Etude des effets non-linéaires et des pertes dans les moteurs ultrasonores : introduction au problème de couplage mécanique entre les voies

= Study of nonlinear effects and tosses in ultrasonic motors : introduction to mechanical coupling problem between electrical inputs

• Auteur / Autrice : Hervé Frayssignes
• Direction : Roland Briot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Piézoélectricité

Transducteurs

Résumé

Le principe de fonctionnement des moteurs ultrasonores ou piézomoteurs à onde progressive repose sur l’exploitation des mouvements vibratoires d’une structure élastique (stator) susceptible d’entraîner par friction une partie mobile (rotor). Les vibrations du stator sont obtenues par des actionneurs piézoélectriques judicieusement alimentés générant ainsi deux ondes stationnaires. La combinaison de celles-ci permet de générer une onde de flexion parcourant le stator. Il n’existe pas actuellement de méthode vraiment pertinente permettant la conception et le dimensionnement de piézomoteurs. Les pertes dans les matériaux et aux interfaces ainsi que les non-linéarités qui apparaissent sous haut niveau de sollicitation dans les transducteurs piézoélectriques constituent des limites à la réalisation de piézomoteurs performants. Les principaux éléments nécessaires à la compréhension des phénomènes puis une description du principe de fonctionnement de quelques structures de moteurs ultrasonores à onde progressive sont rassemblés au début de ce mémoire. L’étude suivante aborde la conception de nouvelles structures de piézomoteurs de grand diamètre mettant en œuvre deux approches complémentaires : l’étude analytique et la simulation par éléments finis validées par la réalisation de plusieurs maquettes d’étude. La limitation des performances obtenues sur les structures précédentes amène à étudier les pertes et les effets non linéaires dans les matériaux actifs. Les phénomènes de couplage mécanique entre les deux voies d’alimentation et en liaison avec la structure statorique sont ensuite abordés et décrits sous la forme de schémas électromécaniques équivalents. Les descriptions des comportements sont basées sur des analogies électromécaniques. Plusieurs structures de piézomoteurs sont ainsi comparées en terme de non-linéarités et de couplage.

The working principle of progressive wave type ultrasonic motors or piezomotors is based on the use of the vibratory motion of an elastic structure (stator) able to drive a moving piece (rotor). Stator vibrations are obtained with piezoelectric actuators judiciously supplied for generating two stationary waves. Their combination create a travelling flexural wave on the stator surface. No really pertinent method exist for both conception and size definition of piezomotors. Materials and interface contacts losses, nonlinearities which appear at high solicitation level in piezoelectric transducers act upon piezomotors performances. Main elements required for phenomena understanding and description of the working principle of some travelling wave type of ultrasonic motors are collected at the beginning of the thesis. Then the study deals with the conception of new structures with big diameter by using two complementary approaches : an analytical study and a finite elements analysis validated thanks to the realisation of prototypes. The performances limits obtained on the previous structures lead to study in the next chapter, the losses and nonlinear effects in active material. Mechanical coupling phenomena between inputs through the stator are describes and carried out using electromechanical circuits. Behaviours descriptions are based on electromechanical analogies. Several structures of piezomotors are compared through the nonlinearities and coupling effects.