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C6E2, Toulouse, 25 juin 2008 135 avenue de Rangueil – 31077 Toulouse cedex 4 – Tel : 05.61.55.97.02 – Fax : 05.61.55.97.00 - www.insa-toulouse.fr page.

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1 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 1 C6E2 – Conception dactionneurs électromécaniques Présentation : J. LISCOUET, S. ORIEUX Préparation : M. BUDINGER, J. LISCOUET, S. ORIEUX, T. El HALABI

2 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 2 Plan de la présentation Objectifs de la présentation Cas test WP2 Electromécanique et cycle de conception Power Sizing : Lois déchelles et implantation dans une librairie MODELICA Publication Proto virtuel : Bilan nul de puissances et defforts

3 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 3 Objectifs de la présentation Donner des éléments de discussion pour le document chapeau de septembre 2008 Faire un bilan des outils logiciels réalisé dans le cadre du cas test WP2 Actionneurs électriques pour laéronautique Donner les perspectives de travail pour la fin du projet

4 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 4 Cas test aéronautique MESSIER Dans le domaine aéronautique : Changement de technologie dactionnement => passage de lhydraulique vers lélectrique Problématique : conception dune direction électrique de train datterrissage Objectifs de C6E2 WP2 : Concevoir des outils logiciels pour aider à la conception préliminaire de système dactionnement électrique. Servo- hydraulic jack

5 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 5 Charge mécanique Chaîne cinématique et réducteur Moteur Electrique Frein Capteurs Variateur de vitesse Source dénergie Architecture à choisir et à dimensionner Contraintes définies par lapplication Conception dun système dentraînement Au début de la conception : Comment évaluer rapidement les différentes architectures possibles ? Comment évaluer les principales performances et les principales caractéristiques ? Comment spécifier les différents composants au mieux ?

6 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 6 La conception dun système dentraînement passe classiquement par plusieurs étapes : BesoinsProduit Constituants du système Conception de détail Synthèse de la commande Cycle de conception classique (1) Synthèse du système Intégration du prototype Recherche de solutions Cahier des charges Spécifications des composants Dimenssione ment en puissance Architectures Intégration des composants Prototype Validation des performances Le choix des composants se fait à laide doutils maison (ex. routine excel) Des outils de simulation (ex. Simulink) sont utilisés pour synthétiser la commande

7 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 7 Ce cycle classique peut être lourd et complexe: - Dans le cadre de système dactionnement mécatronique : présences de différentes technologies -=> Grand jeu de paramètres difficiles a connaitre en debut de cycle : nécessite aller- retour (1) entre niveau système et niveau constituant (utilisation de catalogues, devis, expertise de spécialistes métiers, …) -=> Difficiles de prédire les performances en boucle fermée avant datteindre les étapes de simulation dynamique. -Importances des modes de résonance (2) mécanique qui ont un gros impact sur ce dernier point. BesoinsProduit Constituants du système Conception de détail Synthèse de la commande Cycle de conception classique (2) Recherche de solutions Cahier des charges Spécifications des composants Dimenssione ment en puissance Architectures Intégration des composants Prototype Validation des performances (1) (2) Bilan : présence de boucles qui augmentent fortement les temps de développement et linteraction entre les intervenants => On veut ici donner des outils logiciels pour limiter ces problèmes

8 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 8 Les outils logiciels doivent permettre de répondre aux questions du développeur et présenter différentes caractéristiques : Modèles à nombre de paramètres dentrée réduit Modèles avancés Intégration : Le dispositif peut-il valider les spécifications demandées ? La commande synthétisée est-elle robuste ? Comment utiliser les données constructeurs, les résultats de simulations éléments finis et rendre compte des mesures ? Synthèse ou conception préliminaire : Le dispositif peut-il respecter le cahier des charges (points nominaux ou profil de missions) aux niveaux efforts et vitesses (puissance) ? ObjectifsProduit Constituants du système Dimensionnement en puissance Estimation des performances limites Validation des performances Spécification des composants Conception de détail Synthèse de la commande Quels outils de simulation ? Simulation inverse acausale sur un profil de mission (Effort, vitesse fonction du temps) imposé au niveau de la charge. Simulation directe causale Evaluation des modes propres et influence des raideurs de la transmission ou de laccrochage Vérification des performances en boucle fermée

9 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 9 Génération des macro modèles BesoinsProduits Constituants du système Conception préliminaire : spécification des composants Validation des performances Conception de détail Prototype virtuel Partenaires C6E2 – WP2 sur ce cycle Cahier des charges du cas test Modèles analytiques de dimensionnem ent moteur Obtention de la géométrie pour éléments finis Messier et LGMT-INSA LGMT-INSA LAPLACE-N7 CEDRAT LG2LAB-ENSIEG LGMT-INSA LAPLACE-N7 Messier et LGMT-INSA Niveau fonctionnel Niveau 1D – modele Network (Modelica) 1D verts 3D (géométrie) Géométrie vers Eléments Finis 3D vers 1D fin Niveau 1D fin Niveau fonctionnel

