THESE - univ-lille. N˚ : 2009-Enam-0021 ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ARTS ET METIERS...

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  • N˚ : 2009-Enam-0021

    ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ARTS ET METIERS

    PARISTECH

    Ecole doctorale 432 : sciences et métiers de l’Ingénieur

    THESE

    Présentée par Richard DEMERSSEMAN

    Ingénieur Ecole Centrale de Lille

    DEA de Génie Electrique de l’USTL

    pour obtenir le grade de DOCTEUR DE

    L’ECOLE NATIONALE SUPERIEURE D’ARTS ET METIERS

    Domaine : Génie électrique

    Sujet : CARACTERISATION ET MODELISATION CAUSALE D’UN FREIN A

    LIQUIDE MAGNETORHEOLOGIQUE EN VUE DE SA COMMANDE

    Directeur de thèse : Stéphane CLENET Co-encadrants : Betty LEMAIRE-SEMAIL, Moustapha HAFEZ

    Thèse présentée et soutenue le 14 Septembre 2009 devant le jury composé de :

    Nathan IDA Professeur, Université d’Akron, Etats-Unis Président Claude MARCHAND Professeur, LGEP, Université Paris XI Rapporteur Yvan LEFEVRE Chargé de Recherche, CNRS, LAPLACE Toulouse Rapporteur Stéphane CLENET Professeur, L2EP, ENSAM PARISTECH Examinateur Betty LEMAIRE-SEMAIL Professeur, L2EP, Université Lille I Examinateur Moustapha HAFEZ Directeur de recherche, CEA LIST Examinateur

    Laboratoires d’accueil : Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique de Puissance

    ENSAM PARISTECH, 8 Boulevard Louis XIV, 59046 Lille Laboratoire des Interfaces Sensorielles

    CEA LIST, 18 Route du Panorama, 92265 Fontenay-aux-roses

  • Remerciements

    Ces travaux de recherche ont été effectués dans les locaux du Laboratoire d’Elec- trotechnique et d’Electronique de Puissance (L2EP) à l’Ecole Nationale Supérieure d’Arts et Métiers Paristech de Lille et au Laboratoire des Interfaces Sensorielles au sein du Laboratoire d’Intégration des Systèmes et Technologies (LIST) du Commissariat à l’Energie Atomique à Fontenay-aux-roses. Ils ont été financés à hauteur de moitié par l’ENSAM et de moitié par le CEA.

    Je remercie M. Stéphane Clénet, directeur de la thèse, dont les hautes compétences scientifiques et la grande expérience dans l’encadrement de thèses ont été des moteurs dans la bonne conduite de ces travaux.

    Je remercie Mme Betty Semail pour avoir co-encadré la thèse, pour sa disponibilité, en particulier lors des nombreuses relectures du mémoire, ainsi que pour les remarques pertinentes qu’elle a émise sur mon travail.

    Je remercie M. Moustapha Hafez pour son co-encadrement, ses précieux conseils et pour avoir suivi de près les travaux réalisés tout au long de la thèse.

    J’adresse mes plus vifs remerciements à M. Claude Marchand et M. Yvan Lefèvre pour avoir accepté d’être rapporteurs de ce mémoire et à M. Nathan Ida pour m’avoir fait l’honneur de présider mon jury de thèse. Je remercie dans l’ensemble tous les membres du jury pour toute l’attention qu’ils ont portée à la lecture de mon travail et pour la richesse scientifique de la discussion qui a suivi cette lecture pendant la soutenance.

    Je tiens à remercier tout particulièrement Yohan Dhont, Benoît Pérochon, Marc Itchah et Luc Bulteau qui ont très gentiment accepté de fabriquer et d’assembler le cisailleur de liquides MR et le frein basé sur ces mêmes matériaux. J’adresse également mes remerciements à Stéphane Leleu et Frédéric Giraud pour leurs conseils précieux sur la conception de ces dispositifs et sur la mise en place des bancs expérimentaux.

    Je remercie vivement Abdelkader Benabou pour son aide et sa grande disponibilité sur les questions de modélisation par Eléments Finis.

    Bien entendu, je n’oublie pas l’ensemble de mes collègues doctorants des deux labo- ratoires, qui ont contribué à entretenir une ambiance de travail chaleureuse : Melissande Biet, Zheng Dai, Gaston M’Boungui, Antoine Bruyère, Julien Gomand, Roman Gai- gnaire, Charles Cyr, Yves-Laurent Allaert, Li Peng, Florent Souvestre, Paul Cazottes, Cécile Pacoret, Hussein Sleiman, Emir Vela-Saavadera et Yuan Liu.

