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Généralités

Les actionneurs sont les composants de la chaîne d’énergie chargés de modifier la nature de l’énergie.

Les actionneurs électriques

Principes physiques

Loi de Laplace

Si on plonge un conducteur électrique de longueur \(l\), parcouru par un courant électrique d’intensité \(I\), dans un champ magnétique \(\overrightarrow{B}\), alors chaque élément de conducteur de longueur infinitésimale \(\overrightarrow{dl}\) se voit soumis à une force infinitésimale \(\overrightarrow{dF}\) selon la loi de Laplace :

\(\overrightarrow{dF}=I\overrightarrow{dl}\wedge\overrightarrow{B}\)

Loi de Lenz

Si l’on approche un aimant d’un solénoïde relié à un ampèremètre, on constate l’apparition d’un courant induit dans le circuit.

Dans un champ magnétique \(\overrightarrow{B}\), une spire forme une surface \(S\) traversée par le flux magnétique \(\Phi\) , tel que \(d\Phi=\overrightarrow{B}\cdot \overrightarrow{dS}\).
La variation \(d\Phi\) de ce flux au cours du temps provoque une force électromotrice \(e\) aux bornes de la spire, donnée par la loi de Lenz :

\(e=-\frac{d\Phi}{dt}\)

Remarque : pour faire varier le flux, il faut soit faire varier l’intensité du champ magnétique \(\overrightarrow{B}\), soit modifier l’orientation de la spire dans le champ.

Création d’un champ magnétique

Pour créer un champ magnétique, on peut utiliser des aimants naturels, mais il existe une autre solution grâce au phénomène physique suivant : si une spire de rayon \(R\) est parcourue par un courant électrique d’intensité \(I\), alors celle-ci créé un champ magnétique \(\overrightarrow{B}\), dont l’expression est donnée par le théorème d’Ampère :

\(\overrightarrow{B}=\frac{\mu\cdot I}{2\pi R}\overrightarrow{u}\)

 

Perméabilité magnétique

\(\mu\) est la perméabilité magnétique du matériau au centre de la spire (\(\mu_0=4\pi\cdot 10^{^-7}H/m\) : perméabilité magnétique du vide ainsi que de la totalité des matériaux diamagnétiques)

 

Afin d’amplifier cet effet on peut :

  1. constituer une bobine (ou solénoïde), c’est à dire plusieurs spires,
  2. y placer un matériau à forte perméabilité magnétique, par exemple du fer doux, que l’on nomme alors noyau.

Les machines électriques

Comme toutes les machines tournantes, les moteurs électriques sont constitués d’un stator et d’un rotor.

Les moteurs à courant continu

Dans un moteur à courant continu, le stator crée un champ magnétique fixe à l’aide d’enroulements (inducteur) ou d’aimants permanents. Le rotor est constitué d’un ensemble de bobines reliées à un collecteur rotatif qui permet de maintenir les bobines du rotor dans l’axe du champ magnétique.
Cette technologie de moteur permet une réalisation économique de moteurs, en général de faible puissance pour des usages multiples (automobile, audiovisuel, robotique, jouets etc…)
Il est aisé de régler ou de faire varier leur vitesse, leur couple et leur sens de rotation.
Leur principal défaut réside dans l’ensemble balais/collecteur rotatif qui s’use, est complexe à réaliser et consomme de l’énergie (résistance électrique).

 

Les moteurs sans balais

Le moteur sans balais, ou moteur « brushless », a un rotor constitué d’un ou de plusieurs aimants permanents. Vu de l’extérieur, il fonctionne en courant continu. Son appellation Brushless vient du fait que ce type de moteur ne contient aucun balai. Par contre un système électronique de commande doit assurer la commutation du courant dans les enroulements statoriques.

Les moteurs brushless équipent en particulier les disques durs et les graveurs de DVD. Ils sont également très utilisés en modélisme ainsi que dans l’industrie, en particulier dans les servo-mécanismes des machines-outils et en robotique.

 

Les moteurs universels

Un moteur universel fonctionne sur le même principe qu’une machine à courant continu : les enroulements du rotor et du stator sont connectés en série. Il peut être alimenté indifféremment en courant continu ou en courant alternatif, d’où son nom.
Ces moteurs ont un mauvais rendement, mais un coût de fabrication très réduit. Leur couple est faible, mais leur vitesse de rotation est importante. Quand ils sont utilisés dans des dispositifs exigeant un couple important, ils sont associés à un réducteur mécanique.

Ils sont principalement utilisés dans l’électroménager : aspirateurs, outillage électroportatif de faible puissance (jusqu’à environ 1 200 W) et de nombreuses applications domestiques. On règle facilement leur vitesse de rotation avec des dispositifs électroniques peu coûteux tels que les gradateurs.

