Brevet FR2769769A1 — publié le 19990416

La présente invention est relative à des actionneurs amplifiés à matériaux magnétostrictifs. II existe à bord des aéronefs deux types de commande de vol - les commandes primaires qui servent à commander les mouvements immédiats de l'avion; ce sont en général des volets situés dans les bords de fuite des ailes; - les commandes de vol secondaires qui servent à régler la configuration aérodynamique de l'aéronef en conformité avec les phases de vol. On trouve dans cette catégorie les becs et volets hypersustentateurs et le plan fixe arrière. Les caractéristiques demandées aux actionneurs de ces surfaces sont extrêmement différentes: Les commandes primaires doivent en effet supporter une bande passante supérieure à la largeur du spectre des mouvements de l'avion, assurer un fonctionnement permanent, permettre un retour à la position neutre en cas de coupure de l'énergie. Les commandes secondaires doivent quant à elles présenter une bande passante faible, pour un fonctionnement intermittent, et permettre de maintenir la dernière position en cas de coupure de l'énergie. Ces commandes sont en général réalisées par des dispositifs hydrauliques qui, pour les commandes primaires, sont à commande directe et pour les commandes secondaires réalisent la commande à travers des moyens formant réducteur mécanique. Ce sont ces moyens formant réducteur mécanique, qui dans le deuxième cas assurent 'irréversibilité demandée. Pour diverses raisons (maintenance, pollution, risque d'incendie, etc...), les constructeurs d'avion cherchent à réduire la part de l'hydraulique dans la commande au profit de commandes électriques. Cependant, la technologie des moteurs électromagnétiques associés aux moyens formant réducteur conduit à des équipements dont la masse est trop élevée. Un but de l'invention est de proposer des moteurs à base de matériaux magnétostrictifs aptes à présenter des densités d'énergie élevée et capables de supporter des contraintes élevées, et constituant par conséquent des candidats intéressants pour la commande primaire. II a déjà été proposé de réaliser des actionneurs au moyen de moteurs à vibrations, dans lesquels des vibrations tangentielles et normales générées sur un stator sont transformées en mouvement continu grâce au frottement du contact mécanique entre ledit stator et le rotor. Pour une présentation générale d'applications de ce type de moteur aux commandes de vol secondaires, on pourra par exemple se référer à: Actionneurs - Des matériaux piézoélectriques pour les commandes du futur - Usine nouvelle - 31 octobre 1996 - n"2568 Des commandes de vol piézoélectriques - Air et Cosmos/Aviation International - n"1602 - 28 février 1997. Toutefois, ce type de moteur ne peut être utilisé pour réaliser des commandes primaires, étant donné que le fonctionnement permanent conduit à une usure trop rapide de l'interface et au maintien de la dernière position en cas de coupure de l'énergie. Une autre solution, également déjà proposée, consiste à utiliser directement le déplacement piezoélectrique pour réaliser le débattement limité de la gouverne. Comme les matériaux piezoélectriques sont capables de trés fortes contraintes mais ne permettent que de très faibles déplacements, il convient de les inclure dans des structures qui augmentent le déplacement afin qu'ils soient compatibles avec le mouvement demandé pour les gouvernes. Ces dispositifs sont communément appelés amplificateurs bien que l'énergie d'entrée reste toujours plus grande que l'énergie de sortie. Des structures d'actionneurs amplifiés ont par exemple été décrites dans: A new amplifier piezoelectric actuator for precise positioning and semi- passive damping - R. Le Letty, F. Claeyssen, G. Thomin - 2nd space microdynamics and accurate control symposium - 13-16 Mai 1997 Toulouse. Dans cet article, il était proposé d'utiliser comme amplificateur en sortie de l'actionneur piézoélectrique un amplificateur mécanique élastique. D'autres encore ont proposé d'utiliser comme amplificateur des moyens de conversion hydraulique (c. f. article déjà cité paru dans Usine Nouvelle). Toutefois, ces solutions ne sont pas satisfaisantes. La structure qui réalise la conversion doit en effet être plus rigide que l'actionneur de base faute de quoi l'énergie de l'actionneur de départ sert à déformer la structure de conversion au détriment de l'énergie de sortie. Et cette rigidité est souvent obtenue par l'emploi de pièces massives, ce qui réduit considérablement l'avantage initial de légèreté et de densité d'énergie élevée. L'invention propose quant à elle un actionneur magnétostrictif, caractérisé en ce qu'il comporte une structure active tubulaire qui comprend une pluralité d'empilements de pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif entre lesquels sont interposés des moyens de séparation constitués d'empilements de pavés de séparation