Actuating Metamaterials via Centrifugal Force: Towards Passively Adapting Permanent Magnet Synchronous Motors
Year: 2026
Type: dissertation
Abstract: président David MÉLANÇON, membre et directeur de recherche Fabrice BERNIER, membre iii RÉSUMÉ 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 ABSTRACT Conventional engineering materials are limited by intrinsic properties such as Young's modulus and density, constraining design flexibility.Metamaterials overcome these limitations by leveraging geometry to define structural behavior rather than relying solely on material composition.Unique behaviors such as negative stiffness and multistability enable responses to external stimuli that can be tailored to specific applications, like energy absorption or acoustic isolation.This thesis presents a meta-disk composed of cyclically repeated unit cells that passively changes shape based on rotational speed.Each unit cell is programmed to deform under the effect of centrifugal force.The proposed design consists of two parts: a base featuring a von Mises truss, whose response can be tuned by varying truss parameters (e.g., thickness and slope) to achieve precise displacement control under rotation; and a top mass that provides inertia, thereby enabling deformation at high speeds.The behavior of the structure under centrifugal loading is characterized using finite element simulations.We demonstrate that four response types can be achieved: (1) non-linear, (2) transient, (3) snap-through, and (4) bistable.We create a design space of the static forcedisplacement response by varying geometric parameters, and we exploit this design space to demonstrate programmability and to predict the structure's centrifugal response without additional simulations.To validate the simulation results, unit cell samples are molded in silicone (Smooth-Sil 960), and their mechanical response is measured both under imposed displacement and under centrifugal force using a custom-developed test rig.Finally, we show that the displacement of the unit cell can be programmed and controlled as a function of rotational speed to match diverse application requirements.In collaboration with the National Research Council of Canada (NRC), we demonstrate the applicability of the concept to Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs) for mechanical flux weakening, improving high-speed performance without increasing system complexity or cost of a Toyota Prius motor equipped with the proposed design.Simulations showed that such design enables the motor to maintain torque beyond 10 000 rpm.This proof of concept lays the foundation for future high-speed meta-motors for aerospace applications, where motors need to exceed 30 000 rpm.
Author: Leclerc, Étienne
Language: English
Subfield: Mechanical Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7220777455