Avec l’avènement des nouvelles générations d’avions civils et militaires, la démarche d’électrification des fonctions de commande de vol est aujourd’hui pleinement engagée, depuis les interfaces homme-machine jusqu’aux actionneurs de puissance. En vue de s’affranchir définitivement des inconvénients propres à l’utilisation de l’énergie hydraulique, l’utilisation d’actionneurs purement électromécaniques (EMA) constitue en toute logique une étape clef des évolutions technologiques à venir. Ce projet de recherche a pour objectif de développer l'une des briques technologiques majeures du système d’actionnement - le moteur électrique - pour pouvoir effectuer demain le saut technologique vers l'avion plus électrique, qui est l'électrification complète des systèmes d'actionnement des commandes de vol. Une première partie permet de se familiariser avec le domaine des actionneurs électromécaniques destinés aux applications aéronautiques et plus particulièrement aux commandes de vols. Après avoir rappelé le rôle et les évolutions qu’ont connues les commandes de vol durant la dernière décennie, les technologies hydrauliques et électriques usuelles sont présentées. L’environnement sévère associé au domaine aéronautique implique des contraintes de sûreté de fonctionnement qui sont alors définies plus précisément au niveau des systèmes électromécaniques. Une analyse des défauts électriques susceptibles de se produire au sein des actionneurs électromagnétiques est dans un dernier temps effectuée. Une seconde partie se focalise sur la définition de critères de dimensionnement des actionneurs électromagnétiques qui lui permettent de supporter les défauts électriques précédemment mis en avant. Profitant de l’émergence de matériaux magnétiques composites qui facilitent la définition de pièces magnétiques compressées à structure géométrique complexe, un concept d’actionneur à aimants permanents et stator modulaire est défini et baptisé Aximag. Une troisième partie se concentre sur la réalisation d’un démonstrateur qui réponde à un cahier des charges du type commande de vol. Une étude analytique est réalisée dans le but d’observer les axes de dimensionnement et les possibilités de la machine Aximag. Enfin dans une quatrième et dernière partie sont présentés et analysés les simulations numériques ainsi que les essais de caractérisation des démonstrateurs. Au travers du couple statique, du couple dynamique et aussi de paramètres électriques comme les inductances propres et mutuelles, les démonstrateurs sont étudiés. Une analyse critique de la technologie proposée ainsi que les perspectives d’évolution viennent alors conclure l’ensemble des travaux réalisés. / With the rise up of new civil and military aircraft generations, an electrification process concerning the flight control systems, from the human machine interface to the actuation power, has been engaged. In order to finally suppress faults linked to the hydraulic power use, the development of full electromechanical actuators (EMA) is a critical step concerning next technological evolutions. The purpose of this research project is the development of a major technological element of actuation systems, the electrical motor, in order to enable tomorrow, the technological gap leading to a more electrical aircraft, that is to say the complete electrification of flight control actuation systems. A first part presents generals concerning the electromechanical actuators dedicated to aircraft applications and especially to flying control systems. Once the aim and evolutions that flight control systems have known during the last decade has been reminded, the hydraulic and electric technologies are presented. The drastic environment combined to aircraft field leads to safety and security requirements that are more precisely defined around electromechanical systems. A last step analises electrical faults that can occur within electromagnetic actuators. A second part focuses on the definition of sizing criteria that will enable the actuator to support the previous electrical faults pointed out. With the mergence of magnetic composite materials that make easier the definition of sintered magnetic pieces with complex geometry, a permanent magnet actuator with modular stator has been defined and named Aximag. A third part deals with the realisation of demonstrators that answer specifications associated to a flight control actuation systems. The different parts of the fabrication process are presented. An analytical study is leaded in order to point out the axes for the design and the possibilities of the machine Aximag. Finally, in a fourth and last part numerical analysis and characterisation tests of demonstrators are presented and analysed. Through the static torque, the dynamic torque and electrical parameters like self inductance and mutual inductance, demonstrators are studied. A critical analysis of the proposed technology and the perspectives come to conclude this work.