 

Les machines synchrones

La machine synchrone est souvent utilisée comme génératrice. On l’appelle alors « alternateur ». Cette machine est généralement triphasée. Pour la production d’électricité, les centrales électriques utilisent des alternateurs dont les puissances peuvent avoisiner les 1 500 MW.
Comme le nom l’indique, la vitesse de rotation de ces machines est toujours proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent.
Les machines synchrones sont également utilisées dans les systèmes de traction (tel le TGV); dans ce cas elles sont souvent associées à des onduleurs de courants, ce qui permet de contrôler le couple moteur avec un minimum de courant.

 

Les machines asynchrones

La machine asynchrone est une machine à courant alternatif sans alimentation électrique du rotor. Le terme « asynchrone » provient du fait que la vitesse de ces machines n’est pas forcément proportionnelle à la fréquence des courants qui les traversent.
La machine asynchrone a longtemps été fortement concurrencée par la machine synchrone dans les domaines de forte puissance, jusqu’à l’avènement de l’électronique de puissance. On la retrouve aujourd’hui dans de nombreuses applications, notamment dans le transport (métro, trains, propulsion des navires), de l’industrie (machines-outils), dans l’électroménager. Elles étaient à l’origine uniquement utilisées en moteur mais, toujours grâce à l’électronique de puissance, elles sont de plus en plus souvent utilisées en génératrice. C’est par exemple le cas dans les éoliennes.
Pour fonctionner en courant monophasé, ces machines nécessitent un système de démarrage.

 

Les moteurs pas à pas

Dans le moteur pas à pas, un rotor interne contenant des aimants permanents est déplacé par un ensemble d’électroaimants placés dans le stator commutés par une électronique de puissance. L’alimentation ou non de chacun définit une position angulaire différente (l’enchaînement permet le mouvement). Les moteurs pas à pas simples ont un nombre limité de positions.
Ces moteurs commandés par une électronique numérique sont une des formes les plus souples des systèmes de positionnement, en particulier dans les organes servocommandés numériquement : exemple, les moteurs de positionnement des têtes de lecture/écriture des disques durs d’ordinateur ont longtemps été positionnées par ce type de moteur, désormais trop lents pour cette application, ils ont été remplacés par des moteurs linéaires à impulsion beaucoup plus rapides.

 

Moteurs linéaires

Un moteur linéaire est essentiellement un moteur asynchrone dont le rotor « a été déroulé » de sorte qu’au lieu de produire une force de rotation, par un champ électromagnétique tournant, il produise une force linéaire sur sa longueur en installant un champ électromagnétique de déplacement.
Modes de fonctionnement en régime permanent
Dans tous les cas les machines électriques sont réversibles. C’est à dire qu’elles fournissent de l’énergie mécanique lorsqu’elles sont alimentées, et qu’elles fournissent de l’énergie électrique lorsqu’elles sont entraînées mécaniquement.
On définit dans ce cas quatre zones de fonctionnement (ou cadrans) qui indiquent dans quel mode la machine est utilisée.

 

Point de fonctionnement

Lorsque l’on met une charge sur l’arbre du moteur, il est souvent nécessaire de connaître dans ce cas la vitesse de rotation de la machine. Le problème vient du fait que le couple résistif de la charge dépend souvent de la vitesse de rotation et il est difficile de le résoudre sans méthode. Nous cherchons donc le point d’équilibre qu’atteindra la machine. Ce point est appelé point de fonctionnement.
Pour le déterminer, il suffit de connaître la caractéristique « Couple Résistif – Vitesse d’entraînement » d’une charge et de la superposer sur celle de la machine. Le croisement des deux courbes donne le point de fonctionnement.

 


Les actionneurs pneumatiques ou hydrauliques

Principes physiques

Un actionneur pneumatique (air) ou hydraulique (huile) produit de l’énergie mécanique grâce à une différence de pression entre deux zones, qui crée une force, puis un mouvement.
Un système hydraulique utilise un fluide non compressible, un liquide.
Un système pneumatique s’appuie sur un fluide compressible, un gaz.

Les vérins

Les vérins délivrent une énergie mécanique de translation.
Principe : le plus souvent, un piston, mobile en translation dans un tube (fût), forme deux chambres étanches recevant le fluide sous pression. Le déplacement du piston entraîne une tige qui permet de recevoir la puissance mécanique à l’extérieure.
Afin d’éviter les chocs en fin de course, on rencontre parfois des dispositifs d’amortissement.
On distingue les vérins double effet (les mouvements aller et retour sont commandés séparément), et les vérins simple effet (le mouvement retour est assuré par un ressort de rappel).

Actionneurs rotatifs

  • Mouvement rotatif alternatif : vérin rotatif
  • à crémaillère à palette
  • Moteur pneumatique à palettes

 


Les principaux composants

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