C6E2 – Conception d’actionneurs électromécaniques Présentation : J. LISCOUET, S. ORIEUX Préparation : M. BUDINGER, J. LISCOUET, S. ORIEUX , T. El HALABI

Plan de la présentation Objectifs de la présentation Cas test WP2 Electromécanique et cycle de conception Power Sizing : Lois d’échelles et implantation dans une librairie MODELICA Publication Proto virtuel : Bilan nul de puissances et d’efforts

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 l’aéronautique Donner les perspectives de travail pour la fin du projet

Cas test aéronautique MESSIER Dans le domaine aéronautique : Changement de technologie d’actionnement => passage de l’hydraulique vers l’électrique Problématique : conception d’une direction électrique de train d’atterrissage Objectifs de C6E2 WP2 : Concevoir des outils logiciels pour aider à la conception préliminaire de système d’actionnement électrique. Servo-hydraulic jack

Conception d’un système d’entraînement Charge mécanique Chaîne cinématique et réducteur Moteur Electrique Frein Capteurs Variateur de vitesse Source d’énergie Architecture à choisir et à dimensionner Contraintes définies par l’application 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 ?

Cycle de conception classique (1) La conception d’un système d’entraînement passe classiquement par plusieurs étapes : Besoins Produit Cahier des charges Recherche de solutions Validation des performances Architectures Synthèse de la commande Dimenssionement en puissance Synthèse du système Des outils de simulation (ex. Simulink) sont utilisés pour synthétiser la commande Prototype Intégration du prototype Le choix des composants se fait à l’aide d’outils maison (ex. routine excel) Intégration des composants Spécifications des composants Constituants du système Conception de détail

Cycle de conception classique (2) Ce cycle classique peut être lourd et complexe: - Dans le cadre de système d’actionnement 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 d’atteindre les étapes de simulation dynamique. Importances des modes de résonance (2) mécanique qui ont un gros impact sur ce dernier point. Besoins Produit Cahier des charges Recherche de solutions Validation des performances Architectures Synthèse de la commande Dimenssionement en puissance Prototype (2) (1) Intégration des composants Spécifications des composants Constituants du système Conception de détail Bilan : présence de boucles qui augmentent fortement les temps de développement et l’interaction entre les intervenants => On veut ici donner des outils logiciels pour limiter ces problèmes

Quels outils de simulation ? Les outils logiciels doivent permettre de répondre aux questions du développeur et présenter différentes caractéristiques : 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) ? Objectifs Produit 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 ? Dimensionnement en puissance Validation des performances Estimation des performances limites Simulation inverse acausale sur un profil de mission (Effort, vitesse fonction du temps) imposé au niveau de la charge. Spécification des composants Simulation directe causale Evaluation des modes propres et influence des raideurs de la transmission ou de l’accrochage Vérification des performances en boucle fermée     Synthèse de la commande Constituants du système Modèles à nombre de paramètres d’entrée réduit Conception de détail Modèles avancés

Partenaires C6E2 – WP2 sur ce cycle Constituants du système Besoins Produits Cahier des charges du cas test Messier et LGMT-INSA Niveau fonctionnel Messier et LGMT-INSA Validation des performances Niveau fonctionnel Conception préliminaire : spécification des composants LGMT-INSA LG2LAB-ENSIEG LGMT-INSA LAPLACE-N7 Prototype virtuel Niveau 1D – modele Network (Modelica) Niveau 1D fin Constituants du système Modèles analytiques de dimensionnement moteur Conception de détail Génération des macro modèles 3D vers 1D fin LAPLACE-N7 CEDRAT Obtention de la géométrie pour éléments finis Géométrie vers Eléments Finis 1D verts 3D (géométrie)

Conception préliminaire : modèles 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 l’issues de ces simulations, le concepteur veut également valider le choix des composants et comparer différentes architectures. évaluation de variables dimensionnantes, par ex. : TRMS (moteurs électriques), TRMC (réducteurs),… et de paramètres de comparaison, par ex. masse actionneurs électriques réducteurs mécaniques Modèles très simples obtenus par des lois de similitude (loi d’échelle). Paramétrage de ces lois sur des gammes de dispositifs industriels Optimisation de la masse, de la consommation, … et sélection d’architectures

C6E2 : état d’avancement INSA Toulouse Objectifs : Réaliser des modèles qui permettrait de créer une librairie de conception préliminaire de systèmes d’actionnement 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 d’échelle pour obtenir des modèles prédictifs Travail réalisé en grande partie Réalisation d’un programme Matlab utilisant ces modèles pour réaliser du dimensionnement automatique Modèles à bilan de puissance nulle (sortie puissance thermique) et bilan d’effort nuls (sortie d’ancrage) pour aider à spécifier certaines caractéristiques importantes Début d’étude en causal sous AMESim, premières briques Utilisation de la simulation inverse Modelica Librairie en cours de réalisation

Architecture comparison DESIGN PROBLEMATIC PROPOSED APPROACH (2) Modular Approach: Modules of components (sizing, simulation) Architecture: combination of component modules Sizing wave Mission cycle Mission cycle Design Explorer Reduction ratio N Archit-ecture 1 Mass obj. Mass Compo- nent 1 Compo- nent 2 Compo- nent 3 Compo- nent 4 Compo- nent 5 Σ Comp-onents Masses Mass Analysis Architecture comparison Power sizing Mass opt. architecture Storage Analysis results

DESIGN PROBLEMATIC PROPOSED APPROACH (3) Module of components: Sizing variables Definition parameters Simulation parameters Simulation model Considering internal energetic losses Comparison parameters Verify component validity range Definition parameters N, Lead Component mission cycle Next component mission cycle Sizing variables Tsizing Fsizing Simulation parameters T(t), F(t) Tmax, Fmax Scaling Laws Simulation model T(t), F(t) [θ(t),ω(t),γ(t)] J, K, τth,ŋ Trms, Ttherm [θ(t),ω(t),γ(t)] Tfat, Ffat Life Time Life Time Lh Lh Comparison parameters M