présentant chacun une hauteur correspondant au moins à la hauteur de deux pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif, les différents pavés superposés dans une hauteur de la structure active étant aptes à glisser les uns sur les autres, les zones de séparation entre les pavés de séparation superposés selon une même hauteur étant, d'un moyen de séparation à un autre, décalés dans la hauteur de la structure, I'actionneur comportant en outre des moyens pour appliquer sur les pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif un champ magnétique qui produit, de façon alternée dans la hauteur de la structure et sur le tour de celle-ci, la rétractation et l'allongement desdits pavés. Cet actionneur est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - la structure active est un tube en un matériau magnétostrictif, qui présente une pluralité de fentes disposées en quinconce qui définissent entre elles des zones correspondant aux pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif et des zones correspondant aux pavés de séparation. - 'actionneur comporte des moyens pour appliquer un champ magnétique radial permanent uniforme sur la structure active et pour ajouter à ce champ permanent un champ de commande radial qui est alterné d'un pavé qui est destiné à être déformé par effet magnétostrictif à un autre. - I'actionneur comporte des moyens pour appliquer sur la structure active un champ radial permanent alterné d'un pavé qui est destiné à être déformé par effet magnétostrictif à un autre et pour ajouter à ce champ permanent un champ de commande radial uniforme. - 'actionneur comporte des aimants permanents en regard des différents pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif. - les aimants permanents présentent une polarisation qui est alternée d'un aimant à un autre. - les aimants permanents sont portés par un noyau qui comprend une pluralité de tronçons aptes à tourner les uns par rapport aux autres et en ce qu'il comporte en outre des moyens pour communiquer à ces tronçons le mouvement de vrille de la structure active. - lesdits moyens comportent une barre de torsion axiale. - lesdits moyens comportent des liaisons en élastomère entre des aimants permanents successifs dans la hauteur de la structure active. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un actionneur conforme à un mode de réalisation possible. - La figure 2 est une représentation sous forme développée de la structure active de l'actionneur de la figure 1. - La figure 3 est une représentation semblable à celle de la figure 2 illustrant le mouvement de vrille de la structure active. - La figure 4 est une représentation semblable à celle de la figure 2 illustrant un autre mode de réalisation possible pour l'invention. - La figure 5 est un graphe sur lequel on a porté l'allongement L d'un matériau magnétostrictif en fonction du champs magnétique B qui lui est appliqué. - La figure 6 est une demie vue en coupe radiale de l'actionneur de la figure 1. - La figure 7 est une vue en coupe transversale du même actionneur. - La figure 8 est une représentation semblable à celle de la figure 6 illustrant un autre mode de réalisation de l'invention. - Les figures 9 et 10 illustrent deux types de structure possible pour la tige de la structure de la figure 6 ou de la figure 8. L'actionneur conforme à un mode de réalisation possible qui est illustré sur la figure 1 a une forme cylindrique et comporte une structure active 1 tubulaire, ainsi qu'une enveloppe 2 dans laquelle la structure active 1 est montée et un noyau central 3. La figure 2 représente sous forme développée une petite hauteur d'une structure active 1 conforme à un mode de réalisation possible. L'axe A représente la direction de l'axe du cylindre. Cette structure active comporte une pluralité de blocs ou pavés 4 en céramique magnétostrictive, qui sont empilés dans la hauteur de la structure, chaque couche d'empilement étant constituée d'une pluralité de blocs 4 qui sont juxtaposés de façon à se refermer annulairement et à constituer une rondelle R. Sur une même couche d'empilement, les blocs 4 successifs sont séparés deux à deux par des éléments de séparation 5 inertes (pavés métalliques), qui s'étendent chacun sur deux couches d'empilement. Ces éléments de séparation sont en des matériaux de raideurs plus élevées que celles de la céramique des blocs 4 et sont par exemple en acier. Les éléments de séparation 5 successifs d'une même couche d'empilement s'étendent alternativement à travers l'une et l'autre des deux couches d'empilement de part et d'autre de la couche d'empilement considérée et constituent des éléments de séparation pour les blocs 4 de respectivement l'une et l'autre de ces deux autres couches. Deux éléments de séparation 5 successifs dans la hauteur de l'axe A de la structure sont en contact l'un avec l'autre, mais sont aptes à se décaler l'un par