Groupe de Recherches en Electrodynamique Laboratoire LAPLACE, UMR CNRS INPT / UPS, 2, rue Charles Camichel, P.P. 7122, 31071 TOULOUSE Cedex (France) Carole HENAUX: - Tel 05.34.32.23.76 fax 05.61.63.88.75 - Mail carole.henaux@laplace.univ-tlse.fr

Mécanique Electricité Magnétisme Electrodynamique Une ambition : Concourir à l’Innovation en Electrodynamique Magnétisme Mécanique Electrodynamique Electricité

Une équipe aux compétences pluri-disciplinaires (C) : CNRS (E) : MENRT Une équipe aux compétences pluri-disciplinaires Electromagnétisme Y. LEFEVRE (C) Optimisation F. MESSINE (E) Modélisation des phénomènes couplés Problèmes inverses Technologie/ conception D. HARRIBEY (C) Polymères E. DUHAYON (E) Moteurs et actionneurs électroactifs Machines électromagnétiques innovantes Moteurs fluidiques Moteurs piézo, tribologie J-F. ROUCHON (E) Mécatronique C. HENAUX (E) Transducteurs F. PIGACHE (E)

Les thèmes de recherche Structures et interfaces fonctionnelles Moteurs à haute performances Conversion électromécanique de l’énergie Electrodynamique théorique Moteurs fluidiques

Les collaborations et partenariats Phénomènes couplés Equipements Industriels Modélisation Grucad de l’UFSC – Brésil, Alstom, Groupement De Recherche (GDR CNRS “SDSE”) AREVA-TA TFE, Technofan Actionneurs Electromagnétiques Innovants GLOBAL SUBMARINE ELF-EP, ALSTHOM Structures et Systèmes Intelligents Problème Inverse IRIT /INPT-UPS, GERAD Montréal Matériaux Magnétiques European MAG - NET Systèmes embarqués Network Trinity College DUBLIN, ARELEC company ... IN - INTERTECHNIQUE, Problème Inverse AUXILEC, PRECILEC MUIRAID VACTRIC, ONERA, AIRBUS, SAGEM, Actionneurs pour les systèmes mécatroniques Matériaux électroactifs EUROCOPTER, GOODRICH AIRBUS, ONERA, IMFT, DGA, RATIER-FIGEAC, GOODRICH, LIEBHERR, SAGEM, CNES SILMACH, Sinaptec, RB3D Moteurs fluidiques LGEF/INSA Lyon, LTDS/ECL Lyon, Spatial Mécatronique Interfaces Electroactives CNES, DGA

Actionneurs Electromagnétiques Innovants (C) : CNRS (E) : Enseignant/chercheur Doctorants Le Groupe Phénomènes couplés Dr. Eric Duhayon (E) T. Delphin Rania Al Hzzoury Actionneurs Electromagnétiques Innovants Dr Yvan Lefevre (C) A. Velasquez L. Avez Dr Frédéric Messine (E) JF Allias Structures et Systèmes Intelligents S. Yamine Dominique Harribey (C) A. Rossi Dr. Carole Henaux (E) Problème Inverse Dr. François Pigache (E) S. Sanogo Dr. J.F. Llibre (E) D. Jarrot Dr. J. F. Rouchon (E) Moteurs fluidiques K. Kahalerras J. Scheller Mécatronique Interfaces Electroactives M. Mesurolles T. Martin

Piézomoteurs Thème « Moteurs à haute performance » CONTEXT E et OBJECTIFS Obtention de structures de conversion d’énergie électromécanique à fort couple massique (> 10 N.m.kg-1) Nouvelle structures de conversion résonante ou quasistatique utilisant le concept de lubrification électroactive Structure de conversion avec entraînement par obstacle (Collaboration RB3D-Laplace-DGA) dans le cadre d’un financement de type REI) Figure : maquette de validation du concept PADECO VERROUS SCIENTIFIQUES et TECHNOLOGIQUE Concept d’actionneur multi-cellulaire avec autoadaptativité à une même fréquence de résonances des cellules piézoélectriques Génération de surfaces texturées pour l’entrâinement par obstacle RESULTATS Mise en oeuvre de structures de moteurs piézoélectriques quasistatiques multicellulaires sécuritaire pour application nucléaires cellule élémentaire pour frotement contrôlé

