Étude et optimisation d’un actionneur à aimant permanent programmable pour des applications robotiques

Résumé

Les actionneurs constituent un élément central des systèmes robotiques, en particulier pour les applications nécessitant une interaction physique sécuritaire et précise avec l’environnement. Les architectures électromagnétiques conventionnelles, basées principalement sur des moteurs DC sans balais associés à des transmissions mécaniques, présentent toutefois des limitations importantes dans les régimes basse vitesse et haut couple. Le maintien d’un couple statique requiert une alimentation continue, entraînant des pertes thermiques élevées, tandis que l’ajout de transmissions dégrade la transparence mécanique, la bande passante et l’efficacité énergétique globale. Cette thèse explore une alternative à ces architectures classiques à travers l’étude et l’optimisation d’un actionneur à aimants permanents programmables (PPM). Ce type d’actionneur exploite des interactions magnétiques passives pour générer et maintenir un couple statique sans consommation d’énergie continue. Le couple et la position d’équilibre de l’actionneur sont définis par l’état magnétique d’une structure Halbach reconfigurable, programmée au moyen d’impulsions de courant brèves et de forte intensité. Les travaux présentés portent d’abord sur le développement d’une méthodologie de conception pour les circuits de magnétisation par impulsion, en analysant les lois d’échelle régissant les paramètres électriques clés tels que la résistance, l’inductance, la capacitance et le facteur d’amortissement. Plusieurs topologies de circuits sont étudiées afin d’identifier un compromis optimal entre énergie stockée, courant de crête et robustesse de la magnétisation. Cette méthodologie est ensuite appliquée à la conception du circuit de magnétisation du PPM. Une étude expérimentale approfondie du circuit magnétique est également menée, en particulier sur l’impact de la discrétisation des aimants, du choix des matériaux magnétiques et du dimensionnement géométrique des arrangements de Halbach. L’influence des champs démagnétisants et des phénomènes d’atténuation du courant lors de la magnétisation est caractérisée expérimentalement, permettant d’optimiser l’energie consommée et la performance du couple généré. Le potentiel du PPM est démontré à travers son intégration dans une application robotique concrète. Une pince de préhension sécuritaire est développée afin d’évaluer la capacité de l’actionneur à moduler la force de préhension, à maintenir une prise sans alimentation électrique et à réagir efficacement aux perturbations externes. Les résultats expérimentaux confirment l’intérêt du PPM pour les applications robotiques nécessitant une faible consommation énergétique, une interaction physique robuste et une adaptation dynamique du comportement mécanique. En complément de l’étude du PPM, cette thèse présente également la conception et l’évaluation d’un moteur synchrone à aimants permanents enterrés (IPM) destiné à des applications robotiques. Ce moteur vise à offrir une alternative électromagnétique conventionnelle optimisée pour les régimes de fonctionnement typiques de la robotique, en combinant un couple élevé, une bonne efficacité et une meilleure robustesse mécanique que les moteurs à aimants de surface. Une analyse par éléments finis est réalisée afin de comparer les performances du moteur IPM à celles d’un moteur synchrone à aimants en surface de géométrie équivalente. Les résultats montrent une extension de la plage de vitesse, accompagnée d’une réduction du couple produit, validée expérimentalement. Cette thèse contribue ainsi à une meilleure compréhension des actionneurs à aimants permanents programmables et des moteurs à aimants optimisés pour la robotique, et propose des outils de conception permettant leur intégration dans des systèmes robotiques avancés.

Date	27 mars 2026
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vincent Duchaine (Directeur(-trice))