Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Programme doctoral Systèmes de production et Robotique, Institut de production et robotique IPR (Laboratoire d'actionneurs intégrés LAI)

Modeling and optimization of ultrasonic linear motors

Fernandez Lopez, José ; Perriard, Yves (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3665.

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    Summary
    Ultrasonic motors have received much attention these last years, in particular with regard to their modeling and their design principle. Their operating principle is based on piezoelectric ceramics that convert electrical energy into mechanical energy in the form of vibrations of an elastic body whose surface points perform an elliptic motion with a frequency in the ultrasonic range (≥ 20 kHz). The moving part, which is pressed against the vibrating body by a prestressing force, can move thanks to the friction forces presented at the interface between the stator (resonator) and the rotor (slider). Their specific properties make ultrasonic motors a very attractive solution for a direct transmission for different applications like precise positioning devices. Indeed, they present the possibility to obtain unlimited motions, high resolution and excellent dynamics of positioning. Then, it is obvious that ultrasonic motors could be used in new application fields, in particular to replace conventional electromagnetic motors. However, they have to overcome two principal difficulties: their efficiency is rather poor and they are often too expensive. Moreover, their use in the car industry or for the positioning of axes in machine tools for example requires driving forces and velocities higher than those which they currently present. Analytical modeling of such motors is not obvious and assumptions that are made are often too restrictive. This is why the use of a numerical modeling (3-D) is necessary to model the behavior of this type of motors. Thus, finite element simulations are used but they often require high computing times. To avoid it, the number of simulations can be decreased by choosing the input parameters (dimensions, materials, boundary conditions,...) more judiciously according to their influence on the output parameters. Thus, one can obtain the sensitivity of an input parameter on the value of the output parameter. With this intention, the application of design of experiments has been adopted in this thesis work. This methodology, applied to finite element simulations, is an innovative technique in the field of theoretical modeling of such motors. This methodology is particularly interesting in sight of predicting the results but also to find out an optimal set of input parameters for the motor. According to the results obtained and presented in this thesis work, the use of design of experiments in the field of ultrasonic motors modeling proves to be very promising and demonstrates to be a powerful tool. The application of the proposed methodology for the optimization of an ultrasonic linear motor used for the auto-focus function of the lens of an optical system also made it possible to show the validity and the potential of this optimization method.
    Résumé
    Les moteurs ultrasoniques ont fait l'objet ces dernières années de beaucoup de recherches, notamment en ce qui concerne leur modélisation et leur dimensionnement. Leur principe de fonctionnement est basé sur la conversion d'une énergie électrique en une énergie mécanique de vibration par l'intermédiaire de l'effet piézoélectrique inverse. La plupart du temps, la partie vibrante est excitée de telle sorte que les points à la surface de celle-ci décrivent une trajectoire elliptique à une fréquence dite ultrasonique (≥ 20 kHz). La partie mobile est pressée contre la partie vibrante à l'aide d'une force normale de telle sorte que grâce aux vibrations entretenues sur la partie vibrante, un déplacement continu (ou discontinu) de la partie mobile est obtenu à partir des forces de friction présentes dans la zone de contact. Leurs différentes propriétés font des moteurs ultrasoniques une solution très attrayante pour une transmission directe pour différentes applications comme les dispositifs de positionnement précis car ils remplissent à la fois des conditions de course illimitée, de haute résolution et de dynamique de positionnement excellentes. Il est alors évident que les moteurs ultrasoniques pourraient être utilisés dans de nouveaux domaines d'application, notamment en remplacement des moteurs électromagnétiques conventionnels. Pour ce faire, ils doivent surmonter deux difficultés principales: leur rendement est assez faible et ils sont souvent trop chers. De plus, leur utilisation dans l'industrie automobile ou le positionnement d'axes pour des machines-outils par exemple exige des forces et des vitesses plus élevées que celles qu'ils présentent actuellement. Leur modélisation analytique n'étant pas évidente et faisant appel à des hypothèses souvent trop restrictives, l'utilisation d'une modélisation numérique (3-D) est nécessaire afin de modéliser le comportement de tels moteurs. Des simulations par éléments finis sont donc employées mais requièrent souvent beaucoup de temps de calcul. Pour éviter cela, le nombre des simulations peut être diminué en choisissant les paramètres d'entrée (dimensions, matériaux, bornes,...) plus judicieusement en fonction de leur influence sur les paramètres de sortie. On obtient ainsi la sensibilité d'un paramètre d'entrée sur la valeur du paramètre de sortie. C'est dans cette optique que l'application de la planification d'expériences a été adoptée dans ce travail de thèse. Cette méthodologie, appliquée aux simulations par éléments finis est innovatrice dans le domaine du dimensionnement de tels moteurs. Elle est particulièrement intéressante en vue de la prédiction des résultats mais également en vue de la détermination d'un jeu de paramètres optimal du moteur. D'après les résultats obtenus et présentés dans ce travail de thèse, l'utilisation des plans d'expériences dans ce domaine s'est révélée être très prometteuse et surtout être un outil puissant de dimensionnement. L'application de la méthodologie proposée pour l'optimisation de la course de l'objectif d'un système optique a également permis de démontrer la validité et le potentiel de cette méthode d'optimisation.