Machines à haut niveau de disponibilité Thème « Moteurs à haute performance » Machines à haut niveau de disponibilité CONTEXTE et OBJECTIFS Projet Europeen MOET : More Electrical technologies (Collaboration avec GOODRICH) Définir et développer des actionneurs électromagnétiques à haut niveau de sécurité de fonctionnement pour des commandes de vol primaires Figure -1 Actionneur à aimants permanent et poudres magnétique composites pour commandes de vol – (GOODRICH/GREM3) VERROUS SCIENTIFIQUES Exploitation des poudres magnétiques composites pour la définition d’un circuit magnétique d’actionneur à phases mécaniquement et électriquement découplées Assurer un fonctionnement l’actionneur en mode de dégradé après apparition d’un défaut électrique RESULTATS Fort couple massique obtenu par augmentation de la densité de courant Non propagation des courants de défauts et possibilité de fonctionnement en mode dégradé maquette du moteur AXIAMAG

Thème « Moteurs fluidiques » Problèmes électromagnétiques et optimisation globale : le moteur ionique CONTEXTE et OBJECTIFS GDR propulsion PLASMA : définition du circuit magnétique d’un moteur de propulsion à effet Hall Déterminer les "causes" structurelles et matérielles à partir des "effets" magnétiques souhaités par inversion du problème magnétostatique B original B nouvelle solution Figure 1 : Résultats obtenus sur une distribution de fils à partir de points de mesure donnés Maquette du PPS Flex developpé VERROUS SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES Formulation et traitement d’un problème inverse en magnétostatique à l’aide de la loi de Biot et Savart Résolution du problème par méthode d’optimisation déterministe de type “branch & bound” par intervalle 1ère application : obtention d’une cartographie de champ, décrite sous ère application forme de points de mesure, par une distribution de fils.

Pompe à membrane magnétoactive Thème « Moteurs fluidiques » Pompe à membrane magnétoactive CONTEXTE ET OBJECTIFS : Emploi des matériaux polymères pour l’actionnement, Exploration des différents concepts (électroactifs, électroactivés et magnétoactivés), Caractérisation des solutions (magnétique, mécanique) Etude de faisabilité sur un démonstrateur (emploi en situation réelle de la solution), Mise en oeuvre d’un modèle analytique comportemental simplifié de la solution mise en oeuvre. Démonstrateur de pompe à membrane « magnétoactivée » VERROUS SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES Approche pragmatique sans à priori orientée sur la mise en oeuvre expérimentale en utilisant les différents matériaux disponibles dans le commerce, Premières actions sur les problèmes d’alimentation (électrodage, claquage) et d’intégration (excitation magnétique). RESULTATS : Le silicone magnétoactivé s’avère être le meilleur compromis tant en terme de couplage magnéto-mécanique attendus qu’en ce qui concerne la simplicité d’une excitation magnétique à distance éliminant les problèmes électriques. membrane en silicone chargé « magnétoactivée »

Moteurs tout polymère Thème « Plasto-machines électromagnétiques » Ebauches de formes de moteurs polymères CONTEXTE ET OBJECTIFS : Les niches technologiques d’emploi des polymères nous donnent accès à des matériaux présentant des propriétés de plus en plus poussées (conducteurs, magnétiques, diélectriques), Au stade actuel, est-il possible de mettre au point une structure de machine électromagnétique tout polymère combinant les propriétés nécessaires à son fonctionnement ? Bilame polymère Stator polymère VERROUS SCIENTIFIQUES Quelles sont les propriétés (des constituants) indispensables au fonctionnement d’une machine ? Comment exciter un matériau polymère afin qu’il présente des propriétés électriques ou magnétiques ? Comment mettre en forme ce moteur (multi couches polymères, mono couche dopée, gravure, …) ? RESULTAT ATTENDU : Un démonstrateur 100% polymère créant une action sous excitation électrique. Flap polymere de propulsion pour un ballon dirigeable

