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Actionneurs électriques : à la pointe de la mécatronique

La rédaction
Le passage à l'énergie électrique pour de nombreux véhicules, ainsi que la volonté de réduire la consommation énergétique imposent de concevoir des actionneurs plus efficaces. En jouant sur leur architecture, sur leur géométrie ainsi que sur la nature des matériaux qui les composent, il devient possible d'augmenter leur densité énergétique tout en limitant leur poids et leur coût.

Au carrefour de la mécanique, de l'informatique, de l'automatique et de l'électrotechnique, la mécatronique plonge ses racines à la fois dans la grande révolution industrielle du XIXe siècle, dans les lois de l'électromagnétisme et de la thermodynamique, et dans les sauts technologiques du XXe siècle, notamment dans le domaine des matériaux. C'est sur ces solides bases techniques et industrielles que des dispositifs électromagnétiques, dont les actionneurs, qui transforment une énergie reçue en un phénomène physique ont été développés et améliorés, remplaçant au fur et à mesure les technologies hydrauliques, notamment à partir des années 1990. Une évolution qui facilite la maintenance en permettant la supervision des systèmes par des capteurs électriques tout au long des chaînes de transformation d'énergie.

Aujourd'hui, l'augmentation de la demande en énergie et les tensions sur diverses matières premières constituent un double défi pour la conception des systèmes mécatroniques. Tout l'enjeu consiste à améliorer leur efficience en utilisant moins de matière première noble, ce qui impose une utilisation maximale des caractéristiques physiques des matériaux. Ainsi, les actionneurs des systèmes embarqués dans les secteurs de l'aéronautique, de l'automobile, du spatial ou du ferroviaire sont de plus en plus souvent intelligents. Leur masse, voire leur encombrement, est ainsi optimisée.

1. DÉFINITION : L'actionneur, un convertisseur d'énergie

Les actionneurs électriques transforment une énergie électrique reçue, par exemple en énergie mécanique. Les moteurs, les générateurs, les actionneurs linéaires et certains capteurs sont des actionneurs. Les lois fondamentales de la physique facilitent la compréhension des mécanismes de transfert d'énergie au sein de ces différentes familles. Nous nous intéressons ici principalement aux actionneurs linéaires, qui génèrent un mouvement en translation à partir d'une sollicitation électrique.

Le fonctionnement de la plupart des actionneurs repose sur les lois de l'électromagnétisme. En effet, la création d'une force mécanique à partir d'un courant électrique passe en général par une transformation électromagnétique. Le courant, circulant dans des conducteurs localisés sur une partie fixe, crée un champ magnétique. Celui-ci interagit avec le champ magnétique produit par des aimants (ou une seconde source magnétique) localisés sur une partie mobile (Fig. 1). Les sources magnétiques peuvent donc être créées soit par des aimants permanents soit par des bobines parcourues par des courants électriques. Les champs magnétiques produits par des aimants permanents étant beaucoup plus élevés que les champs produits par des bobines, les bobinages dans les moteurs sont souvent associés à des tôles à haute perméabilité magnétique, permettant ainsi de canaliser le flux magnétique et d'augmenter le champ utile dans l'entrefer. Il existe d'autres classes d'actionneurs électriques. Ainsi, la piézoélectricité permet à partir d'un champ électrique de générer un mouvement mécanique sur un matériau qui se déforme. Toutefois, la technologie des actionneurs électrodynamiques semble être la plus prometteuse pour l'obtention d'un système permettant des mouvements translatoires importants en entraînement direct.

2. MATÉRIAUX : Du néodyme pour booster les performances

Les actionneurs électrodynamiques les plus performants utilisent des aimants permanents pour générer des forces translatoires ou rotatives importantes, le tout dans un volume réduit. Seule une poignée de familles d'aimants permanents a débouché sur une production industrielle.

La première est celle des Alnico, alliages composés principalement d'aluminium (Al), de nickel (Ni) et de cobalt (Co), à la fin des années trente. Ces aimants présentent plusieurs nuances, mais leur coercivité, c'est-à-dire leur capacité à rester aimanté dans un environnement donné, est relativement faible, de l'ordre de 0,2 T. Cette famille présente néanmoins un atout : sa grande stabilité thermique, qui permet de l'utiliser à température élevée (520 °C).

Une deuxième famille, apparue dans les années cinquante, comprend les oxydes ferriques de type XO-6Fe203, où X désigne un élément lourd comme le baryum ou le strontium. Ces aimants, dont la polarisation est de l'ordre de 0,4 à 0,45 T, répondent à la plupart des exigences technico-économiques du marché. Ils représentent aujourd'hui environ 90 % en masse des aimants utilisés à travers le monde.

La troisième famille est celle des aimants à base de samarium et de cobalt. Très performants, ils présentent une polarisation de[…]

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