FR2847738A1 - Moteur deux axes a plots - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une structure moteur d'un élément (8) mobile à débattement angulaire, comportant deux stators (10) et deux rotors (2, 3) s'étendant entre des paires de plots (4) de serrage vibrant du rotor, les paires de plots étant reliées à un stator et étant actionnées grâce à l'oscillation d'éléments (5, 6) en matériaux actifs selon deux directions parallèles au plan de chaque rotor et selon une direction perpendiculaire audit plan, caractérisée en ce qu'un des rotors (2) est relié à l'élément mobile (8) et suit ses mouvements, l'autre rotor étant fixe par rapport à un boîtier extérieur de la structure, les stators étant fixes entre eux mais mobiles en translation par rapport aux rotors.

Description

MOTEUR DEUX AXES A PLOTS.

DOMAINE GENERAL

L'invention concerne les structures du type moteur comportant au moins un stator et un rotor, le stator comportant des plots actionnés par des

éléments actifs pour déplacer le rotor.

Plus précisément, elle concerne les structures comportant des moteurs dont les plots se déplacent selon deux axes afin de permettre le

déplacement en translation de chaque rotor par rapport au stator.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Les commandes de vol électriques remplacent de plus en plus les commandes de vol mécaniques. Dans ce cas, il n'y a plus de liaison directe

entre le manche du pilote et les gouvernes.

Cependant, il est souhaitable pour le pilote d'avoir un retour d'effort dans le manche de pilotage, afin de garder des sensations de pilotage identiques. Une solution possible est de disposer dans les manches de pilotage

des dispositifs à retour d'effort.

Les retours d'effort de l'état de la technique sont effectués à l'aide d'asservissements fondés sur l'utilisation de moteurs électromécaniques. On peut ainsi donner au manche une sensation d'effort, ou même simuler ce

que fait un second pilote en cas de co-pilotage.

Ils ne sont cependant pas tout à fait satisfaisants.

En effet, il faut qu'ils permettent un asservissement mécanique correspondant aux capacités de l'homme, c'est-à-dire présentant des efforts de quelques mN. Pour ce faire, ils comportent dans la boucle d'asservissement des réducteurs comportant des engrenages, qui

augmentent fortement l'inertie de la boucle d'asservissement.

Ainsi, les dispositifs de l'art antérieur, qui présentent une forte inertie dans la boucle d'asservissement, ne permettent pas d'obtenir des bandes passantes de quelques 10 Hz, indispensables pour simuler les impressions tactiles. Ils présentent une forte consommation d'énergie puisqu'il faut déplacer cette inertie importante à chaque déplacement du manche par le pilote. De plus, le fait que des frottements sont présents dans la boucle, de par la présence des engrenages, introduit des imprécisions sur l'asservisseèment. Par ailleurs, on utilise dans les moteurs hautes puissances des dispositifs transformant des vibrations normales et tangentielles de plots en contact avec des rotors en des mouvements continus de rotors. Le lecteur se référera avantageusement aux documents FR 2 742 011 et FR 2 767 980 présentant les moteurs hautes puissances, ainsi qu'au document FR

2 782 420 pour une description des plots utilisés dans ces applications

particulières, la structure et les applications des moteurs hautes puissances

étant différentes des manches à retour d'effort.

PRESENTATION DE L'INVENTION

L'invention propose de pallier les inconvénients des commandes de l'état de la technique, notamment en adaptant, pour des applications dans le domaine technique des commandes, certains éléments et techniques utilisés

dans le domaine technique différent les moteurs à vibrations.

L'invention a pour but de proposer un moteur apte à être placé dans un circuit d'asservissement tout en n'introduisant qu'une très faible inertie. En effet, une inertie conduirait à réduire la bande passante, et à augmenter la consommation énergétique du système quand la fréquence d'utilisation augmente. L'invention a également pour but de proposer un système léger, 2 5 compact et qui procure un couple important à faible vitesse. Ces

caractéristiques permettent un bon asservissement.

Un autre but de l'invention est de proposer une structure peu sensible à l'usure, et ceci afin d'être compatible avec des applications en aéronautique,

o la durée d'utilisation doit être de l'ordre de 50.000 heures.

3 0 Un dernier but de l'invention est de présenter une sécurité à l'égard de

pannes potentielles.

A cet effet, l'invention propose une structure moteur d'un élément mobile à débattement angulaire, comportant deux stators et deux rotors s'étendant entre des paires de plots de serrage vibrant des rotors, les paires de plots étant reliées à un stator et étant actionnées grâce à l'oscillation d'éléments-en matériaux actifs selon deux directions parallèles au plan de chaque rotor et selon une direction perpendiculaire audit plan, caractérisée en ce qu'un des rotors est relié à l'élément mobile et suit ses mouvements, l'autre rotor étant fixe par rapport à un boîtier extérieur de la structure, les stators étant fixes entre eux mais mobiles en translation par rapport aux

rotors.

