Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section de génie électrique et électronique, Institut de production et robotique IPR (Laboratoire d'actionneurs intégrés LAI)

Méthodologie de conception et optimisation d'actionneurs intégrés sans fer

Stefanini, Igor ; Perriard, Yves (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3643.

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    Summary
    The growing demand for new technologies in several fields : recreation, medicine, transport, telecommunications and the space industry, etc. is increasingly related to the field of the management, transformation and use of electric power. In this domain, the development of no-ferromagnetic integrated electromechanical actuators finds wide application and thus implies an usefulness over a large diversity of geometries. The absence of ferromagnetic materials does not allow for quick determination of an equivalent electromagnetic circuit for this type of actuator. The interaction of the magnetic induction fields produces phenomenas like the skin effect and the proximity effect which degrade its performance. In such circumstances, there is a compromise to be made between the analytical model's complexity and the precision of the results. Often, a modeling based on numerical approaches, which uses finite element methods, is the best adapted approach. Nevertheless, this type of analysis requires much experience and in particular, the parameterization of the actuator specifications and the exploitation of such a model in the optimized design is not very practical and requires considerable computing time. The use of discretized analytical models constitutes a good compromise between the degree of complexity and the model's correspondence to reality. Accordingly, in this thesis, we propose a suite of discretized analytical models allowing for the design and the optimization of this type of actuator. The development of a general rule to determine the optimal discretization step allows an arbitration between computing time, degree of complexity, and the precision of the results. The identification and the validation of the analytical models describing the skin and proximity effects have made it possible to improve the computation of self-inductance and winding resistance. The development of a design and optimization methodology for this type of actuator permits each application to be optimized in a systematic and efficient way, by proposing one or more possible solutions with their advantages and their disadvantages. Two distinct applications were conceived and optimized adopting this design methodology : the Montrac® system and the Iglus® system. In the Montrac® project, it was a question of modifying the power system of a modular assembly line. This system is composed of a fixed track with motorized shuttles for use in a clean room environment. The replacement of the electrical contacts by a contactless energy transmission system was dimensioned and optimized in order to guarantee an operation compatible with the requirements of the above mentioned environment. In the Iglus® project, a subcutaneous biomedical actuator for glycemic level detection, with the aim of measuring the glucose level of diabetes patients was optimized. The measurements and results from these two applications, made it possible to confirm the validity of the models expounded in this thesis.
    Résumé
    La croissante demande de nouvelles technologies dans plusieurs domaines tels que les loisirs, la médecine, les transports, les communications, le spatial, etc. est de plus en plus strictement liée au domaine de la gestion, de la transformation et de l'utilisation de l'énergie électrique. Le développement d'actionneurs intégrés électromécaniques dans des milieux non-ferromagnétiques trouve dans ces tâches un domaine applicatif très vaste, impliquant ainsi une grande diversité dans leurs géométries. L'absence de matériaux ferromagnétiques ne permet pas une détermination rapide d'un circuit électromagnétique équivalent pour ce type d'actionneurs. L'interaction des champs d'induction magnétiques produit des phénomènes comme l'effet pelliculaire et l'effet de proximité qui dégradent ses performances. Dans de telles circonstances, une modélisation analytique demande beaucoup de compromis entre complexité du modèle analytique et précision des résultats. Le plus souvent une modélisation basée sur des approches numériques de type éléments finis est l'approche la mieux adaptée. Néanmoins, ce type d'analyse demande beaucoup d'expérience notamment dans la paramétrisation des grandeurs constituant l'actionneur et l'exploitation d'un tel modèle dans la conception optimisée demeure peu pratique, nécessitant un temps de calcul non négligeable. L'utilisation de modèles analytiques discrétisés constitue un bon compromis entre degré de complexité et fidélité à la réalité. Dans cette optique, nous proposons dans cette thèse un ensemble de modèles analytiques discrétisés permettant la conception et l'optimisation de ce type d'actionneurs. Le développement d'une règle générale pour déterminer le pas de discrétisation optimal à employer permet un arbitrage entre temps de calcul, degré de complexité et précision du résultat. L'identification et la validation des modèles analytiques décrivant les effets pelliculaire et de proximité ont permis d'améliorer le calcul de l'inductance propre et de la résistance d'enroulement. Le développement d'une méthodologie de conception et d'optimisation de ce type d'actionneur permet d'analyser de façon systématique et performante chaque application, proposant une ou plusieurs solutions envisageables avec leurs avantages et leurs inconvénients. Deux applications distinctes ont été conçues et optimisées adoptant cette méthodologie de conception et l'ensemble de ces modèles : le système Montrac® et le système Iglus®. Dans le projet Montrac®, il s'agissait de modifier le système d'alimentation d'une ligne d'assemblage modulaire pour l'adapter à l'utilisation en salle blanche. Ce système est composé d'un monorail où prennent place des navettes automotrices. Le remplacement des contacts électriques par un système de transmission d'énergie sans contact a été dimensionné et optimisé afin de garantir un fonctionnement compatible avec les exigences des milieux précités. Dans le projet Iglus®, il s'agissait de réaliser un actionneur biomédical sous-cutané pour la détection du taux glycémique dans le but de mesurer le taux de glucose des patients souffrant de diabète. Les mesures effectuées sur ces deux applications, ont permis de confirmer la validité des modèles proposés dans cette thèse.