Electromagnetic design, analysis, and optimization of an interior permanent magnet motor for robotic application

Résumé

Les pinces robotiques exigent généralement de leur actionneur deux capacités concurrentes : un mouvement de fermeture rapide pour assurer une manipulation efficace et une force de préhension élevée une fois le contact établi. Comme la plupart des pinces compactes intègrent une transmission à rapport fixe (p. ex. un étage d’engrenages entraînant une vis mère ou un mécanisme de biellettes), le choix de l’actionneur devrait s’appuyer sur la capacité couple-vitesse sous contraintes électriques, plutôt que sur le couple à un seul point de faible vitesse. Ce mémoire évalue le potentiel d’un moteur synchrone à aimants permanents intérieurs (IPM) pour l’actionnement de pinces et le compare à des solutions à aimants permanents montés en surface (SPM). Un premier concept de moteur IPM est d’abord établi au moyen d’une analyse de dimensionnement guidée par la géométrie afin de déterminer des dimensions réalisables du rotor et du stator, puis par le calcul et l’adoption d’une configuration d’enroulement appropriée. Une fois ce concept de référence défini, la géométrie du stator, l’arrangement des enroulements, la longueur d’empilage, l’entrefer ainsi que les contraintes électriques (bus CC de 48 V et courant de phase maximal de 5 A) sont maintenus constants tout au long de l’étude afin d’isoler l’influence de la topologie rotorique et des paramètres géométriques du rotor. Les conceptions de rotors candidates sont évaluées au moyen d’analyses par éléments finis bidimensionnelles (2D) réalisées sous ANSYS Maxwell, qui fournissent des prédictions du couple électromagnétique ainsi que des inductances Ld et Lq dépendantes de la saturation. À partir de ces grandeurs électromagnétiques, les points de fonctionnement optimaux sont obtenus en résolvant la condition de couple maximal par ampère (MTPA) sur la plage de vitesses et en prolongeant l’analyse dans la région d’affaiblissement de flux limitée par la tension, de manière à générer des enveloppes couple-vitesse complètes pour la comparaison des performances. Le développement du rotor se déroule en deux étapes. D’abord, une étude de criblage par plans d’expériences de Taguchi est menée afin de quantifier l’influence relative des paramètres géométriques retenus sur les principaux indicateurs de performance électromagnétique (p. ex. le couple et la saillance) et d’identifier les facteurs à privilégier lors de l’optimisation subséquente. Ensuite, une optimisation discrète, soumise à des contraintes de faisabilité, est réalisée sous forme de recherche par lots assistée par modèle de substitution, mise en œuvre dans MATLAB : des conceptions de rotor sont proposées systématiquement à l’intérieur d’un espace de conception contraint et évaluées au moyen de simulations 2D sous Maxwell; les données électromagnétiques accumulées servent à entraîner un modèle de substitution qui affine itérativement la recherche vers des conceptions améliorées. Au total, 270 configurations de rotor sont évaluées (comprenant un ensemble initial de points d’amorçage et des lots d’exploration successifs), menant ultimement à un rotor IPM optimisé respectant l’ensemble des contraintes géométriques, magnétiques et mécaniques. La conception IPM optimisée est ensuite comparée à deux références : (i) une base SPM à budget d’aimants équivalent, simulée avec le même stator et des limites électriques identiques, et (ii) un moteur SPM frameless commercial Maxon EC de 48 V, de taille comparable. Afin d’effectuer une comparaison pertinente pour une pince, chaque enveloppe couple-vitesse est transposée au moyen d’une « transmission virtuelle » idéalisée qui normalise toutes les conceptions à la même vitesse de fermeture requise. Sur cette base commune, l’IPM optimisé atteint le couple équivalent en sortie le plus élevé, offrant environ 13 % de couple normalisé supérieur à la base SPM et environ 80 % supérieur à la référence commerciale Maxon SPM. Ce résultat reflète la plus grande ajustabilité géométrique du rotor IPM, qui permet d’accorder la saillance et le comportement en affaiblissement de flux à un profil couple-vitesse adapté aux exigences d’une pince.

Date	25 mars 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vincent Duchaine (Directeur(-trice))