L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible: - les stators sont montés sur une pièce intermédiaire mobile par rapport au boîtier extérieur de la structure, la pièce intermédiaire encadrant la périphérie des stators et des rotors, des moyens de précontrainte des stators et rotors entre eux étant fixés sur ladite pièce intermédiaire; - lorsque des plots se bloquent lors d'une panne d'un étage, le débattement de l'élément mobile est effectué grâce aux plots qui sont encore actifs; 2 0 - les éléments actifs comportent des céramiques permettant la vibration des plots dans une direction axiale et des céramiques permettant la vibration des plots dans une direction tangentielle, chaque céramique étant précontrainte par des moyens de précontrainte axiaux ou tangentiels; - les céramiques axiales sont disposées entre deux stators du moteur; 2 5 - les céramiques axiales sont doublées pour obtenir une redondance; - chaque stator encadrant chaque rotor comporte une partie périphérique encadrant une partie centrale comportant les plots, les éléments en matériaux actifs ainsi que les moyens de précontrainte tangentielle, la partie centrale étant reliée à la pièce intermédiaire par des bras de support 3 o souples; - les bras de support comportent un amincissement de leur section au niveau de leur raccord avec la pièce intermédiaire; - elle comporte des moyens de précontrainte sur les céramiques axiales, ces moyens étant montés sur la partie supérieure de l'étage supérieur, et sur la partie inférieure de l'étage inférieur; - les moyens de précontrainte des stators et rotors entre eux et les moyens de précontrainte sur les céramiques axiales sont confondus; - la surface des plots destinée à être en contact avec les rotors comporte

une couche présentant une élasticité tangentielle.

PRESENTATION DES FIGURES

D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront

de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui

doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 2 représente schématiquement un mode de vibration de plots du moteur selon un axe parallèle au plan des rotors du moteur; - la figure 3 représente schématiquement un mode de vibratiori des plots selon un axe parallèle au plan des rotors du moteur, cet axe étant perpendiculaire à l'axe de la figure 2; - la figure 4 est une vue éclatée d'un premier mode de réalisation possible d'un moteur selon l'invention; - la figure 5 est une vue compacte en coupe d'un deuxième mode de réalisation possible du moteur selon l'invention; - la figure 6 représente une vue éclatée'd'une partie interne du moteur représenté à la figure 5; - la figure 7 représente schématiquement un mode de réalisation possible d'une structure de support des modes de réalisation représentés aux figures et 6; - la figure 8 représente schématiquement le débattement du manche fixé sur un moteur selon l'invention; - la figure 9 représente schématiquement les courses respectives des étages du moteur en cas de blocage d'un étage du moteur; et - la figure 10 représente schématiquement les débattements respectifs des

différents rotors en place dans le moteur.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

PRINCIPE GENERAL

La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation

possible de l'invention.

Le moteur 1 comporte deux étages: un étage supérieur et un étage inférieur. Chaque étage constitue ce que l'homme du métier appelle un moteur plan deux axes. Chaque étage est composé d'un stator et d'un rotor

qui peut être entraîné en translation.

Ainsi, le moteur 1 comporte deux rotors 2 et 3 disposés selon deux

étages. Les rotors 2 et 3 ont sensiblement une forme plane.

Les stators correspondant aux rotors 2 et 3 sont fixés grâce aux structures doublement hachurées 10 qui les relient à la pièce 16. Ils sont montés en série en empilement l'un par rapport à l'autre et sont solidaires

l'un de l'autre par l'intermédiaire de la pièce 16.

Le fait que le moteur 1 comporte deux étages comporte un avantage très important pour les applications souhaitées. On obtient une grande sécurité de fonctionnement du moteur. En effet, en cas de blocage d'un étage, un deuxième étage est toujours disponible pour le fonctionnement du moteur. Le rotor supérieur 2 est relié à un élément 8, formant par exemple manche de pilotage, par l'intermédiaire d'une pièce 7 formant élément d'accrochage de l'élément 8 au rotor 2. La pièce 7 est solidaire du rotor supérieur 2, sur la périphérie de celui-ci par exemple, et suit les mouvements de l'élément 8. Ainsi, par l'entremise de cette pièce 7, le rotor supérieur 2 effectue les mêmes mouvements que le manche 8 de pilotage actionné par un utilisateur, ou inversement peut exercer un retour d'effort sur le manche 8. Le rotor inférieur 3 est solidaire de la masse et du boîtier extérieur 1 de

l'engin par l'intermédiaire d'un élément 12.