Modélisation et analyse d’un système de dégivrage en aéronautiqueRésuméCe manuscrit de thèse aborde les travaux de modélisation d’une nouvelle technologie électromécanique pour le dégivrage en aéronautique en mode vol.Le principe de fonctionnement de la technologie étudiée repose sur la déformation mécanique des surfaces à dégivrer à partir d’efforts électromagnétiques générés par une excitation en courant électrique de forte intensité. La solution imaginée par le partenaire industriel Zodiac Aerospace, a conduit à un démonstrateur dont les premiers essais ont été lancés préalablement à cette thèse. À partir des résultats obtenus, l’objectif de ces travaux de thèse a été d’obtenir un modèle adapté pour les futures démarches d’optimisation dans le but ultime d’aller vers une solution de dégivrage plus électrique que les solutions existantes, performante, et plus efficace en termes de rendement énergétique.Une modélisation multiphysique a été réalisée. Cette modélisation est constitué de plusieurs sous modèles analytiques qui ont été intégrés sur une plateforme de résolution numérique. La modélisation mécanique met en œuvre une approche de type plaque par éléments bande, qui a été résolu en fonction du temps par une méthode de différences finies. Le modèle mécanique résultant est dit semi-analytique. La modélisation électromagnétique repose sur une définition analytique et a présenté comme difficulté la complexité de la définition géométrique du démonstrateur. Un circuit électrique équivalent du dispositif complet a été identifié et les équations du modèle électrique ont été définies ; ceci a permis de réaliser une analyse énergétique pour comprendre la transformation des forces de nature différente et mettre en évidence la possibilité d’une future optimisation.Les résultats de simulation à partir du modèle final représentent assez bien la dynamique de la déformation mécanique observée expérimentalement mais présentent en revanche des limitations en termes de précision.Mots clé : Dégivrage électromécanique, aéronautique, modélisation multiphysique, déformation de plaques, force de Laplace. / Modeling and analysis of an electromechanical de-icing system in aeronauticsAbstractThis thesis report explains the modeling procedure of a new electromechanical de-icing technology in aeronautics for in-flight application.The operation principle of the technology resides in the mechanical deformation of the working surface caused by the effect of electromagnetic forces generated from a high-intensity current source.The industrial partner Zodiac Aerospace conceived this solution they carried out the construction of a demonstrator and a series of tests prior to this Ph.D. Based on the obtained results, the aim of this project was to achieve an adequate model of the de-icing system that should be suitable for further optimization of the device, such that a more electric de-icing solution will be proposed, with good performance and with higher energetic efficiency.A multiphysiscs model was developed, which comprises multiple analytical submodels that where integrated into a numerical resolution platform. The mechanical submodel implements a strip approach for plates solved via a finite differences method that permits time dependence evaluation, and can be defined as semi analytical. Another submodel is based on the mathematical definition of the electromagnetic behavior, the main complication of which was to consider the complex geometrical definition of the demonstrator. An equivalent electric circuit for the whole system was identified and the equations for an electrical submodel where then established. This allowed the study of the energy transformation and repartition, and reveals the possibility of future optimization.Simulation results from the final model properly reproduce the dynamics of the mechanical deformation response as were observed during the previous experiments, but also reveals some minor accuracy problems.Key words : Electromechanical de-icing, aeronautics, multiphysics modeling, deformation of plates, Laplace force.

Le travail développé dans cette thèse présente une nouvelle structure discoïde à bobinages inducteur et induit fixes dans l'entrefer. La conception du bobinage du type circuit imprimé est détaillée ainsi que le développement d'un nouvel outil fondé sur l'utilisation des perméances superficielles utile à la modélisation . Un autopilotage simplifié, à partir d'un capteur délivrant une impulsion par tour est proposé. Enfin, une démarche générale d'optimisation pour un fonctionnement à pertes minimales des ensembles convertisseurs machines synchrone est présentée, incluant paramètres de commande et paramètres géométriques.

Les nanotechnologies offrent la possibilité de miniaturiser et réduire la consommation et le coût de fabrication des composants actuels. Elles permettent aussi de développer de nouvelles fonctionnalités afin de réaliser des systèmes intégrés de hautes performances pour des applications dans les domaines de l'électronique et des télécommunications. Les nanotubes de carbone sont particulièrement appropriés à être intégrés dans des NEMS, en raison de leurs dimensions et leurs propriétés mécaniques et électriques. Leur fréquence de résonance se situe dans la bande des GHz, ce qui les rend intéressants pour des systèmes micro-onde. Leur localisation directement sur dispositifs par la technique CVD (dépôt chimique en phase gazeuse) de croissance de NTC ouvre une voie pour la fabrication des NEMS à base de NTC. Toutefois il est intéressant de connaître le module de Young des NTC afin de dimensionner ces systèmes. Il est donc important de développer une technique caractérisation in-situ des NTC. Les travaux de cette thèse ont un double objectif : (1) l'extraction du module de Young des NTC obtenus par CVD et (2) la réalisation d'une brique de base permettant de lever les verrous technologiques liés à l'intégration des NTC. Une micro pince électrostatique à base de faisceaux de NTC verticaux a ainsi été modélisée et réalisée pour la première fois. La mesure expérimentale de la tension de pull-in de cette pince, associée à modèle électromécanique développé dans cette thèse, et qui prend en compte la densité des NTC a permis l'extraction du module de Young.

