Motorisation d’un scanner du CERN Travail de Bachelor 2014 & Stage de 2 mois au CERN Motorisation d’un scanner du CERN Diplômant : Colin Grosjean Professeur HEIG-VD : M. Christophe Besson Mandataire : CERN Contact : M. Jonathan Emery

Contenu de la présentation : Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Contenu de la présentation : Introduction Présentation du nouveau BWS du CERN Spécifications Prototype Moteurs standards sur le marché envisageables pour le BWS Conception d’un moteur pour le BWS Topologie, matériaux Dimensionnement, modélisation, simulation et optimisation Conception d’un verrouillage électromagnétique pour le BWS Stage de 2 mois au CERN Conclusion

Introduction Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Fonctionnement d’un BWS

Introduction Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Anciennes générations de BWS Principal problème rencontré

Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Introduction

Présentation du nouveau BWS du CERN Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Présentation du nouveau BWS du CERN Spécifications Vitesse lors de la traversée du faisceau 20 [𝑚/𝑠] Précision de la mesure de la position du fil 4 𝜇𝑚 Parcours maximal pour atteindre la vitesse maximale 𝜋 3 𝑟𝑎𝑑 Epaisseur minimale de la paroi de la chambre à vide 0.3 [𝑚𝑚] Température lors des phases d’étuvage 200 [°𝐶] Dose maximale de rayonnements ionisants cumulée 20′000 [𝐺𝑦] Dégazage maximal 10 −9 [ 𝑃𝑎∙ 𝑚 3 𝑠 ] Moment d’inertie de la charge fixe 6.32∙ 10 −4 [𝑘𝑔∙ 𝑚 2 ] 𝛼= 𝑇− 𝑇 𝑟é𝑠 𝐽 𝑟𝑜𝑡𝑜𝑟 + 𝐽 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 + 𝐽 𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 𝑓𝑖𝑥𝑒 𝑟𝑎𝑑 𝑠 2 ⟹ 𝛼 𝑚𝑎𝑥 = 40 ′ 000 𝑟𝑎𝑑 𝑠 2

Présentation du nouveau BWS du CERN Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Présentation du nouveau BWS du CERN Prototype

Présentation du nouveau BWS du CERN Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Présentation du nouveau BWS du CERN Prototype

Moteurs standards sur le marché envisageables pour le BWS Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Moteurs standards sur le marché envisageables pour le BWS Type de moteur : Moteur synchrone à aimants permanents Phase automation TK85-140-01 Alxion 145STK6M 2 x Parker K500300 L’utilisation d’un moteur disponible sur le marché ou l’utilisation de deux moteurs en série ne sont pas des solutions convaincantes ⟹ Conception d’un nouveau moteur qui répond à toutes les exigences

Conception d’un moteur pour le BWS Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Conception d’un moteur pour le BWS Topologie, matériaux

Conception d’un moteur pour le BWS Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Conception d’un moteur pour le BWS Topologie, matériaux ⟹ Diamètre extérieur du rotor : 55 [mm] / Longueur active : 150 [mm] Alxion 145STK6M Phase automation TK85-140-01 2 x Parker K500300 Parker K500150

Conception d’un moteur pour le BWS Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Conception d’un moteur pour le BWS Topologie, matériaux AT ATA ARE 12 encoches / 10 pôles Aimants permanents Samarium-cobalt Culasse du stator Tôle M 400-50 A Culasse du rotor Acier S235

Conception d’un moteur pour le BWS Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Conception d’un moteur pour le BWS Dimensionnement, modélisation, simulation et optimisation Dimensionnement et modélisation des trois variantes de moteur Simulations électromagnétiques (Flux2D) et optimisation : Lignes de champ et induction magnétique Couple de détente, couple réluctant, couple électromagnétique Essai du moteur en génératrice à vide, en court-circuit et à vide Simulations thermiques (Motor-CAD) : Régime permanent et transitoire 1000 mesures / 2000 cycles Etablissement d’une fiche technique pour les trois variantes de moteur

Simulations électromagnétiques et thermiques Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Simulations électromagnétiques et thermiques Lignes de champ (AT) Induction (AT) Simulations thermiques en régime permanent

Conception d’un verrouillage électromagnétique pour le BWS Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Conception d’un verrouillage électromagnétique pour le BWS

Positions particulières Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Verrouillage électromagnétique pour le BWS Positions particulières

Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Stage de 2 mois au CERN Verrouillage magnétique pour le prototype du BWS

Stage de 2 mois au CERN Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Stage de 2 mois au CERN Optimisation du stator du moteur pour le BWS Augmentation des dimensions de la culasse du stator pour réduire la saturation magnétique Guide pour la réalisation d’un prototype du moteur du BWS Guide composé des informations nécessaires pour la fabrication du moteur et d’une liste des entreprises suisses susceptibles de fabriquer des parties du moteur Paramètres Unité AT-150 ATA-150-SA Différence [%] 𝐷 𝑒𝑥𝑡. 𝑠. Diamètre extérieur de stator 𝑚𝑚 90 102 13 𝐼 𝑚𝑎𝑥 𝑛é𝑐 Courant maximal nécessaire 𝐴 76.6 58.6 24 ∆𝑇 𝑒𝑚 Ondulation de couple (pour 𝐼 𝑚𝑎𝑥 𝑛é𝑐 ) % 16.7 9.9 41 𝑈 𝑏𝑢𝑠 𝐷𝐶 Tension minimale du bus DC 𝑉 586 590 1

Conclusion TB : Stage : Future proche : Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Conclusion TB : Moteur du BWS : 3 fiches techniques / 3 longueurs actives Verrouillage électromagnétique pour le BWS Stage : Verrouillage magnétique pour le prototype du BWS Optimisation du stator du moteur pour le BWS Guide pour la réalisation d’un prototype du moteur du BWS Future proche : Réalisation d’un prototype et d’un banc d’essai pour le moteur et le verrouillage électromagnétique du BWS afin de valider les résultats de simulation

Motorisation d’un scanner du CERN Colin Grosjean Questions ?