  • Résumé

    Les liquides magnétorhéologiques sont des suspensions de particules magnétiques micrométriques dans des liquides amagnétiques. Lorsqu’un tel liquide est exposé à un champ magnétique, les particules s’agrègent sous la forme de "chaînes" qui augmentent de façon importante la résistance à l’écoulement. Dans ce mémoire, on présente la conception d’un frein discoïde à liquide magnétorhéologique et sa caractérisation dans deux cas de fonctionnement. Dans le premier, l’axe décrit des triangles de vitesse lente- ment variables à courant constant, ce dernier étant varié à l’arrêt entre deux triangles. On a pu observer que le couple doit typiquement croître jusqu’à un seuil pour que la rotation s’amorce, puis qu’il "chute" avant de croître de nouveau tandis que la vitesse augmente. On a également remarqué que les seuils de couple mesurés aux premiers triangles après les variations du courant sont différents de ceux mesurés aux triangles suivants, qui se repètent. Une modélisation du frein a été proposée, valable uniquement pour le courant maximum admissible et dans le cas où l’axe a déjà décrit au moins un triangle de vitesse. Cette modélisation, élaborée en utilisant le formalisme Graphe Informationnel Causal (G.I.C.), permet de rendre compte de l’évolution du couple à l’amorçage de la rotation pour le premier triangle de vitesse, mais pas pour les sui- vants. Dans le second cas de fonctionnement, le frein est alimenté en courant lentement variable à vitesse constante. Différents relevés de l’hystérésis du couple en fonction du courant ont été obtenus. On a pu rendre compte précisément de ces derniers sur la base d’un modèle Eléments Finis 2D du frein et d’un modèle de comportement hystérétique pour l’acier.

    Mots-clés : frein à liquide magnétorhéologique, plastique de Bingham, Graphe Infor- mationnel Causal, hystérésis, modélisation Eléments Finis 2D magnétostatique, modèle de Jiles-Atherton.

  • Abstract

    Magnetorheological fluids are suspensions of micrometric magnetic particles in non- magnetic fluids. When such a fluid is exposed to a magnetic field, the particles agregate into "chains" which increase the flow resistance highly. In this dissertation, we present the design of a discoid magnetorheological fluid brake and its characterization in two operating cases. In the first one, the brake axis rotates under constant input current, its speed being slowly and repeatedly varied following a triangle shape. The input current is changed during the rest intervals between two triangles. We could observe that the torque must typically increase until a threshold to allow the axis rotation to initiate, then it "falls" and increases again when speed increases. We also noticed that the torque thresholds measured in the first triangles of speed after changing the current differ from the thresholds measured in the following triangles, which repeat. A modelling of the brake, only valid for the maximum permissible current of the brake and in the case that at least one triangle of speed has been performed, was presented. This modelling, which was built up using the Causal Ordering Graph (C.O.G.) formalism, could match the evolution of torque when the rotation of the axis initiates in the first triangle of speed, but not in the following triangles. In the second operating case, the brake axis rotates at constant speed under slowly varying input current. Different plots of the hysteresis of torque versus current were obtained. These plots could be modelled precisely using a 2D Finite-Elements analysis of the brake and a hysteretic behaviour law for steel.

    Keywords : magnetorheological fluid brake, Bingham plastic, Causal Ordering Graph, hysteresis, 2D magnetostatic Finite-Elements modelling, Jiles-Atherton model.

  • Table des matières

    Introduction 1

    1 Etat de l’art, problématique 3

    1.1 Liquides magnétorhéologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.1.2 Propriétés rhéologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

    1.1.2.1 Rappels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2.2 Comportement rhéologique typique . . . . . . . . . . . 6 1.1.2.3 Description de l’effet MR à l’échelle microscopique . . 7

    1.1.3 Propriétés magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Etat de l’art des actionneurs à liquide MR . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    1.2.1 Structures, principes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    1.2.2.1 Génie civil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2.2.2 Automobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    1.2.2.2.1 Suspensions roues - chassis . . . . . . . . . . . 20 1.2.2.2.2 Suspensions pour sièges de passagers . . . . . 21 1.2.2.2.3 Directions électroniques . . . . . . . . . . . . 22

    1.2.2.3 Industrie médicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.2.3.1 Prothèses de jambe . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.2.2.3.2 Rééducation musculaire . . . . . . . . . . . . 26

    1.2.2.4 Réalité virtuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.2.4.1 Joysticks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.2.2.4.2 Interfaces haptiques portables . . . . . . . . . 29 1.2.2.4.3 Bras haptiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    1.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.4 Problématique de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

    2 Conception du frein MR et di