Étude et optimisation d’un actionneur à aimant permanent programmable pour des applications robotiques

Ulagaoozhian, Chandramouly (2026). Étude et optimisation d’un actionneur à aimant permanent programmable pour des applications robotiques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les actionneurs constituent un élément central des systèmes robotiques, en particulier pour les applications nécessitant une interaction physique sécuritaire et précise avec l’environnement. Les architectures électromagnétiques conventionnelles, basées principalement sur des moteurs DC sans balais associés à des transmissions mécaniques, présentent toutefois des limitations importantes dans les régimes basse vitesse et haut couple. Le maintien d’un couple statique requiert une alimentation continue, entraînant des pertes thermiques élevées, tandis que l’ajout de transmissions dégrade la transparence mécanique, la bande passante et l’efficacité énergétique globale.

Cette thèse explore une alternative à ces architectures classiques à travers l’étude et l’optimisation d’un actionneur à aimants permanents programmables (PPM). Ce type d’actionneur exploite des interactions magnétiques passives pour générer et maintenir un couple statique sans consommation d’énergie continue. Le couple et la position d’équilibre de l’actionneur sont définis par l’état magnétique d’une structure Halbach reconfigurable, programmée au moyen d’impulsions de courant brèves et de forte intensité.

Les travaux présentés portent d’abord sur le développement d’une méthodologie de conception pour les circuits de magnétisation par impulsion, en analysant les lois d’échelle régissant les paramètres électriques clés tels que la résistance, l’inductance, la capacitance et le facteur d’amortissement. Plusieurs topologies de circuits sont étudiées afin d’identifier un compromis optimal entre énergie stockée, courant de crête et robustesse de la magnétisation. Cette méthodologie est ensuite appliquée à la conception du circuit de magnétisation du PPM.

Une étude expérimentale approfondie du circuit magnétique est également menée, en particulier sur l’impact de la discrétisation des aimants, du choix des matériaux magnétiques et du dimensionnement géométrique des arrangements de Halbach. L’influence des champs démagnétisants et des phénomènes d’atténuation du courant lors de la magnétisation est caractérisée expérimentalement, permettant d’optimiser l’energie consommée et la performance du couple généré.

Le potentiel du PPM est démontré à travers son intégration dans une application robotique concrète. Une pince de préhension sécuritaire est développée afin d’évaluer la capacité de l’actionneur à moduler la force de préhension, à maintenir une prise sans alimentation électrique et à réagir efficacement aux perturbations externes. Les résultats expérimentaux confirment l’intérêt du PPM pour les applications robotiques nécessitant une faible consommation énergétique, une interaction physique robuste et une adaptation dynamique du comportement mécanique.

En complément de l’étude du PPM, cette thèse présente également la conception et l’évaluation d’un moteur synchrone à aimants permanents enterrés (IPM) destiné à des applications robotiques. Ce moteur vise à offrir une alternative électromagnétique conventionnelle optimisée pour les régimes de fonctionnement typiques de la robotique, en combinant un couple élevé, une bonne efficacité et une meilleure robustesse mécanique que les moteurs à aimants de surface. Une analyse par éléments finis est réalisée afin de comparer les performances du moteur IPM à celles d’un moteur synchrone à aimants en surface de géométrie équivalente. Les résultats montrent une extension de la plage de vitesse, accompagnée d’une réduction du couple produit, validée expérimentalement.

Cette thèse contribue ainsi à une meilleure compréhension des actionneurs à aimants permanents programmables et des moteurs à aimants optimisés pour la robotique, et propose des outils de conception permettant leur intégration dans des systèmes robotiques avancés.

Titre traduit

Study and optimization of a programmable permanent magnet actuator for robotic applications

Résumé traduit

Actuators are a central component of robotic systems, particularly for applications requiring safe and precise physical interaction with the environment. Conventional electromagnetic architectures, mainly based on brushless DC motors combined with mechanical transmissions, nonetheless exhibit significant limitations in low-speed, high-torque operating regimes. Main taining a static torque requires continuous power supply, leading to substantial thermal losses, while the use of transmissions degrades mechanical transparency, control bandwidth, and overall energy efficiency.

This thesis investigates an alternative to these conventional architectures through the study and optimization of a programmable permanent magnet actuator (PPM). This type of actuator exploits passive magnetic interactions to generate and maintain static torque without continuous energy consumption. The torque output and equilibrium position of the actuator are defined by the magnetic state of a reconfigurable Halbach structure, programmed using short-duration, high-intensity current pulses.

The work first focuses on the development of a design methodology for impulse magnetization circuits, through the analysis of scaling laws governing key electrical parameters such as resistance, inductance, capacitance, and damping factor. Several circuit topologies are studied in order to identify an optimal trade-off between stored energy, peak current, and magnetization robustness. This methodology is then applied to the design of the PPM magnetization circuit.

An extensive experimental study of the magnetic circuit is also conducted, with particular emphasis on the impact of magnet discretization, magnetic material selection, and geometric sizing of Halbach arrangements. The influence of demagnetizing fields and current attenuation phenomena during magnetization is experimentally characterized, enabling the optimization of energy consumption and torque performance.

The potential of the PPM is demonstrated through its integration into a practical robotic application. A safe robotic gripper is developed to evaluate the actuator’s ability to modulate gripping force, maintain a grasp without electrical power, and respond effectively to external disturbances. Experimental results confirm the relevance of the PPM for robotic applications requiring low energy consumption, robust physical interaction, and dynamic adaptation of mechanical behavior.

In addition to the study of the PPM, this thesis also presents the design and evaluation of an interior permanent magnet synchronous motor (IPM) intended for robotic applications. This motor aims to provide an optimized conventional electromagnetic alternative for typical robotic operating conditions by combining high torque capability, good efficiency, and improved mechanical robustness compared to surface-mounted permanent magnet motors. Finite element analysis is performed to compare the performance of the IPM motor with that of a surface mounted permanent magnet synchronous motor of equivalent geometry. The results show a significant extension of the speed range, accompanied by a reduction in the produced torque, which is experimentally validated.

This thesis thus contributes to a deeper understanding of programmable permanent magnet actuators and optimized permanent magnet motors for robotics, and provides design tools enabling their integration into advanced robotic systems.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 107-117).
Mots-clés libres:	actionneur robotique, aimants permanents programmables, PPM, moteur IPM, circuit de magnétisation, structure Halbach
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Duchaine, Vincent
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	15 avr. 2026 18:57
Dernière modification:	15 avr. 2026 18:57
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3876

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