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. End bearings Nut Screw Picture from SKF website

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

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 Verify lead angle and Fsizing ranges Definition parameters Lead Component mission cycle Next component mission cycle Sizing variables Simulation parameters Fsizing F(t) Fmax T(t) Scaling Laws [x(t),v(t),α(t)] J, ŋ [θ(t),ω(t),γ(t)] Feq.,fat Life Time Life Time Lh Lh Comparison parameter M

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) 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

POWER SIZING MODULES (examples) Electric Component: Annular Brushless Motor (PM) Scaling Laws: Homothetic scaling, constant induction Iron losses function of motor speed Constant max heat power dissipation PJ+Pf=Plosses Number of poles increasing with the motor size TMBO210-050 ETEL

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 Verify Tsizing range and motor capacity in speed-torque plan Component mission cycle Next component mission cycle Sizing variables Simulation parameters Tsizing T n T(t) Tmax Scaling Laws Pel(t) [θ(t),ω(t),γ(t)] J, τth, ŋ Trms,Tth Comparison parameter M

Nose Gear Steering System TEST CASE Nose Gear Steering System Nose gear steering system Scaled to regional range commercial aircrafts Mission profile 3 electromechanical candidate architectures Servo-hydraulic jack

Nose Gear Steering System TEST CASE Nose Gear Steering System 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 Architecture A Architecture B Architecture C

Publication M. Budinger, J. Liscouët, S. Orieux, J.-C. Maré, « Automated Preliminary Sizing of Electromechanical Actuator Archtiectures », ELECTRIMACS, Québec, Canada, June 2008. …

Librairie MODELICA Les lois d’échelles Contenu : Les lois d’échelles L’évaluation de variables dimensionnantes Les modèles à bilan nul d’effort et de puissance Dans une librairie de conception préliminaire A tester en inverse et directe Etat actuel d’avancement : premières briques (moteur, réducteur, embrayage) et premiers essais de simulation

Librairie de conception préliminaire Premières briques sous modelica : couple DC brushless motor Gearbox Clutch Spur gear position LOAD Profil de mission

Paramètres des composants Modelica Profil de mission Paramètres des composants Modelica Un embrayage Telecomec GDF à dents  : Paramètres de définition : Couple nominale Paramètre de référence : couple maximal a la sortie de l’embrayage, l’inertie, masse de référence pour le réducteur. Paramètres de simulation : l’inertie de l’embrayage, masse de l’embrayage. Un réducteur Cyclo Sumitomo CF  : Paramètres de définition : Couple nominal Paramètre de référence : couple nominal, l’inertie, masse Paramètres de simulation : inertie, masse Un moteur cylindrique Brushless Danaher BH 626  : Paramètres de référence : Couple maximal, couple nominal, inertie, constante de temps thermique Paramètre de simulation : Inertie, Constante de temps thermique couple position

Exemple de résultats Pour un réducteur : Couple RMC (fatigue) Couple dimensionnant Le dimensionnement se fait composant par composant en remontant la chaîne d’actionnement de la charge vers le moteur. Pour chaque composant une première simulation permet de calculer la grandeurs dimensionnante. L’utilisateur entre ensuite cette valeur comme paramètre de définition et peut continuer pour le composant suivant.

Bilan nul d’efforts 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 l’asservissement et les performances en boucle fermée

Deux cas tests Développement de 5 modèles de composant : roue Vis à rouleaux tube tournant embrayage pignon Reducteur Cylo Drive Crémaillère tube tournant moteur Développement de 5 modèles de composant : - Vis à rouleaux - Réducteur CycloDrive - Roue et vis sans fin - Crémaillère - Embrayage moteur reducteur

Port de fixation de la vis Vis à rouleaux Roue et vis sans fin Port thermique Bilan puissance Port de fixation de la vis Mvis + Mecrou Port anti Rotation de l’écrou Iecrou Mvis Port translation Mecrou Port rotation Ivis : frottement de Coulomb + Stribeck + Visqueux Identification de six paramètres Expérimentation Calage sur les courbes de rendements constructeurs

Port de fixation de la vis Vis à rouleaux Roue et vis sans fin Port thermique Bilan puissance Port de fixation de la vis Mvis + Mecrou Port anti Rotation de l’écrou Iecrou Mvis Port translation Mecrou Port rotation Ivis Raideur dépendante du mode de fixation de la vis de la position de l’écrou Intégration éventuelle du jeu Mvis + Mecrou Pertes mécanique Chaleur

Port de fixation de la vis Vis à rouleaux Roue et vis sans fin Port thermique Bilan puissance Port de fixation de la vis Mvis + Mecrou Port anti Rotation de l’écrou Iecrou Mvis Port translation Mecrou Port rotation Ivis Modèle existant déjà sous Amesim Paramètres calés expérimentalement En cours d’intégration sous Amesim / Modelica

Port rotation arbre lent Réducteur CycloDrive Réducteur CycloDrive Port anti Rotation Icorps Port rotation arbre lent Il Port rotation Arbre rapide Ir Mtotale Port thermique Raideur dépendante du couple de sortie Intégration éventuelle du jeu. Mtotale Pertes mécanique réparties sur l’entrée et la sortie Chaleur

Port rotation arbre lent Réducteur CycloDrive Réducteur CycloDrive Port anti Rotation Icorps Port rotation arbre lent Il Port rotation Arbre rapide Ir Mtotale Port thermique Modèle physique en cours de développement Récupération de données expérimentales possible Modèle certainement générique pour d’autres types de réducteur