Contrôle du frottement Thème « Structures et interfaces fonctionnelles » Contrôle du frottement CONTEXTE et OBJECTIFS A l’heure actuelle, les moteur piézoélectriques souffrent d’interactions vibrations/frottement au sein de l’interface rotor/stator qui tendent à limiter leurs performances. La diminution des forces de frottement peut être abordée non seulement par l’optimisation de propriétés de surfaces mais aussi par des phénomènes dynamiques (vibrations produites) accessibles maintenant par l’intégration d’actionneurs électroactifs de type piézoélectrique. VERROUS SCIENTIFIQUES Etude du couplage vibrations/frottement en vue de réduire les forces de frottement, de les contrôler électriquement par des vibrations produites au sein de contact solide/solide (ASIATECH) Modélisation du contact dynamique, recherche de géométrie et de matériaux optimisant le taux de réduction du coefficient de frottement. (AREVA-TA) Optimisation du rendement de conversion de l’énergie électromécanique RESULTATS Obtention de taux de réduction jusqu’à 85 % Moteur thermique équipé de deux actionneurs piézo mettant en vibration la chemise

Génération et contrôle des plasmas par effet piézoélectrique Thème « Structures et interfaces fonctionnelles » Génération et contrôle des plasmas par effet piézoélectrique CONTEXTE Génération de plasmas froids à l’aide du potentiel électrique développé au sein des matériaux piézoélectriques. Maitrise du potentiel électrique à la surface du matériau piézoélectrique pour promouvoir localement la ionisation du gaz environnant. OBJECTIFS Comprendre et modéliser les interactions existantes entre le plasma et le dispositif piézoélectrique (modèle multi-physique). Définir et optimiser des architectures pouvant satisfaire la création de gaz ionisés sur une surface piézo-active. Transformateur piézoélectrique de type Rosen VERROUS SCIENTIFIQUES Approches analytique et numérique des transformateurs piézoélectriques (déformation – potentiel électrique – facteur de couplage…) Approche analytique et numérique du champ électrique (ANSYS® - modèle couplé piézo/plasma) Validation pratique du phénomène sous environnement contrôlé (pression, gaz…). RESULTATS Modèle analytique multimodal paramétrable du PT Exploitation du modèle pour un dimensionnement par algorithme déterministe d’optimisation globale. Décharge luminescente et champ électrique théorique environnant un transformateur piézoélectrique

Voilure intelligente Thème « Structures et interfaces fonctionnelles » CONTEXTE et OBJECTIFS Démontrer la faisabilité de structure de voilures à déformation contrôlée en vue d’optimiser les performances aérodynamiques et la commandabilité Sélectionner et comparer les technologies de matériaux électroactifs potentiellement utilisables Définir et optimiser l’ensemble structure/matériau électroactif dans le contexte d’application précise (collaboration avec AIRBUS, ainsi qu’avec l’IMFT et l’ISAE dans le cadre du projet EMMAV labellisé par le RTRA Figure : maquette de voilure à vrillage contrôlé VERROUS SCIENTIFIQUES Intégration des lois de comportement des matériaux électroactifs dans les outils de modélisation des couplages fluides/structures Développement de modèles multi-échelles pour l’optimisation du bilan massique et énergétique global Test sur maquette et démonstrateur à échelle réduite RESULTATS Etude de faisabilité d’un système de dévrillage d’une voilure souple de grande dimension (partenariat avec AIRBUS-dept. Cde de Vol et dept. Structutres maquette de voilure à base d’AMF Essais en soufflerie

Capteurs biomécaniques de surface Thème « Structures et interfaces fonctionnelles » Capteurs biomécaniques de surface CONTEXT E et OBJECTIFS Mise en œuvre d’une technologie de capteur piézoélectriques basée sur l’analyse de l’impédance électromécanique. Objectif technologique visant à l ’élaboration de capteurs à forte raideur (>109 N/m). Application dans le contexte d’actionneur à retour d’effort pour l’aéronautique Caractérisation de matériaux viscoélastiques pour les applications biomédicales (caractérisation de l’épiderme, détection de zones malignes naissantes) – Collaboration ECL-LTDS Figure : Comparaison de la réponse du capteur résonant piézoélectrique avec une référence VERROUS SCIENTIFIQUES Modélisation par approche variationnelle de l’impédance électromécaniques de l’actionneur et de sa charge. Evaluation de la variation d’impédance électromécanique en fonction du milieu considéré. Approche mécatronique (capteur et électronique d’alimentation dédiée). Approche théorique et expérimentale. RESULTATS Mise en œuvre de capteurs piézoélectriques résonants pour manche à retour d’effort d’aéronef (Ratier-Figeac – projet GASVT – Aerospace Valley) Essais sur peau et banc de traction