10 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 10 Une simulation nécessite de nombreux paramètres paramètres de simulation, par ex. : inertie, raideur, constante de temps thermique, … Le concepteur veut balayer rapidement un grand choix de solutions et voudrait éviter de chercher ces paramètres de simulation. il préférerait travailler en terme de paramètres de définition, par ex. : couple nominal, vitesse, rapport de réduction, … A lissues de ces simulations, le concepteur veut également valider le choix des composants et comparer différentes architectures. évaluation de variables dimensionnantes, par ex. : T RMS (moteurs électriques), T RMC (réducteurs),… et de paramètres de comparaison, par ex. masse Modèles très simples obtenus par des lois de similitude (loi déchelle). Paramétrage de ces lois sur des gammes de dispositifs industriels Optimisation de la masse, de la consommation, … et sélection darchitectures actionneurs électriques réducteurs mécaniques Conception préliminaire : modèles

11 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 11 C6E2 : état davancement INSA Toulouse Objectifs : Réaliser des modèles qui permettrait de créer une librairie de conception préliminaire de systèmes dactionnement électromécanique comprenant notamment : - un bloc moteur générique - des blocs de transmissions mécaniques Ces blocs seront construits autour de modèles simples avec un nombre réduit de paramètres à rentrer : - Utilisation de loi déchelle pour obtenir des modèles prédictifs Travail réalisé en grande partie Réalisation dun programme Matlab utilisant ces modèles pour réaliser du dimensionnement automatique - Modèles à bilan de puissance nulle (sortie puissance thermique) et bilan deffort nuls (sortie dancrage) pour aider à spécifier certaines caractéristiques importantes Début détude en causal sous AMESim, premières briques - Utilisation de la simulation inverse Modelica Librairie en cours de réalisation

12 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 12 DESIGN PROBLEMATIC PROPOSED APPROACH (2) Modular Approach: –Modules of components (sizing, simulation) –Architecture: combination of component modules –Sizing wave Compo- nent 1 Compo- nent 2 Compo- nent 3 Compo- nent 4 Compo- nent 5 Design Explorer Reduction ratio N Mass Analysis Architecture comparison Mass opt. architecture StorageAnalysis results Mission cycle Archit- ecture 1 Comp- onents Masses Σ Mass Mass obj. Power sizing Mission cycle

13 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 13 DESIGN PROBLEMATIC PROPOSED APPROACH (3) Module of components: –Sizing variables –Definition parameters –Simulation parameters – Simulation model – Considering internal energetic losses – Comparison parameters Sizing variables Component mission cycle T(t), F(t) [θ(t), ω(t),γ(t)] Life Time LhLh T max, F max T rms, T therm T fat, F fat T sizing F sizing Scaling Laws Simulation parameters J, K, τ th,ŋ Simulation model T(t), F(t) LhLh [θ(t), ω(t),γ(t)] Next component mission cycle Life Time Definition parameters N, Lead Comparison parameters M Verify component validity range

14 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 14 POWER SIZING MODULES (examples) Mechanical Component: Roller-Screw Principle: –Rotation of a screw leading to a movement of translation of a nut. Nut based on rollers around the screw. End bearings maintain the roller-screw in position. –Reduction ratio given by the lead (mm/rev) of the screw. Nut End bearings Screw Picture from SKF website

15 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 15 POWER SIZING MODULES (examples) Mechanical Component: Roller-Screw Scaling Laws –Constant maximum constraint in the material. –Homothetic geometrical variation –Screw dimension, lead efficiencies –Course, nut and bearing lengths screw length and mass

16 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 16 POWER SIZING MODULES (examples) Mechanical Component: Roller-Screw Roller screw module: –Sizing variables –Definition parameters –Simulation parameters – Comparison parameters – Simulation model – Incl. internal energetic losses Sizing variables Component mission cycle F(t) [x(t), v(t),α(t)] Life Time LhLh F max F eq.,fat F sizing Scaling Laws Simulation parameters J, ŋ T(t) LhLh [θ(t), ω(t),γ(t)] Next component mission cycle Life Time Definition parameters Lead Comparison parameter M Verify lead angle and F sizing ranges

17 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 17 POWER SIZING MODULES (examples) Electric Component: Annular Brushless Motor (PM) General Description –Typical architecture for annular permanent magnet motor. –high number of poles + higher torque density, - lower speed T (Nm) 0 n (rpm) Cont. torque Trans. torque Picture from Comparaison du couple massique de diverses architectures de machines tournantes synchrones à aimants, B. MULTON, H. BEN AHMED, M. RUELLAN, G. ROBIN

18 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 18 POWER SIZING MODULES (examples) Scaling Laws: –Homothetic scaling, constant induction –Iron losses function of motor speed –Constant max heat power dissipation P J +P f =P losses –Number of poles increasing with the motor size Electric Component: Annular Brushless Motor (PM) TMBO ETEL

19 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 19 POWER SIZING MODULES (examples) Electric Component: Annular Brushless Motor (PM) Annular brushless motor module: –Sizing variables –Definition parameters –Simulation parameters – Comparison parameters – Simulation model – Incl. internal energetic losses Sizing variables Component mission cycle T(t) [θ(t), ω(t),γ(t)] T max T rms,T th T sizing Scaling Laws Simulation parameters J, τ th, ŋ Comparison parameter M P el (t) Next component mission cycle T 0 n Verify T sizing range and motor capacity in speed-torque plan