rapport à l'autre. On applique sur les blocs 4 des champs magnétiques radiaux qui sont tels que les blocs 4 d'une même couche sont déformés de telle façon que deux blocs successifs d'une même couche ou deux blocs successifs dans la hauteur de la structure sont l'un rétréci, L'autre allongé et qu'il se produit un mouvement de décalage de chaque couche par rapport à sa voisine et que la structure active 1 se vrille. C'est ce qu'illustre la figure 3. Les éléments de séparation 5 (métal) sont en un matériau choisi de façon à présenter une déformation qui est négligeable par rapport à celle de la céramique des blocs 4 (grande différence de module d'Young). Si l'on suppose que les éléments 5 se déplacent en restant parallèle à eux-mêmes, on a en première approximation 0 = 2ope. m/n K = (E/2xpL)(n2/m2)R.åR.I avec 0 = torsion maximale de l'arbre sous tension m = nombre de couches dans le cylindre E = déformation relative maximale sous champ de la céramique = = rapport volume de céramique par rapport au volume total métal + céramique, R = rayon externe de la structure active, K = raideur en torsion de l'arbre n = nombre de pavés de céramique dans une rondelle E = module d'Young de la céramique, AR = différence entre le rayon externe et le rayon interne de la couche active, I = longueur de l'actionneur. A l'aide de ces deux formules, on peut choisir les caractéristiques que l'on désire pour l'arbre que constitue l'actionneur cylindrique. On voit que le rapport ,um/n représente le coefficient d'amplification mécanique. On cherche pour un grand rapport à avoir un grand nombre de couches avec un minimum de blocs par couche. Le rapport A doit également être élevé mais il convient de le laisser plus faible que 0,5. En effet, lorsque ce rapport augmente, les éléments de séparation 5 métalliques subissent un mouvement de torsion préjudiciable au fonctionnement du dispositif. Pour pouvoir augmenter KL tout en évitant au mieux ce phénomène, on peut avantageusement remplacer les éléments de séparation 5 individuels par des éléments de séparation constituées de bandes, par exemple métalliques, qui sont parallèles à l'axe A du cylindre et dans lesquelles sont intégrées des fentes. On peut également prévoir que ces bandes de séparation sont d'une pièce avec les blocs 4, auquel cas on aboutit à une structure active du type de celle illustrée sur la figure 4, constituée d'un tube 6 en un matériau magnétostrictif présentant une pluralité de fentes 7 réparties en quinconce, les zones correspondant aux pavés 5 étant définies entre les fentes 7 dont les fentes sont situées sur une même génératrice dans la hauteur de la structure, les zones où vont se produire les effets de magnétostriction lors de l'application d'un champ magnétique radial et qui correspondent aux blocs 4 (zones hachurées sur la figure 4) étant celles délimitées entre les portions qui se recouvrent des fentes 7 situées à deux hauteurs successives de la structure. Comme la magnétostriction est un phénomène pair, c'est-à-dire ne dépendant pas du signe du champ (c.f. figure 5), il convient d'appliquer un champ magnétique de polarisation pour que chaque zone présente un effet mécanique alterné aussi bien selon l'axe du cylindre que dans une direction orthoradiale. Deux possibilités existent - soit mettre un champ magnétique radial permanent uniforme sur tout le cylindre et ajouter un champ de commande radial alterné d'une zone sur l'autre (flèche double I sur la figure 5); - soit mettre un champ radial permanent alterné d'une zone sur l'autre et ajouter un champ de commande radial uniforme pour la commande (flèches simples Il sur la figure 5). Une structure correspondant à cette deuxième possibilité est illustrée sur la figure 6 et décrite de façon détaillée dans la suite du présent texte. On peut toutefois imaginer également des structures intermédiaires où le champ radial permanent au lieu d'être constant est alterné sur des zones plus grandes, I'alternance du champ de commande étant décalé lors d'un passage d'une zone à l'autre. Une autre structure intermédiaire consisterait en une structure dans laquelle un champ de commande radial alterné sur de grandes zones, I'alternance du champ permanent étant décalée au passage d'une zone à l'autre. La structure illustrée sur la figure 6 est une représentation en demicoupe radiale. L'enveloppe 2 y est en un matériau magnétique doux, par exemple en métal. Le noyau 3 y est constitué d'une tige 10 en un matériau magnétique doux (métal) qui porte une pluralité d'aimants 9 qui sont en regard des zones 4. Ces aimants 9 présentent une polarisation qui est alternée à la fois dans la hauteur et sur le pourtour de la tige 10. Ces aimants sont par exemple interposés entre ladite tige 10 et des éléments 1 0a en un matériau magnétique doux en regard de la structure active 1 L'alternance des polarisations des aimants 9 produit l'alternance des champs permanents