz, ces composés font apparâıtre des caractéristiques piézo électriques dont l’ordre de grandeur est cent fois supérieur en termes de quantité de charge apparue ramenée à l’effort appliqué. Nous parlons alors d’une plus grande ” 1 sensibilité ”, constante caractéristique du matériau exprimé enpC.N. En outre ces matériaux présentent l’avantage d’avoir une température de Curie relativement élevée (300 à 350 ˚C). Les céramiques PZT sont principalement exploitées dans le
4.3.
La piézoélectricité
Type de céramique 121 d33(×10C.N) 12 2 s33(×10m .N) Coefficient de couplagek33
PC4 (dure) 287 14.7 0.71
PC4D (dure) 335 14.4 0.67
PC5 (douce) 409 17.2 0.67
205
PC5H (douce) 620 21.9 0.72
Tab.4.1 – Caractéristiques de céramiques distribuées par la société Morgan elec troCeramics [mor].
domaine des ultrasons, pour répondre à des applications aussi variées que dans le domaine des fortes puissances (quelques kilowatts), le sonar, ou, dans des domaines de plus faibles puissances, les transducteurs à usage médical, les allumegaz, etc... Leur aptitude à la conversion d’énergie en fait naturellement aujourd’hui, le matériau de référence dans le domaine des actionneurs piézoélectriques. Il est important de noter que les applications de la piézoélectricité dans le domaine des actionneurs électromécaniques sont tributaires de matériaux synthétiques correspondants à des céramiques polycristallines ferroélectriques ou à des quartz synthétiques.
Il dites choix
existe sommairement deux familles : les céramiques dites ”douces” et celles ”dures”, selon la propension que présente le matériau à se dépolariser. Le du type de céramique s’effectue en fonction de l’application visée :
– Les matériaux ”doux” sont généralement utilisés pour les applications à bas niveau d’excitation, notamment comme détecteurs (hydrophones, sondes échographiques...). Ils présentent en effet des couplages électromécaniques et des permitivités élevées et offrent une large bande de réponse en fréquence. Cependant elles ont tendance à se dépolariser facilement à cause de leurs pertes importantes.
– Les applications de puissance (piézomoteurs, transducteurs pour nettoyage par ultrasons...) nécessitent l’utilisation de céramiques ”dures” pour leurs faibles pertes mécaniques et diélectriques.
A titre d’exemple le tableau 4.3.4 rassemble quelques caractéristiques de céramiques fournies par la société Morgan Electroceramics. Nous pouvons noter l’existence de films polymères piézoélectriques de type polyfluorure de vinilydène (PVF2 ou PVDF (CH2CF2)n) apparus sur le marché au début des années quatrevingt. Ils compensent des caractéristiques piézoélectriques moins intéressantes (facteur de couplage électromécanique allant de 0,2 à 0,3 et faible tension de claquage) par la faculté de pouvoir être découpés très facilement en des formes complexes. Les piézocomposites sont une autre forme de matériau piézoélectrique. Ils sont réalisés en mélangeant une poudre de céramiquepiézoélectriqueoudesbarreauxverticauxrépartisdefa¸conpériodique dans une matrice polymère. La matrice polymère permet une plus grande mobilité de la matière comparée aux céramiques massives. Les différentes caractéristiques
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