Les stators du moteur comportent des plots 4 vibrant, qui permettent de déplacer en translation les rotors 2 et 3 par rapport aux stators. Les plots 4 sont arrangés par paires. Chaque étage du moteur comporte au moins trois paires de plots 4. Chaque rotor s'étend ainsi entre au moins trois paires de plots 4, chaque paire comportant d'une part un plot 4 au- dessus du plan de

chaque rotor, et d'autre part un plot 4 en dessous du plan de chaque rotor.

Les plots 4 sont montés vibrant sur chaque stator selon deux directions principales. La première direction principale est une direction parallèle aux plans des rotors. La deuxième direction est sensiblement orthogonale au

plan de chaque rotor.

Les plots 4 sont actionnés dans leurs vibrations par des éléments actifs et 6. Les éléments actifs 5 et 6 peuvent comporter des matériaux du type piézo-électrique, du type magnéto-strictif, électro-strictif, etc.

Ils sont avantageusement en matériaux piézo-électriques.

Les mouvements des plots 4 dans un plan parallèle aux plans des rotors 2 et 3 sont permis par l'oscillation des pièces 5. Les pièces 5 sont donc également appelées céramiques tangentielles. Elles sont reliées d'une part à une structure de stator référencée par 10 sur la figure 1, et d'autre par

à un plot 4.

Les céramiques tangentielles 5 sont aptes à donner un mouvement de translation aux plots 4 selon deux directions perpendiculaires entre elles, X et Y. Le contrôle de la direction dans le plan de chaque rotor est obtenu par le contrôle de la phase de vibration des actionneurs horizontaux. Le sens de déplacement des rotors 2 et 3 est obtenu par le contrôle de la phase de vibration par rapport à celle des actionneurs normaux 6 décrits plus en

détails dans la suite de la présente description.

Les figures 2 et 3 montrent schématiquement le déplacement des plots 3o 4 selon les deux directions perpendiculaires X et Y. Sur les figures 2 et 3, les modes de réalisation comportent quatre paires de plots. Les positions hachurées représentent les positions des plots 4 hors équilibre lors de la vibration. Les positions d'équilibre des plots 4 sont disposées selon un

quadrilatère régulier dans cet exemple.

Les mouvements des plots 4 dans la direction perpendiculaire aux plans des rotors 2 et 3 sont permis par l'oscillation des pièces 6. Les pièces 6 sont donc également appelées les céramiques normales. Les pièces 6

sont disposées entre les plots 4 situés à la frontière entre les deux étages.

Elles ont ainsi leur partie inférieure et leur partie supérieure en contact avec un plot 4. Les mouvements des pièces 6 permettent le pincement des rotors entre une paire de plots 4 et leur déplacement selon un mouvement de translation. En effet, des moyens formant ressort 9 permettent une précontrainte des éléments 6. Ils sont reliés d'une part à une pièce intermédiaire 16 formant des moyens encerclant les deux étages et qui est solidaire des structures de stators 10, et d'autre part aux plots 4 supérieurs

de l'étage supérieur, et aux plots 4 inférieurs de l'étage inférieur.

La pièce intermédiaire 16 est libre en déplacement par rapport à la masse mécanique 12. Elle se déplace par rapport à cette masse en même

temps que les structures de stators 10 auxquelles elle est reliée.

Ainsi, les mouvements de l'élément 8 sont transmis au rotor 2 qui se déplace alors par rapport à une structure de stator supérieur 10, lui même lié au stator inférieur qui se déplace, en même temps que la pièce intermédiaire

16 par rapport à la masse 12.

Les matériaux tangentiels 5 et normaux 6 sont excités à une même fréquence de résonance. Cette fréquence est avantageusement égale à 28000 Hz. On rappelle que le sens de déplacement des rotors 2 et 3 dans un plan tangentiel est obtenu par le contrôle de la phase de vibration des

céramiques tangentielles 5 par rapport à celle des actionneurs normaux 6.

Les céramiques 6 sont avantageusement doublées pour obtenir une

redondance et diminuer le taux de défaillance total du moteur.

L'ensemble des pièces mécaniques est avantageusement métallique,

préférentiellement en acier, à l'exception bien entendu des matériaux actifs.