dans le matériau magnétostrictive. Ainsi que le montre la figure 7, cette alternance a lieu également dans la direction orthoradiale. A l'extrémité du noyau 3 se trouve la bobine de commande qui injecte un champ axial qui se referme par l'enveloppe extérieure. Le champ de commande se referme d'une manière uniforme à travers le matériau magnétostrictif à condition que la réluctance du noyau 3 et de la fermeture soit faible devant celles des entrefers. Ceci n'est pas forcément vérifié lorsque le cylindre est très long. Pour cela on peut être amené, ainsi qu'illustré sur la figure 8, à alterner les sens des champs de commande en plaçant régulièrement des bobines de commande il le long de la tige 10. Ceci réduit la réluctance vue par chaque bobine. On notera que le structure qui vient d'être décrite est particulièrement avantageuse étant donné que la fermeture du champ constant se fait orthoradialement dans la fermeture à cause de l'alternance orthoradiale des polarisations des aimants. Le dispositif n'est pas sensible à longueur. Toutefois, lorsque la structure active se tord selon l'axe du cylindre les pôles du noyau ne se trouvent plus en face des zones 4 qu'il convient d'exciter. II convient donc que le noyau 3 puisse se tordre également comme la structure active 1 tout en ayant une raideur beaucoup plus faible. Pour cela le noyau 3 doit être solidaire de la structure active 1 à ses extrémités. La tige 10 est à cet effet avantageusement composée de plusieurs tronçons 13 liés entre eux par une barre de torsion axiale î4de faible diamètre si elle est métallique ou de plus fort diamètre s'il s'agit d'un élastomère. C'est ce qu'on a illustré sur la figure 9 sur laquelle les points représentent les points de liaison des éléments du noyau avec la barre de torsion. On peut également faire une liaison entre deux éléments 1 osa du noyau par des rondelles 12 en élastomère placée entre les différentes couches de pole. Ces rondelles 12 en élastomère peuvent également revêtir la bobine de commande. REVENDICATIONS i. Actionneur magnétostrictif, caractérisé en ce qu'il comporte une structure active tubulaire qui comprend une pluralité d'empilements de pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif entre lesquels sont interposés des moyens de séparation constitués d'empilements de pavés de séparation présentant chacun une hauteur correspondant au moins à la hauteur de deux pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif, les différents pavés superposés dans une hauteur de la structure active étant aptes à glisser les uns sur les autres, les zones de séparation entre les pavés de séparation superposés selon une même hauteur étant, d'un moyen de séparation à un autre, décalés dans la hauteur de la structure, I'actionneur comportant en outre des moyens pour appliquer sur les pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif un champ magnétique qui produit, de façon alternée dans la hauteur de la structure et sur le tour de celle-ci, la rétractation et l'allongement desdits pavés. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure active est un tube en un matériau magnétostrictif, qui présente une pluralité de fentes disposées en quinconce qui définissent entre elles des zones correspondant aux pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif et des zones correspondant aux pavés de séparation. 3. Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour appliquer un champ magnétique radial permanent uniforme sur la structure active et pour ajouter à ce champ permanent un champ de commande radial qui est alterné d'un pavé qui est destiné à être déformé par effet magnétostrictif à un autre 4. Actionneur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour appliquer sur la structure active un champ radial permanent alterné d'un pavé qui est destiné à être déformé par effet magnétostrictif à un autre et pour ajouter à ce champ permanent un champ de commande radial uniforme. 5. Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des aimants permanents en regard des différents pavés destinés à être déformés par effet magnétostrictif. 6. Actionneur selon les revendications 4 et 5 prises en combinaison, caractérisé en ce que les aimants permanents présentent une polarisation qui est alternée d'un aimant à un autre. 7. Actionneur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les aimants permanents sont portés par un noyau qui comprend une pluralité de tronçons aptes à tourner les uns par rapport aux autres et en ce qu'il comporte en outre des moyens pour communiquer à ces tronçons le mouvement de vrille de la structure active. 8. Actionneur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent une barre de torsion axiale. 9. Actionneur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent des liaisons en élastomère entre des aimants permanents successifs dans la hauteur de la structure active.