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Contribution au dimensionnement et à la réalisation d'actionneur piézoélectrique aéronautique

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N ordre: 2401

Anne 2006

THESEPrsente pour obtenir le diplme de DOCTEUR DE LINSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Spcialit: Gnie Electrique

Par

Wojciech SZLABOWICZDEA Gnie lectrique de lINPT

Contribution au dimensionnement et la ralisation d'actionneur pizolectrique rotation de mode fort couple pour applications aronautiques

Soutenue le 23 novembre 2006 devant le jury compos de: M. M. M. M. M. M. M. G. A. J. F. B. J. F. A. RONKOWSKI CAPOLINO MANCEAU NOGAREDE ROUCHON SAGANSAN Prsident Rapporteur Rapporteur Directeur de Thse Directeur Scientifique Invit

Thse prpare au Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle de l'ENSEEIHT Unit Mixte de Recherche N 5828 au CNRS

AVANT PROPOSLes travaux prsents dans ce mmoire ont t raliss au sein du Groupe de Recherche en Electrodynamique - GREM3 du Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industriel. Tout dabord, je tiens remercier Monsieur Bertrand NOGAREDE, Professeur lENSEEIHT, pour la confiance quil ma tmoign en maccueillant dans le groupe GREM3 et pour avoir mis ma disposition les moyens et les conseils ncessaires laboutissement de ce travail. Jadresse mes plus vifs remerciements Monsieur Jean-Franois ROUCHON, directeur scientifique de thse et matre de confrence lENSEEIHT, pour sa trs grande disponibilit pendant le priode de cette thse, pour laide amicale quil ma apporte. Il ma transmis un peu de son exprience du monde pizolectrique . Je tiens remercier les membres du jury pour avoir accept dexaminer ce travail: Monsieur le Professeur Mieczysaw RONKOWSKI, de lEcole Polytechnique de Gdansk pour lhonneur quil ma fait daccepter la prsidence de ce jury. Monsieur le Professeur Grard Andr CAPOLINO, de lUniversit de Picardie Jules Verne , pour avoir bien voulu assurer la charge de rapporteur de ce travail. Monsieur le Professeur Jean-Franois MANCEAU, du Laboratoire de Physique et Mtrologie des Oscillateurs Besanon, pour avoir bien voulu assurer la charge de rapporteur ce travail. Monsieur Alain SAGANSAN, de la socit Airbus France, pour avoir accept de participer ce jury.

Je souhaite aussi exprimer mes chaleureux remerciements: Tout particulirement, Dominique HARRIBEY, ingnieur de recherche CNRS, pour sa disponibilit et sa bonne humeur. La partie exprimentale doit normment son travail et son exprience dans la conception et la ralisation de dmonstrateurs pour le groupe; A Robert LARROCHE, adjoint technique au LEEI, pour les pices quil ma fabriqu; A Franois PIGAGE, matre de confrence l'ENSEEIHT, qui ma apport une aide inestimable pour la rdaction de mon manuscrit de thse, pour sa sympathie et ses conseils pour ma prsentation orale; A Lauric GARBUIO, doctorant vtran au LEEI, et accessoirement ferrailleur le week end, (parcourant les routes de gironde pour retaper les Alfa), pour sa sympathie et tous ses conseils concernant les actionneurs pizolectriques;

A lensemble du personnel scientifique, administratif et technique du laboratoire; Merci encore tous mes collgues doctorants du LEEI: les collges: Valentin COSTAN, Marcos GARCIA, Gianluca POSTIGLIONE, Cdric BAUMMAN, Rafael DIEZ, Mathieu COUDERC, Christophe VIGUIER, Nicolas MARTINEZ, Ali ABDALLAH ALI, Bayram TOUNSI, Marcus FERREIRA DE SOUSA, Anne-Marie LIENHARDT, Martin BLODT et Jrme FAUCHER, pour les moments sympathiques qu'on a partags au cours de ces annes; plus gnralement, tous les doctorants que j'ai ctoys, trop nombreux pour tre tous cits ici

Je souhaite remercier particulirement Christophe CONILH, ami et doctorant au LEEI, pour sa sympathie et les moments sympathiques qu'on a partags. Un jour il ma aid de prendre une dcision difficile mais tout fait bonne. Je tiens remercier plus particulirement Marc CASTELLARIN, ami toulousain, qui ma apport une aide inestimable pendant mon sjour en France, pour sa sympathie, ses plaisanteries et tous ses conseils. Chciabym szczeglnie podzikowa moim rodzicom, za ich wielkie wsparcie podczas moich studiw w Gdasku, a pniej doktoratu w Tuluzie. Mamo, Tato mam nadziej, e speniem Wasze oczekiwania. Dzikuj rwnie moim teciom - Iwonie i Ryszardowi - za ich cenne porady, wsparcie oraz wyrozumiao, w koncu to z mojego powodu ich dzieci wyjechay do Tuluzy. Na koniec, szczeglne podzikowania dla mojej ony Katarzyny, ktra przyjechaa dla mnie do Tuluzy i wspieraa mnie z caych si przez cay okres doktoratu. Kocham Ci...

A Kasia, ma femme...

