Actuating Metamaterials via Centrifugal Force: Towards Passively Adapting Permanent Magnet Synchronous Motors

Les matériaux d’ingénierie conventionnels sont limités par leurs propriétés intrinsèques, telles que le module de Young et la densité, ce qui restreint les possibilités de conception. Les métamatériaux permettent de surmonter ces limites en exploitant la géométrie pour définir le comportement structural plutôt que de dépendre seulement de la composition du matériau. Des comportements uniques, tels que la raideur négative et la multistabilité, permettent d’obtenir des réponses à des stimuli externes pouvant être adaptées à différentes applications, comme l’absorption d’énergie ou l’isolation acoustique. Ce mémoire présente un méta-disque composé de cellules élémentaires à symétrie cyclique, qui change de configuration de manière passive selon la vitesse de rotation. Chaque cellule est programmée pour se déformer sous l’effet de la force centrifuge. La conception proposée comprend deux parties : une base intégrant un treillis de von Mises, dont la réponse peut être ajustée en modifiant ses paramètres géométriques afin d’obtenir un contrôle précis de la déformation sous rotation; et une masse supérieure ajoutant de l’inertie, permettant ainsi la déformation à haute vitesse. Le comportement de la structure sous chargement centrifuge est caractérisé à l’aide de simulations par éléments finis. Nous démontrons que quatre types de réponses peuvent être obtenus: (1) non linéaire, (2) transitoire, (3) à saut et (4) bistable. Nous construisons un espace de conception du comportement statique force-déplacement en faisant varier les paramètres géométriques, et nous exploitons cet espace pour démontrer la programmabilité de la cellule et prédire sa réponse centrifuge sans recourir à des simulations supplémentaires. Afin de valider les résultats numériques, des échantillons de la cellule sont moulés en silicone (Smooth-Sil 960), et leur réponse mécanique est mesurée sous déplacement imposé ainsi que sous force centrifuge à l’aide d’un banc d’essai développé. Enfin, nous montrons que le déplacement de la cellule peut être programmé et contrôlé en fonction de la vitesse de rotation afin de répondre aux exigences de diverses applications. En collaboration avec le Conseil national de recherches du Canada (CNRC), nous démontrons l’applicabilité du concept aux moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM) pour réaliser un affaiblissement du flux de manière mécanique, améliorant ainsi la performance à haute vitesse d’un moteur de Toyota Prius. Les simulations montrent que ce concept permet au moteur de maintenir son couple au-delà de 10 000 tr/min. Cette preuve de concept permet de poser les bases des futurs méta-moteurs à grande vitesse pour l’aérospatiale, capables de dépasser 30 000 tr/min.