20 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 20 TEST CASE Nose gear steering system –Scaled to regional range commercial aircrafts Mission profile 3 electromechanical candidate architectures Nose Gear Steering System Servo- hydraulic jack

21 135 avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 21 TEST CASE Results: –In-house prototype developped within a Matlab environment –Variation of total mass as function of transmition ratio for each architecture Mass optimization Architecture comparison Nose Gear Steering System Architecture A Architecture C Architecture B

22 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 22 Publication M. Budinger, J. Liscouët, S. Orieux, J.-C. Maré, « Automated Preliminary Sizing of Electromechanical Actuator Archtiectures », ELECTRIMACS, Québec, Canada, June …

23 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 23 Librairie MODELICA Contenu : Les lois déchelles Lévaluation de variables dimensionnantes Les modèles à bilan nul deffort et de puissance Dans une librairie de conception préliminaire A tester en inverse et directe Etat actuel davancement : premières briques (moteur, réducteur, embrayage) et premiers essais de simulation

24 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 24 LOAD DC brushless motor Gearbox Clutch Spur gear Librairie de conception préliminaire Profil de mission position couple Premières briques sous modelica :

25 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 25 Profil de mission position couple Un réducteur Cyclo Sumitomo CF : Paramètres de définition : Couple nominal Paramètre de référence : couple nominal, linertie, masse Paramètres de simulation : inertie, masse Un moteur cylindrique Brushless Danaher BH 626 : Paramètres de définition : Couple nominal Paramètres de référence : Couple maximal, couple nominal, inertie, constante de temps thermique Paramètre de simulation : Inertie, Constante de temps thermique Un embrayage Telecomec GDF à dents : Paramètres de définition : Couple nominale Paramètre de référence : couple maximal a la sortie de lembrayage, linertie, masse de référence pour le réducteur. Paramètres de simulation : linertie de lembrayage, masse de lembrayage. Paramètres des composants Modelica

26 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 26 Exemple de résultats Pour un réducteur : Couple RMC (fatigue) Couple dimensionnant Le dimensionnement se fait composant par composant en remontant la chaîne dactionnement de la charge vers le moteur. Pour chaque composant une première simulation permet de calculer la grandeurs dimensionnante. Lutilisateur entre ensuite cette valeur comme paramètre de définition et peut continuer pour le composant suivant.

27 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 27 Bilan nul defforts et de puissance Pour le prototype virtuel, il est intéressant : - De pouvoir tenir des pertes à partir des grandeurs constructeurs et des frottements correspondants - De pouvoir tenir compte des modes de résonances provenant notement de la souplesse des accrochages => Influence sur lasservissement et les performances en boucle fermée

28 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 28 moteur embrayage Reducteur Cylo Drive tube tournant roue moteur reducteur tube tournant Vis à rouleaux Crémaillère pignon Deux cas tests Développement de 5 modèles de composant : - Vis à rouleaux - Réducteur CycloDrive - Roue et vis sans fin - Crémaillère - Embrayage

29 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 29 I ecrou I vis M ecrou M vis Port anti Rotation de lécrou Port de fixation de la vis M vis + M ecrou Port thermique Bilan puissance Port rotation Port translation frottement de Coulomb + Stribeck + Visqueux Identification de six paramètres Expérimentation Calage sur les courbes de rendements constructeurs Vis à rouleaux Roue et vis sans fin

30 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 30 I ecrou I vis M ecrou M vis Port anti Rotation de lécrou Port de fixation de la vis M vis + M ecrou Port thermique Bilan puissance Port rotation Port translation Raideur dépendante du mode de fixation de la vis de la position de lécrou Intégration éventuelle du jeu M vis + M ecrou Pertes mécaniqueChaleur Vis à rouleaux Roue et vis sans fin

31 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 31 I ecrou I vis M ecrou M vis Port anti Rotation de lécrou Port de fixation de la vis M vis + M ecrou Port thermique Bilan puissance Port rotation Port translation Modèle existant déjà sous Amesim Paramètres calés expérimentalement En cours dintégration sous Amesim / Modelica Vis à rouleaux Roue et vis sans fin

32 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 32 I corps IrIr Port anti Rotation M totale Port thermique Port rotation Arbre rapide Port rotation arbre lent IlIl Réducteur CycloDrive Raideur dépendante du couple de sortie Intégration éventuelle du jeu. Pertes mécanique réparties sur lentrée et la sortie Chaleur M totale Réducteur CycloDrive

33 C6E2, Toulouse, 25 juin avenue de Rangueil – Toulouse cedex 4 – Tel : – Fax : page 33 I corps IrIr Port anti Rotation M totale Port thermique Port rotation Arbre rapide Port rotation arbre lent Modèle physique en cours de développement Récupération de données expérimentales possible Modèle certainement générique pour dautres types de réducteur IlIl Réducteur CycloDrive


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