Modélisation et optimisation d'actionneurs piézoélectriques linéaires à onde progressive

Les progrès réalisés dans la fabrication de matériaux piézoélectriques ont permis, depuis le début des années 80, le développement d'un nouveau type d'actionneurs : les moteurs piézoélectriques à onde progressive. Leur principe de fonctionnement consiste à générer, au niveau du stator, une onde progressive qui permet d’entraîner par friction le rotor.

Dans le cas des moteurs rotatifs dont le stator est annulaire, la génération de l’onde progressive est aisée. En effet, cette onde y est simplement créée à partir de la superposition de deux ondes de flexion stationnaires sinusoïdales de même fréquence et de même amplitude décalées temporellement d’un quart de période et produites par deux excitateurs décalés spatialement d’un quart de longueur d’onde.

Dans le cas des moteurs linéaires, la génération d’une onde progressive basée sur une technique similaire est beaucoup plus complexe à mettre en oeuvre et ne permet pas de créer une onde de flexion exempte d’une composante stationnaire qui, elle, est dépourvue de propriété d’entraînement.

Nous avons dès lors développé des modèles analytique et numérique qui ont permis de déterminer les conditions d’excitation (la fréquence et la position des excitateurs) qui maximisent la proportion d’onde progressive par un processus d’optimisation basé sur un critère original d’analyse de la qualité de l’onde de flexion. Nous avons, ensuite, validé expérimentalement ce critère sur un prototype de stator de moteur linéaire à onde progressive.

Nous avons, par ailleurs, utilisé les compétences du CEREM en matière de modélisation de systèmes multi-physiques par une approche multicorps pour construire un modèle complet du moteur car, outre les avantages qu’elle offre en matière de rapidité de calcul, cette approche se prête particulièrement bien à la modélisation de mécanismes d’entraînement par friction et à l’intégration des excitateurs piézoélectriques dans le modèle.