Présentation
Auteur(s)
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Emmanuel SARRAUTE : Maître de conférences au Conservatoire National des Arts et Métiers - Laboratoire d’électricité signaux et robotique
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Isabelle DUFOUR : Chargé de recherche au CNRS - Laboratoire d’électricité signaux et robotique
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Lire l’articleINTRODUCTION
La volonté de miniaturiser les actionneurs ne date pas d’hier et les progrès accomplis en ce domaine, par l’industrie horlogère notamment, le prouvent. Mais alors que les méthodes classiques d’usinage ont atteint leurs limites, de nouvelles techniques de fabrication, issues pour la plupart des procédés utilisés en micro-électronique, permettent maintenant de réaliser des pièces méca-niques à l’échelle micrométrique. Les premiers micromoteurs usinés sur silicium apparaissent à la fin des années 1980. Dans des domaines d’application où les dimensions jouent un rôle très important, comme par exemple le génie médical et biologique, l’espace et l’instrumentation, l’enjeu est considérable.
À l’image des moteurs « classiques », c’est-à-dire de taille macroscopique, plusieurs principes de fonctionnement peuvent être mis en évidence. Cependant, nous nous restreindrons dans cet article à l’étude des micromoteurs électrostatiques à capacité variable. Après avoir présenté quelques procédés de fabrication et réalisations, nous étudierons les effets de la miniaturisation sur les performances statiques et dynamiques des convertisseurs électromécaniques. L’intérêt des systèmes électrostatiques étant mis en évidence dans les très petites dimensions, nous aborderons les principes de fonctionnement et présenterons ensuite une méthode systématique de dimensionnement qui, sur la base de règles topologiques simples et d’un cahier des charges donné, permet de définir une structure optimale en terme de couple moyen maximal. Enfin, pour mieux apprécier les performances théoriques de ce type de micromoteur, nous étudierons son comportement dynamique et présenterons des résultats de simulation correspondant à plusieurs configurations de fonctionnement.
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3. Principes de fonctionnement
3.1 Différentes structures
On peut imaginer trois grandes familles de micromoteurs à capacité variable (MCV) qui se distinguent par la disposition relative du rotor par rapport au stator et par le type de mouvement généré par le rotor.
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Les micromoteurs à entrefer radial , dont nous avons présenté un exemple de réalisation au paragraphe 1, ont été les plus étudiés à ce jour car ils se distinguent par leur relative simplicité de fonctionnement et de réalisation. Comme on peut le voir sur la figure 6 a , les électrodes statoriques et rotoriques sont disposées radialement de part et d’autre de l’entrefer. En fonctionnement pas à pas, le rotor suit un mouvement rotatif en s’alignant successivement avec les électrodes statoriques alimentées.
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Les micromoteurs à entrefer axial fonctionnent suivant le même principe (figure 6 b ). Le couple généré étant proportionnel à la variation du coefficient de capacité des électrodes statoriques, on cherche, dans cette structure, à l’augmenter en mettent en jeu des surfaces d’électrodes plus importantes. Cependant, les efforts axiaux qui en découlent posent beaucoup de problèmes liés à la stabilité mécanique du rotor.
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Les micromoteurs à rotation désaxée (figure 6 c ) sont assez intéressants puisque la force motrice est, contrairement aux deux cas précédents, la composante normale de force d’attraction du rotor vers le stator qui est plus importante que la composante tangentielle. Le mouvement de rotation est, alors, créé par le roulement du rotor dans le stator. Bien que ce mouvement soit désaxé (présence de balourd), cette structure présente un effet réducteur qui permet de développer...
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