SOUTENAVIB

L’omniprésence des machines électriques, quelles que soient leur taille, leur utilisation et leur puissance, a une répercussion sur nos vies modernes, les êtres et leurs environnements. Assurer une maintenance prédictive de ces machines électriques a un impact direct sur leur durée de vie et est donc un élément clé pour garantir un usage soutenable et pérenne de celles-ci.
Nous nous focaliserons dans ce projet sur les dispositifs de surveillance liés aux vibrations. En effet, en fonction de la réponse vibratoire associée à la vitesse de rotation de la machine, l’analyse spectrale nous donne une multitude d’informations liées à la mécanique, l’électronique de puissance et la structure géométrique de la machine.

Les matériaux assurant la transduction de la vibration sont essentiellement de nature piézoélectrique. La céramique la plus couramment utilisée est de type PZT. Or, la composition de ces céramiques inclut du plomb qui est une substance toxique. La législation actuelle tend à supprimer cette substance de tous les composants électroniques. Les céramiques piézoélectriques sont pour l’instant épargnées tant que des matériaux de substitution ayant des performances comparables ne sont pas proposés. La nocivité du plomb se manifeste essentiellement lors du processus de fabrication et pose des questions lors du recyclage. L’intégration de nouveaux matériaux sans plomb réduirait significativement leur impact environnemental.

Une façon commune de transduction par effet piézoélectrique consiste à utiliser l'effet « direct » à partir d'une poutre en porte-à-faux (poutre encastrée-libre) ayant des céramiques piézoélectriques intégrées. Les études portant sur la modélisation du phénomène se sont jusqu'ici limitées à des géométries simples de récupérateurs tandis que peu d'études se sont intéressées à la modélisation d'une forme optimale de transducteur. En effet, l’optimisation de ce type de système s’est principalement focalisée sur l’utilisation de matériaux piézoélectriques ayant des propriétés de conversion importantes. Cependant, le phénomène piézoélectrique dans une application donnée est décrit afin que le volume piézoélectrique soit intégré adéquatement à une structure vibrante. D’autres critères sont à prendre en considération (forme, encombrement, poids, rigidité, …). On parle alors d’une conception optimale des structures de conversion piézoélectrique.

e problème qui nous intéresse ici est de trouver une forme de structure piézoélectrique qui réalise le meilleur compromis entre sa résistance mécanique, son encombrement et son rendement piézoélectrique. Ceci peut être fait à travers une optimisation topologique. Cette dernière représente une méthode mathématique (et logicielle) qui permet donc de trouver la répartition de matière optimale dans un volume donné soumis à des contraintes spécifiées. Cette étude d’optimisation a pour but de concevoir une géométrie spécifique représentant un design optimal de notre système de conversion piézoélectrique. Cette dernière est complétée par une optimisation du processus d’élaboration de matériaux et de fabrication des pièces piézoélectriques via par exemple une découpe laser, pour des géométries planes, ou par les techniques de fabrication additive pour des géométries complexes.

Le problème qui nous intéresse ici est de trouver une forme de structure piézoélectrique qui réalise le meilleur compromis entre sa résistance mécanique, son encombrement et son rendement piézoélectrique. Ceci peut être fait à travers une optimisation topologique. Cette dernière représente une méthode mathématique (et logicielle) qui permet donc de trouver la répartition de matière optimale dans un volume donné soumis à des contraintes spécifiées. Cette étude d’optimisation a pour but de concevoir une géométrie spécifique représentant un design optimal de notre système de conversion piézoélectrique. Cette dernière est complétée par une optimisation du processus d’élaboration de matériaux et de fabrication des pièces piézoélectriques via par exemple une découpe laser, pour des géométries planes, ou par les techniques de fabrication additive pour des géométries complexes.

• Modélisation et simulation des capteurs et récupérateurs d'énergie (IEMN site de Valenciennes + CERAMATHS + Roberval) : les développements théoriques mis en avant dans ce travail s'appuieront, d'une part, sur l'utilisation de méthodes numériques à paramètres distribués de type éléments finis pour simuler le comportement vibratoire de la machine électrique et la mesure des vibrations par les capteurs et, d'autre part, sur des modèles analytiques à paramètres localisés pour simuler le comportement du récupérateur vibratoire par conversion piézoélectrique et de l'interface électrique associée.
• Choix des matériaux, élaboration et caractérisation des capteurs et récupérateurs d'énergie (CERAMATHS) : le choix de matériaux est vaste. Des céramiques piézoélectriques classiques (du type PZT), voire des céramiques piézoélectriques sans plomb, et des piézoélectriques souples tels que les polymères et les composites seront étudiés. Des procédés d'élaboration innovants tels que l'impression 3D et le frittage assisté par micro-ondes pourront être envisagés. Les matériaux obtenus seront caractérisés du point de vue ferroélectrique, piézoélectrique, diélectrique.
• Instrumentation, mesure, optimisation de l'énergie récupérée (IEMN site de Valenciennes + CERAMATHS) : une fois la conception du récupérateur optimisée, des expérimentations seront effectuées sur des prototypes à l'aide d'un pot vibrant et d'une interface électrique d'ajustement d'impédance de charge en fonction de la fréquence. Il s'agira ici, d'une part, de valider les modèles de comportement théorique et, d'autre part, de vérifier que l'on élargit bien la bande passante et maximise la puissance transférée après ajustement électrique.
• Mise en situation des nouveaux systèmes piézoélectriques sur machines (Roberval) : les dispositifs réalisés avec des nouveaux matériaux seront testés sur des machines électriques alimentées par variateur afin d'avoir un contenu harmonique vibratoire riche. Les résultats seront comparés à des dispositifs classiques afin d'évaluer les points forts et les points faibles des nouvelles solutions.
• Analyse du cycle de vie, soutenabilité (Roberval) : une analyse d'impact environnemental des récupérateurs piézoélectriques sera menée. Cette analyse comprendra l'ensemble du cycle de vie des récupérateurs, incluant le recyclage des céramiques. De nouvelles solutions technologiques seront proposées, afin de trouver des alternatives efficaces pour être en capacité d'atteindre les objectifs de durabilité et de fiabilités.