RESUME

Titre de la thse: Contribution au dimensionnement et la ralisation dactionneur pizolectrique rotation de mode fort couple pour application aronautique

Rsum: La prsente recherche sinscrit dans le cadre de travaux sur les Commandes de Vol de Futur (march COVAN) de la socit AIRBUS France. Si lintrt potentiel des moteurs pizolectriques dans les applications avions de forte puissance a t prcdemment dmontr, lobjectif gnral de ltude est maintenant de concrtiser sur le plan applicatif lintroduction de cette technologie. L'tude porte donc sur la conception, la ralisation et la caractrisation d'un actionneur pizolectrique rotation de mode double rotor, ainsi que de son alimentation lectronique ddie, en vue d'une application pour Trim de palonnier. Les performances obtenues montrent l'intrt de cette solution technologique vis--vis du couple massique obtenu d'environ 8 N.m/kg trs pris pour les applications embarques.

Mots cls: Pizolectricit Structure rsonnante Onde progressive Moteur rotation de mode Couple massique Aronautique

ABSTRACT

Thesis title: Contribution to the design and building of a high torque rotation-mode piezoelectric motor for aeronautic applications

Abstract: The presented research work is a part of AIRBUS France Company project "Future Flight Control (COVAN). The research work results, obtained in the in field of high power piezoelectric motors, have pointed out that these motors have potentially high possibilities in the future special applications. Therefore, the main aim of the presented research work is the implantation problem of electroactive materials technology to building the high power piezoelectric motors, dedicated to specific applications. This research work describes the design, building-up and performance characteristics of the high torque piezoelectric actuator with a double rotor of rotation-mode. Moreover, since the motor is dedicated to the trim servodrive application, a conception and design of a supply system has also been presented. The obtained motor performance characteristics have proved advantages of the chosen technology, i.e., featuring with a high torque/mass ratio, equal approximately to 8N.m/kg. This high torque/mass ratio is required for the motor in the embedded applications.

Key words: Piezoelectricity Resonant structure Travelling wave Rotation-mode motor Torque/mass ratio Aeronautic

STRESZCZENIE

Tytu rozprawy doktorskiej: Przyczynek do projektowania i budowy piezoelektrycznego aktuatora momentowego o modulowanym ruchu obrotowym przeznaczonego do zastosowa w aeronautyce

Streszczenie: Rozprawa doktorska zostaa wykonana w ramach realizacji projektu firmy AIRBUS France "Przyszociowe Sterowanie Lotem" (COVAN). Dotychczasowe wyniki bada w zakresie silnikw piezoelektrycznych duej mocy, wskazuj na ich potencjalnie due moliwoci w przyszych zastosowaniach specjalnych. Zatem, gwnym przedmiotem niniejszej rozprawy jest zagadnienie implementacji technologii materiaw elektroaktywnych do budowy silnikw piezoelektrycznych duej mocy, przeznaczonych do konkretnych zastosowa. Zakres bada rozprawy doktorskiej obejmuje koncepcj, budow i charakterystyki aktuatora momentowego o modulowanym ruchu obrotowym z podwjnym rotorem. Ponadto, ze wzgldu na zastosowanie silnika w serwonapdzie pooenia statecznika pionowego samolotu, przedstawiono koncepcj i budow ukadu zasilania silnika. Parametry badanego silnika potwierdzaj zalety zastosowanego rozwizania technologicznego, charakteryzujcego si wysokim wspczynnikiem wykorzystania materiaw. Uzyskany stosunek momentu do masy, rwny 8N.m/kg, spenia wymagania stawiane silnikom momentowym, ktre przeznaczone s do wbudowania.

Sowa kluczowe: Piezoelektryczno Struktura rezonansowa Fala wdrujca Aktuator momentowy o modulowanym ruchu obrotowym Wspczynnik wykorzystania moment/masa Aeronautyka

SOMMAIREINTRODUCTION GENERALE CHAPITRE 1: MOTEURS PIEZOELECTRIQUES: PRINCIPE ET STRUCTURES DACTIONNEURS FORT COUPLE 1.1 Introduction 1.2 Conversion lectromcanique directe de lnergie par effet pizolectrique 1.2.1 Phnomne de pizolectricit 1.2.2 Equations de la pizolectricit 1.2.3 Couplage lectromcanique dans les cramiques PZT 1.3 Principe de fonctionnement des actionneurs pizolectriques 1.3.1 Une double conversion dnergie 1.4 Actionneurs pizolectriques onde progressive 1.4.1 Principe du moteur annulaire 1.4.2 Principe du moteur rotation de mode 1.4.3 Vitesse thorique du rotor 1.4.3.1 Contact linique 1.4.3.2 Contact surfacique 1.4.3.3 Vitesse moyenne de rotation du rotor 1.4.4 Proprits gnrales des moteurs pizolectriques onde progressive 1.4.5 Modlisation lectrique dun stator de moteur onde progressive 1.5 Actionneurs quasi-statiques 1.5.1 Principe du moteur quasi-statique 1.5.2 Transmission des efforts linterface rotor/stator 1.5.2.1 Entranement par frottement 1.5.2.2 Entranement par obstacle (microdentures) 1.6 Diffrentes structures dactionneurs pizolectriques possibles pour applications fort couple 1.6.1 Analyse des cahiers des charges 1.6.2 Exemple dactionneur pizolectrique de trs fort couple 1.6.2.1 Moteur Haute Puissance SAGEM 1.6.3 Description du systme de TRIM 1.6.3.1 Caractristiques de lactionneur de Trim A340 1.6.4 Structures envisageables 1.6.4.1 Structures mono ou multi-actionneurs 1.6.4.2 Actionneur de TRIM palonnier 1.6.4.3 Comparaison entre lactionneur annulaire et rotation de mode 1.7 Conclusion CHAPITRE 2: MODELISATION ET CONCEPTION

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