Contribution aux techniques d'actionnement numérique : cas d'un système électromagnétique 2D

par Laurent Petit

Thèse de doctorat en Mécanique avancée

Sous la direction de Maxence Bigerelle et de Emmanuel Doré.

Soutenue en 2009

à Compiègne .

mots clés

• Actionneur numérique
• Principe électromagnétique
• Déplacement plan
• Actionneurs
• Dispositifs électromagnétiques

Résumé

Le travail présenté dans cette thèse concerne le développement d'un actionneur électromagnétique numérique disposant de quatre positions discrètes. Après une étude bibliographique portant sur les actionneurs numériques, le principe d'actionnement électromagnétique, via la force de Laplace, a été choisi pour l'actionneur développé. L'originalité du travail repose sur l'architecture employée qui est basée sur quatre positions discrètes et deux directions de déplacement. Un modèle multiphysique semi-analytique a été établi et utilisé pour concevoir un prototype d'actionneur dont le principe de fonctionnement a été validé expérimentalement. Des comparaisons entre les résultats expérimentaux et simulés ont également permis la validation du modèle. Une version optimisée et miniaturisée a été conçue en prenant en compte les erreurs d'assemblage du dispositif précédent. Ses performances et sa capacité à réaliser des déplacements plans ont été vérifiées expérimentalement. Sa course est de 1 mm × 1 mm, l'erreur de répétabilité de positionnement en position discrète de 100 nm, la masse déplaçable maximale de 1,8 g et la consommation d'énergie minimale de 25 mJ. Des comparaisons entre les résultats expérimentaux et simulés ont mis en évidence les améliorations liées à l'optimisation de la conception et à l'enrichissement du modèle. Un assemblage de plusieurs actionneurs numériques élémentaires a ensuite été conçu afin de réaliser des actions complexes. Pour cela, le modèle développé a été utilisé pour définir tout d’abord le module élémentaire, en profitant de l'expérience acquise précédemment, puis l'assemblage, en considérant les interactions entre modules.

Titre traduit

Contribution to the digital actuation techniques : 2D electromagnetic system

Résumé

The work presented in this thesis report concerns the development of a digital electromagnetic actuator which has four discrete positions. After a bibliographical study relating to the digital actuators, the electromagnetic actuation principle, via the Lorentz force, was chosen for the developed actuator. The originality of the work is based on the actuator architecture composed of four discrete positions and two displacement directions. A multiphysical semi-analytical model was developed and used to design a first prototype which principle was validated experimentally. The validation of the model was obtained with comparisons between experimental and modelled results. An optimized and miniaturized version was designed by taking into account the assembly errors of the previous prototype. Its performances and its capacity to realize plane displacements were verified experimentally. Its stroke is 1 mm × 1 mm, the positioning repeatability error is 100 nm, the maximal displaceable mass is 1. 8 g and the minimal energy consumption to switch is 25 mJ. Comparisons between experimental and modelled results have highlighted the improvements related to the design optimization. An assembly of several elementary digital actuators was then designed in order to realize complex tasks. The developed model was used to define in a first time the elementary actuator, by considering the experience of the previous studies, and next the assembly, by taking into account the interactions between the actuators.