STRUCTURE DETAILLEE

Les figures 4 à 6 représentent de façon plus détaillée deux modes de réalisation possibles de l'invention. Chaque mode de réalisation particulier est conforme au principe général présenté ci-dessus et les éléments similaires sônt référencés par les mêmes numéros. Le but de chaque mode de réalisation est de transformer l'oscillation des plots 4 en un mouvement linéaire des rotors 2 et 3, ce mouvement étant

relatif à la pièce intermédiaire 16.

PREMIER EXEMPLE DE MODE DE REALISATION POSSIBLE

Sur la figure 4, le moteur possible selon l'invention comporte deux étages compris dans la pièce intermédiaire 16 formant des moyens d'encerclement de la structure moteur. Les moyens 16 comportent par exemple un cadre 16 entourant la partie centrale du moteur. Dans cet exemple, le cadre 16 possède une forme sensiblement cylindrique à base

carrée.

Les rotors supérieur 2 et inférieur 3 du moteur selon la figure 4 ont sensiblement la forme d'une plaque carrée. Cette forme correspond à la

forme du mouvement du manche qui est une pyramide à base carrée.

Préférentiellement, les rotors doivent avoir une plage dimensionnelle de

fonctionnement de 20 mm x 20 mm.

Ils doivent également avoir un point d'attache à la pièce intermédiaire 16 souple pour rattraper les jeux d'usure. Ledit point d'attache sera décrit

plus en détails dans la suite de la description.

Enfin, leur surface doit être inaltérable par rapport à la couche

tribologique des plots 4.

Conformément à la figure 1, le mode de réalisation de la figure 4

comporte deux structures 10 par étage du moteur formant stator.

Chaque structure 10 comporte des moyens de fixation à la structure 16.

Les moyens de fixation comportent par exemple un cadre 21, sensiblement

3 o rectangulaire dans l'exemple de la figure 4.

Chaque structure 10 comporte en son milieu des moyens formant un bloc stator 22 comportant les éléments ou céramiques tangentiels 5, reliés

aux plots 4 d'entraînement de chaque rotor.

Au milieu des côtés du cadre 21, chaque structure 10 comporte des bras 23 s'étendant vers l'extérieur du cadre et dans son plan, et qui relient le

cadre à l'élément 16.

Ainsi, les bras 23 maintiennent la structure active 22 comportant les

plots vibrant 4 sur le cadre intérieur à la structure du cadre 16.

Le cadre 21 de chaque structure 10 assure la mise en place d'une précontrainte sur les éléments tangentiels 5. Ainsi, l'élongation des matériaux actifs 5 permettra le déplacement des plots 4 tout en maintenant les céramiques en compression. Ainsi, on dispose entre les éléments tangentiels 5 des moyens de précontrainte des éléments tangentiels 5. Ces moyens comportent par exemple des éléments exerçant une traction 18 afin is d'appliquer une précontrainte sur l'ensemble des céramiques tangentielles 5 lors du montage. Les éléments 18 permettent d'assurer un contact plan des

pièces dans une chaîne cinématique du mode tangentiel.

Selon une variante avantageuse, non représentée sur les figures, les éléments de précontraintes sont situées entre les plots 4 et le cadre 21, et 2o exercent leur force de précontrainte de façon centripète par rapport au cadre 21. Préférentiellement, chaque structure 10 applique une précontrainte sur

les éléments tangentiels de 50 MPa.

Les céramiques 5 tangentielles ont pour fonction principale d'entretenir le mode tangentiel de vibration. Elles ont une raideur compatible avec la

masse des plots 4 pour une fréquence de fonctionnement de 28 000 Hz.

Elles possèdent une longueur suffisante pour assurer les 2 pm de

déplacement nécessaire à la vibration des plots 4.

Les céramiques tangentielles 5 vibrent longitudinalement. Leur milieu selon l'axe longitudinal représente un noeud de vibration. Par conséquent, c'est sur ce noeud de vibration que s'effectue l'accroche statique de chaque stator. A cet effet, chaque céramique tangentielle 5 est coupée transversalement à la direction de vibration, en deux parties égales. Une pièce métallique située sur le noeud de vibration permet d'effectuer l'ancrage

du stator.

Les bras 23 de maintien des structures 10 sont souples selon la direction Z, ceci afin de permettre le rattrapage de jeu en cas d'usure des pièces mécaniques, et selon les directions X et Y afin de diminuer la

transmission des vibrations des éléments actifs au reste de la structure.

Le cadre 21 de chaque structure 10 est souple dans la direction

normale Z afin d'assurer un contact parfait des plots 4 sur chaque rotor.

Un octopode formant pièce d'accrochage 7 est relié au disque supérieur 2. La solidarisation de la pièce d'accrochage avec le disque supérieur s'effectue sur la périphérie, par un système de vis de fixation par

exemple.

