Moteurs piézo-électriques à onde progressive : I. Modélisation de la conversion d'énergie mécanique à l'interface stator/rotor

(Reçu le 3 avril 1996, accepté le 3 juillet 1996)

Abstract
The modeling of traveling wave type piezoelectric motors involves a large variety of mechanical and physical phenomena and therefore leads to numerous approaches and models. The latter, mainly based on phenomenological and numerical (based on Finite Element Method) analyses, are not suitable for current objectives oriented toward the development of efficient C.A.D. tools. As a result, an attempt is done to investigate analytical approaches, in order to theoretically model the mechanical energy conversion at the stator/rotor interface. This paper is the first in a serie of three articles devoted to the modeling of such rotative motors. After a short description of the operating principles specific to the piezomotors, the mechanical and tribological assumptions made for the driving mechanism of the rotor are briefly described. Then it is shown that the kinematic and dynamic modeling of the stator, combined with the static representation of the stator/rotor interface, gives an efficient way in order to perform the calculation of the loading characteristics of the driving shaft. Finally, the specifications of a new software named C.A.S.I.M.M.I.R.E., which has been recently developed on the basis of our earlier mechanical modeling, are described. In the last of these three papers, the theoretical simulations performed on SHINSEI Japanese motors will show to be close to the experimental data and that the results reported in this paper will lead to the structural optimization of future traveling wave ultrasonic motors.

Résumé
La modélisation des moteurs piézo-électriques à onde progressive implique une grande variété de phénomènes physiques et mécaniques. Cette variété conduit à des approches et modèles tout aussi nombreux et variés, qui reposent principalement sur des analyses phénoménologiques et numériques (Méthode Élements Finis), et ne permettent pas de répondre aux éxigences actuelles concernant le développement d'outils C.A.O. performants. Cette nécessité nous a conduits à développer une modélisation théorique analytique de la conversion d'énergie à l'interface stator/rotor. Ce papier est le premier d'une série de trois articles consacrés à la modélisation des moteurs piézo-électriques rotatifs. Après une rapide description des principes de fonctionnement de ces piézomoteurs, les hypothèses mécaniques et tribologiques concernant le mécanisme d'entraînement du rotor sont énoncées succinctement. On démontre ensuite que la modélisation cinématique et dynamique du stator, combinée à une représentation statique du comportement à l'interface stator/rotor, autorise l'évaluation des caractéristiques en charge des moteurs à onde progressive. Enfin, le logiciel baptisé C.A.S.I.M.M.I.R.E., récemment développé sur la base de la modélisation mécanique précédente, est présenté puis testé. Dans le dernier article de cette série, nous confirmerons la validité des simulations théoriques issues de ce logiciel, à partir de la caractérisation expérimentale de moteurs japonais de la firme SHINSEI. Ce nouveau logiciel constitue d'ores et déjà un outil performant en vue de l'optimisation des futurs moteurs à onde progressive, et a déjà fait l'objet d'une première exploitation en milieu industriel.