Calcul analytique du champ Thème “Electrodynamique théorique” Calcul analytique du champ CONTEXTE et OBJECTIFS Disposer de modèles de dimensionnement de machines électromagnétiques exploitables dans un processus d‘optimisation globale rapide Développer des modèles analytiques des machines couplant les propriétés physiques des matériaux constitutifs et des paramètres structurels Prendre en compte les effets magnétodynamiques inhérents au fonctionnement à haute vitesse des machines (pertes dans les parties conductrices) Figure : Calcul du couple et des courants induits dans une machine à aimants permanents VERROUS SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES Définition de l’équation caractéristique du problème (équation de Laplace, équation de diffusion) à partir des équations de Maxwell et des lois constitutives des milieux matériels en présence Exploitation du théorème de superposition et résolution des équations caractéristiques afin de prendre en compte les effets magnétodynamiques à partir d’une modélisation en régime quasi-statique maquette ZIGMAG

Modélisation magnéto-mécanique des milieux déformables Thème “Electrodynamique théorique” Modélisation magnéto-mécanique des milieux déformables Formulation Faible Formulation Forte Passage de la composante Ht du champ à l’interface Fer - Air OBJECTIFS Principal objectif: calculer la déformation de structures magnétiques souples soumis à un champ magnétique non-uniforme. CONTEXTE Ce calcul nécessite de calculer précisément le champ magnétique. Or, la formulation faible classique utilisée dans la méthode des éléments finis ne respecte fortement qu’une seule des conditions de passage du champ, l’autre condition n’étant respecté que faiblement. Ceci peut influencer de manière importante le calcul des densités de forces magnétiques et par la suite le calcul des déformations VERROUS SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES Expliciter et mettre en évidence le non-respect d’une des conditions de passages dans les modèles éléments finis utilisant une formulation faible; Etudier l’influence de ce problème sur le calcul de la répartition des densités de force magnétique; Proposer une solution en utilisant une formulation forte. RESULTATS OBTENUS Le non-respect des conditions de passage et son influence sur le calcul des densités de force magnétique ont été mis en évidence à l’aide d’un code spécialement développé et avec le logiciel ANSYS; Un banc expérimental a permis de valider la solution proposée.

Optimisation globale déterministe et conception en électromagnétisme Thème “Electrodynamique théorique” Optimisation globale déterministe et conception en électromagnétisme OBJECTIFS Principal objectif: associer les méthodes d’optimisation globale avec de modèles nécessitant un nombre minimal d’hypothèses. CONTEXTE Les méthodes d’optimisation globale utilisées sont basées sur un algorithme de type Branch & Bound et l’Arithmétique d’Intervalles (IBBA) pour les calculs de bornes. Deux approches sont alors possibles: Améliorer les méthodes analytiques pour réduire le nombre d’hypothèses; Utiliser des modèles numériques Comparaison de IBBA classique et de IBBA+NUMT VERROUS SCIENTIFIQUES ET TECHNOLOGIQUES Associer IBBA avec des modèles basés sur la résolution analytique des équations du champ magnétique. Ces modèles nécessitent moins d’hypothèses que les modèles classiques d’actionneur; Reformuler le problème de la conception pour prendre en compte l’évaluation des performances à l’aide d’un modèle numérique. RESULTATS OBTENUS L’association avec des modèles basés sur la résolution analytique du champ a permis de mettre en évidence certaines limites de IBBA et de donner aux spécialistes de ces méthodes des pistes pour améliorer ces méthodes Une approche originale, appelée IBBA+NUMT, associant IBBA avec des modèles analytiques et numériques a été mis au point.