Des moyens de fixation du rotor 3 permettent de le rendre solidaire du boîtier et forment la masse mécanique du système. Ils comportent par

exemple une potence 12.

Ainsi, l'ensemble du système est rendu mobile par rapport-au boîtier.

Les plots 4 de l'étage inférieur bougent sur le disque inférieur immobile par rapport au boîtier, entraînant alors l'étage supérieur. Le disque supérieur peut se déplacer entre les couples de plots 4 et en fonction des manipulations du manche de la part de l'utilisateur et transmises au disque

par l'intermédiaire de la pièce 7.

Le mode de pincement des disques 2 et 3 permettant la translation des rotors est généré par des céramiques piézo électriques dites normales 6 disposées entre les deux étages du moteur. On rappelle que les deux stators de chaque étage sont solidaires entre eux et solidaires de la pièce

intermédiaire 16, notamment grâce à des moyens de précontrainte axiale.

Les céramiques normales reposent sur des moyens de support, qui comportent par exemple des tés 13, disposés entre les deux étages du moteur. Les tés 13 permettent d'absorber les vibrations des stators lors du mouvement d'un étage par rapport à l'autre. Ils possèdent une certaine souplesse en flexion, afin d'inhiber le cisaillement dans chaque céramique

normale 6.

La contrainte axiale sur les céramiques 6 est maintenue grâce à des moyens dé précontrainte axiale. Les moyens comportent par exemple des croix de précontrainte 14. Les croix 14 sont disposées sur les parties supérieures et inférieures du moteur et sont solidaires de l'élément 16 entourant la partie centrale du moteur. Des moyens de fixation, comportant par exemple des vis 20, permettent de solidariser les parties périphériques

des structures 10, des croix 14 et les coins du cadre 16.

Sur l'exemple de la figure 4, les moyens de précontrainte axiale comportent également des structures de précontrainte axiale 9 sur les céramiques normales. Ils sont constituées de rondelles formant ressort avec une raideur faible. Elles comportent de plus une raideur tangentielle faible

pour de pas perturber le mode tangentiel des céramiques tangentielles.

Avantageusement, les moyens de précontraintes axiales permettant de précontraindre les céramiques axiales, et les moyens de précontrainte permettant l'appui des rotors sur les structures de stators 10, sont confondus. On dispose deux céramiques normales 6 par plot 4 pour assurer une

redondance qui permet de diminuer le taux de défaillance total du moteur.

Chaque céramique 6 est constituée d'une partie active pour entretenir le mode de vibration, et d'une partie passive pour accorder la fréquence du mode normal sur celle du mode tangentiel. La variation de fréquence

générée par la partie passive est de +/- 125 Hz.

On recouvre la partie des plots 4 qui doit être en contact avec les rotors 2 et 3 par des moyens présentant une élasticité tangentielle permettant de maximiser le rendement de la transformation des vibrations des plots en un mouvement continu des rotors. L'élasticité tangentielle permet en effet une adhérence plus homogène pendant les phases vibratoires. L'énergie est transmise de façon plus continue des plots 4 vers les rotors 2 et 3. De plus, l'élasticité tangentielle de la couche permet de minimiser l'énergie perdue par frottement. Une telle couche est donc conforme à l'enseignement des

éléments en contact avec les rotors dans le document FR 2 782 420.

De plus, les moyens de contact élastiques doivent présenter peu d'usure. Ainsi les moyens élastiques peuvent comporter par exemple une

couche de polyétheréthercétone (PEEK) 17.

Elle est dimensionnée pour assurer une raideur normale compatible

avec la fréquence de vibration de 28 000 Hz.

La bonne tenue de ses caractéristiques lui permet de transmettre les niveaux de puissance requis par étage, à savoir des puissances qui sont de l'ordre de 160 W (thermique et mécanique). La température d'interface reste inférieure à 100 C, ce qui est acceptable pour ce type de matériaux. On a ainsi un maintien des caractéristiques tribologiques à la température

d'interface.

Préférentiellement, la valeur du coefficient de frottement entre les plots 4 et les disques 2 et 3 est importante et constante, avec un taux d'usure

faible de l'ordre de 10-7 mm3/Nm.

DEUXIEME EXEMPLE DE MODE DE REALISATION POSSIBLE

Les figures 5 et 6 représentent un autre mode de réalisation possible

de l'invention.

La figure 5 est une vue compacte en coupe d'un moteur selon l'invention, la figure 6 représentant une vue éclatée d'une partie interne du moteur. De la même façon que précédemment, la structure du moteur représentée aux figures 5 et 6 reprend les éléments principaux du schéma

de la figure 1.

Ainsi, le moteur 1 comporte en son sein deux étages: un étage

supérieur et un étage inférieur.

La figure 6 montre que la séparation entre les étages inférieurs et

supérieurs comporte les céramiques normales 6.

Chaque étage comporte ainsi, conformément au schéma de la figure 1, un rotor 2 ou 3, chaque rotor étant compris entre deux structures stator 10

comportant les céramiques tangentielles 5.

Ces structures 10 supérieure et inférieure par rapport à chaque rotor sont elles-mêmes prises entre des disques 19 formant circuit d'alimentation

électrique pour les céramiques tangentielles 5 et les céramiques axiales 6.

Des moyens de précontrainte 9 des céramiques axiales 6 sont prévus

sur les parties supérieures et inférieures de l'empilement des deux étages.

Les moyens 16 d'appui des structures 10 sont prévus et forment la pièce intermédiaire 16. Ils peuvent ainsi être formés d'un cadre cylindrique à section circulaire, qui englobe la partie périphérique de l'empilement du moteur. Le cadre 16 forme les points d'appui des structures 10 qui viennent s'appuyer sur sa paroi intérieure. Des moyens de précontrainte solidarisent

les structures 10 inférieure et supérieure entre elles.

1 5 La figure 7 représente en détail une structure 10. La partie périphérique de la structure 10 comporte un cadre circulaire 21, la partie centrale comportant un bloc stator 22 permettant la mise en place des céramiques tangentielles 5. Le bloc stator 22 est relié au cadre 21 de la structure 10 par des bras 23 qui comportent près de la partie périphérique 21 un

2 o amincissement 24 de leur section.

De même, comme dans l'exemple de la figure 4, les bras 23 de la structure 10 sont souples, ceci afin de permettre le rattrapage de jeu en usure des pièces mécaniques. De plus, cette souplesse permet de minimiser

la transmission des vibrations des pièces actives au reste de la structure.

De plus le cadre 21 est souple dans le plan selon la direction Z, afin d'assurer un contact parfait sur la pièce intermédiaire 16, et afin d'assurer un

contact parfait des plots 4 sur chaque rotor.

La structure des bras 23, notamment l'amincissement de leur section vers le cadre périphérique 21 permet d'assurer un meilleur rendement de

3 o fonctionnement.

Chaque partie centrale 22 comporte une croix 14 de précontrainte des céramiques 5 et des moyens 18 de précontrainte des céramiques 5, les moyens de précontrainte étant par exemple situés aux quatre coins des intersections des axes de la croix 14. Les moyens 18 exercent alors une action de traction sur la partie centrale 22 selon les axes passant par ses diagonales, afin de précontraindre les céramiques tangentielles 5 situées entre d'une part les plots et d'autre part parois latérales des axes des croix 14. En référence à la figure 5, on voit le bloc moteur en coupe. Ainsi, le manche 8 est relié au rotor supérieur 2, par l'intermédiaire de la pièce

d'accrochage 7.

La pièce d'accrochage 7 est reliée au rotor 2 sur sa périphérie. Les manipulations du manche 8 sont ainsi transmises au rotor supérieur 2, qui a un mouvement de translation par rapport au bloc 22 solidaire de la structure

10.

Comme précédemment, le rotor inférieur 3 est monté fixe par rapport au boîtier par l'intermédiaire de moyens de fixation 12. Les moyens comportent par exemple des moyens venus de matière sur la, partie

inférieure du boîtier 1 et rejoignant le rotor 3 sur sa partie périphérique.

2 0 On référence par 25 la structure inférieure composée des deux structures 10 montées sur le rotor inférieur 2. Les déplacements de la structure 25 par rapport au rotor 3 s'additionnent aux déplacements du rotor 2 par rapport à la structure du stator supérieure 10, pour suivre les déplacements du manche 8 tout en lui appliquant un contre-effort.

Avantageusement, les moyens de précontraintes axiales permettant de précontraindre les céramiques, et les moyens de précontrainte permettant

l'appui des rotors sur les stators, sont confondus.

DIMENSIONNEMENT DU MOTEUR DEUX AXES A PLOTS

ANALYSE CINEMATIQUE.

Pour dimensionner correctement le moteur, il convient tout d'abord de

déterminer la course maximale de chaque étage.

La figure 8 représente schématiquement la liaison entre le manche 8 et

le rotor supérieur 2.

La liaison entre le manche 8 et le disque 2 est schématisée par une liaison du type cardan 26 associée à une liaison 27 du type pivot glissant. La liaison permet de transmettre l'ensemble des mouvements effectués par le

manche 8 au disque 2.

Sur la figure 8, on a représenté par une partie r le bras de levier dont dispose le manche 8 dans son déplacement. De même, a représente le demi angle au sommet du cône de débattement du manche 8. Par exemple

a est égale à 30 .

L'ensemble de ces deux données permet de caractériser le débattement maximum du moteur deux axes, qui comporte deux étages en série. C1 représente la course maximale de chaque côté de l'axe médian du

1 5 moteur.

On a la relation: C1 = r.sin a De même, le déplacement vertical du bras de levier dans la liaison 27 est égal à: AàZ = r. (1 - cos a) Avecaégalà30',ona: C1 =0,5 retAZ =0,134 r Chaque étage, avec toute son électronique et ses capteurs de

déplacements, est indépendant de l'autre.

On commande des déplacements identiques aux deux étages. En référence à la course maximale C1., la course de chaque étage est donc

limitée à C1/2.

Si un étage tombe en panne, soit à cause d'un arrêt de l'alimentation,

soit par une défaillance des céramiques, cet étage est bloqué.

La figure 9 représente schématiquement une situation de panne de

3 0 l'étage supérieur du moteur.

Le premier rotor 2 est bloqué lors d'une panne. Le déplacement maximal d'un étage est C1/2. La figure 9 montre que la course maximale C de l'autre étage doit être alors de 1,5 C1 afin de ne pas diminuer la course

maximum C1 du moteur 2 axes.

Ainsi pour garder un fonctionnement correct du moteur même en cas de panne d'un des étages, la course maximale de chaque étage doit être égale à: C = 1,5 Cl avec C1 = r sin a

Il convient ensuite d'examiner l'encombrement de chaque étage.

La course maximale du moteur 2 axes est égale à Ci, comme le montre la figure 9, et correspond à la base du cône dont le demi angle au

sommet est égal à a.

La figure 10 montre que les mouvements des rotors s'effectuent dans les limites d'un cercle de diamètre L.

Lm est le diamètre du stator comportant les plots 4.

La figure 10 montre que l'on a la relation: L = Lm + AL avecAL=2. (C+C1) =5.C1, on obtient L = Lm + 5 Ci Avantageusement, environ 15 mm autour du cercle de débattement maximum de diamètre L sont prévus pour le reste du mécanisme et pour l'habillage. Ainsi, le diamètre total Db du boîtier est avantageusement égal à: Db=Lm=5Ci+30mm Ou Db=Lm+5rsina+30mm Aveca=300sina=0,5 Db=Lm+2,5r+30mm

Avantageusement, l'encombrement maximal pour Db est de 200 mm.

3o Ainsi, Lm+2,5r< 170mm

Préférentiellement, le stator est inscrit dans un diamètre Lm égal à 100 mm.

Par conséquent, r est fixé à 25 mm.

Il convient ensuite de dimensionner les éléments du moteur pour

obtenir un mouvement vibratoire plan.

Avantàgeusement, les modes de vibration en translation nécessaires au fonctionnement du moteur plan sont bien fournis par les structures représentées aux figures 4 à 6, à savoir une structure constituée des quatre

plots et de quatre céramiques reliés indirectement à la pièce intermédiaire.

Un exemple d'une telle structure de support des céramiques et des o0 plots est représenté en détail à la figure 7. Les pièces métalliques des structures 10 se trouvent en parallèle avec les actionneurs céramiques, ce

qui diminue le coefficient de couplage.

L'épaisseur des céramiques est avantageusement égale à 10 mm.

Elles présentent une raideur supérieure à 5,7 108 Nlm.

Avantageusement, la céramique normale 6 présente une longueur égale à 8 mm, et présente une section égale à 56 mm2. Avantageusement

également, elle a une raideur égale à 7 108 N/m.

Préférentiellement, la raideur des céramiques normales est égale à 6,6 108 NIm. Pour assurer la sécurité de fonctionnement les actionneurs 2 0 normaux sont décomposés en deux pavés de céramique de longueur 8 mm et de section 28 mm2. Leur positionnement sur les plots métalliques est effectué de manière à ce que le déplacement des plots métalliques se fasse

parallèlement au plan des rotors.

Au final, le système présente un encombrement avantageusement

formé d'un cube de côté 175 mm.

En outre, le moteur selon l'invention est avantageusement utilisé dans

des manches d'hélicoptères.

Le manche présente avantageusement un débattement de +/- 200 d'angle. Sa longueur est par exemple 200 mm, pour un effort à fournir en 3o bout de manche de 100 N. Avantageusement, le système présente les caractéristiques suivantes: - la distance entre le centre de rotation du manche et le premier disque est de 35 mm - la plage de fonctionnement normale sur le disque est de 13 mm x 13 mm, et le fonctionnement avec un étage grippé en bout de course de 20 rmm x 20 mm. La notion de redondance d'étage est en effet importante pour les aspects sécurité et fiabilité du système, notamment pour des applications aéronautiques; - les zones de fonctionnement correspondent à un débattement de +/70 mm pour un manche de longueur 200 mm; - pour une force de 100 N en bout de manche, l'effort sur le disque est de 570 N. Pour ce point de fonctionnement, la vitesse de déplacement du disque est de 0,07 m /s; - la force maximale exercée sur le disque à vitesse nulle (en mode normal excité) est égale à 860 N; - la température de fonctionnement est inférieure à 1000 C à l'interface

entre les disques et les plots.

AVANTAGES DE L'INVENTION

Le système selon l'invention permet de concevoir un dispositif qui présente un confort et de bonnes informations tactiles pour le pilote, en plus

2 o d'un retour d'effort et une sécurité de pilotage améliorée.

Le système selon l'invention présente un poids réduit et permet

d'éviter l'utilisation de systèmes hydrauliques ou de matériaux magnétiques.

Enfin, la réduction de poids réduit également la consommation de carburant.

De plus, il présente un niveau de bruit faible.

Le système selon l'invention a de nombreuses applications dans le domaine de l'aéronautique, mais également dans le domaine de la robotique, pour des actionneurs de poids faible, silencieux, et ayant une

haute dynamique et un couple élevé.

Il peut également être utilisé pour des applications de micro30 positionnement.

Dans l'industrie, le système peut être utilisé pour des applications

demandant des efforts importants pour des mouvements à vitesse faible.

Le système peut également être utilisé dans l'industrie automobile, ou l'électroménager.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Structure moteur d'un élément (8) mobile à débattement angulaire, comportant deux stators (10) et deux rotors (2, 3) s'étendant entre des paires de plots (4) de serrage vibrant des rotors, les paires de plots étant reliées à un stator et étant actionnées grâce à l'oscillation d'éléments (5, 6) en matériaux actifs selon deux directions parallèles au plan de chaque rotor et selon une direction perpendiculaire audit plan, caractérisée en ce qu'un des rotors (2) est relié à l'élément mobile (8) et suit ses mouvements, l'autre rotor étant fixe par rapport à un boîtier extérieur de la structure, les stators étant fixes entre eux

mais mobiles en translation par rapport aux rotors.

2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les stators sont montés sur une pièce intermédiaire (16) mobile par rapport au boîtier extérieur de la structure, la pièce intermédiaire encadrant la périphérie des stators et des rotors, des moyens de précontrainte des stators et rotors entre eux étant fixés sur ladite pièce inférmédiaire (16).

3. Structure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce

que lorsque des plots (4) se bloquent lors d'une panne d'un étage, le débattement de l'élément mobile (8) est effectué grâce aux plots (4)

qui sont encore actifs.

4. Structure selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que

les éléments actifs comportent des céramiques (6) permettant la vibration des plots dans une direction axiale et des céramiques (5) permettant la vibration des plots dans une direction tangentielle, 3 0 chaque céramique étant précontrainte par des moyens de

précontrainte axiaux ou tangentiels.

5. Structure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que

les céramiques axiales (6) sont disposées entre deux stators du moteur.

6. Structure selon la revendication 5, caractérisée en ce que les

céramiques axiales sont doublées pour obtenir une redondance.

7. Structure selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que

chaque stator (10) encadrant chaque rotor comporte une partie périphérique (21) encadrant une partie centrale (22) comportant les plots (4), les éléments (5) en matériaux actifs ainsi que les moyens de précontrainte tangentielle (18), la partie centrale étant reliée à la pièce

intermédiaire (16) par des bras (23) de support souples.

8. Structure selon la revendication 7, caractérisée en ce que les bras (23) de support comportent un amincissement de leur section au

niveau de leur raccord avec la pièce intermédiaire (16).

9. Structure selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce

qu'elle comporte des moyens (9) de précontrainte sur les céramiques axiales, ces moyens étant montés sur la partie supérieure de l'étage

supérieur, et sur la partie inférieure de l'étage inférieur.

10.Structure selon les revendications 2 et 9, caractérisée en ce que les

moyens de précontrainte des stators et rotors entre eux et les moyens

(9) de précontrainte sur les céramiques axiales sont confondus.

11.Structure selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce

que la surface des plots (4) destinée à être en contact avec les rotors

(2, 3) comporte une couche présentant une élasticité tangentielle.