Ce mémoire présente l'étude et la fabrication de résonateurs sur guide d'ondes exploitant des substrats composites à base de matériau ferroélectrique polarisé périodiquement capables de répondre aux besoins de sources hautes fréquences dont les caractéristiques sont compatibles avec les applications concernées (détection radar). L'idée consiste à utiliser un guide d'ondes fondé sur un Transducteur à domaines ferroélectriques Polarisés Périodiquement (TPP) réalisé sur un substrat ferroélectrique mono-cristallin tel que le niobate ou le tantalate de lithium, placé entre deux substrats mono-cristallins permettant le guidage d'ondes sans pertes. Plusieurs dispositifs ont été fabriqués avec succès. Tout d'abord, des TPPs de différentes périodes (de 200 à 5 μm) ont été réalisés permettant l'excitation d'ondes élastiques de 30 MHz à 1,3 GHz. Ensuite, un oscillateur à 131 MHz stabilisé par un résonateur sur guide d'ondes a vu le jour avec des caractéristiques encourageantes. En effet, un palier de bruit de phase a été mesuré à -165 dBc/Hz à 100 kHz de la porteuse avec une puissance en entrée du résonateur de 2 mW et une stabilité de fréquence court terme de 109 (oscillateur non thermostaté avec une dérive en température du résonateur de -50 ppm/K). D'autres résonateurs sur guide d'ondes exploitant des TPPs amincis à une trentaine de microns ont permis de mettre en évidence l'excitation d'un mode pur spectralement avec une dérive thermique avoisinant celle des matériaux de guidage (soit -30 ppm/K avec du silicium). Enfin, un nouveau système fondé sur des barreaux polarisés périodiquement est présenté. Il se caractérise par ses propriétés remarquables et notamment avec l'excitation d'ondes à vitesse de phase supérieure à 10000 m.s1 et présentant des coefficients de couplage électromécanique de plus de 10%capable de répondre à des applications de filtrage large bande pour la téléphonie mobile.

Le problème de la commande sans capteur mécanique de la machine synchrone à aimants permanents (MSAP) est un problème très étudié dans le domaine de l'automatique et de l'électrotechnique. Le travail présenté s'intéresse au problème particulier de la commande sans capteur à basse vitesse des MSAP à pôles lisses. L'objectif est de proposer une méthode permettant de contrôler en position un actionneur électromécanique utilisé dans un contexte aéronautique (ici pour des ailerons). Une étude théorique des deux familles de machines, saillantes et non saillantes, a permis de montrer une différence d'observabilité des modèles de la MSAP selon la vitesse de la machine, avec en particulier une perte d'observabiltié à basse vitesse pour les machines à pôles lisses. Pour pallier cette perte, de nouveaux modèles sont développés, qui prennent en compte des vibrations de la machine, sollicitée par une injection de signaux. Une nouvelle analyse, appliquée à ces modèles, permet de garantir l'observabilité de la machine sur toute la gamme de vitesse, y compris à l'arrêt. Nous avons donc proposé une approche d'observation de la position et de la vitesse basée sur ces nouveaux modèles avec une injection bien choisie. Contrairement aux méthodes classiques basées sur la saillance, cette approche est applicable à tous les types de machine. Elle a été validée sur plusieurs bancs d'essais par l'application d'un observateur de Kalman étendu. De nombreux tests ont été réalisés sur un benchmark dédié aux applications industrielles. Les résultats ont montré les performances, la robustesse et les limites des observateurs proposés. Nous nous sommes également intéressés à l'asservissement en vitesse sans capteur mécanique de la machine, pour lequel nous avons proposé deux méthodes de synthèse d'observateurs. La première est basée sur la synthèse d'un observateur LPV robuste par approche polytopique. La seconde utilise un observateur à modes de glissement d'ordre deux à gains adaptatifs. La faisabilité expérimentale de ces deux observateurs a été démontrée.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général du développement de micro-actionneurs MEMS, à bas coût et de technologie simple, pour de futures applications dans le domaine de la microfluidique, notamment. La motivation de ce travail est d'évaluer la faisabilité d'un micro-actionneur électrostricitf à base de film mince polymère électroactif nanocomposite. Le polyuréthane, chargé en nanoparticules de carbone ou carbure de fer, encore peu étudié mais aux propriétés électrostrictives prometteuses, est choisi comme matériau à intégrer dans une filière MEMS silicium classique. Le premier chapitre dresse un état de l'art sur les actionneurs MEMS, présente les différentes familles de polymères électroactifs et définit ce qu'est l'électrostriction. Le second chapitre est consacré à l'intégration sur silicium de films minces de polyuréthane et au développement de différentes structures de tests. L'accent est mis sur la levée de plusieurs verrous technologiques. Le chapitre trois présente les méthodes de caractérisations mécaniques et électriques et les résultats obtenus sur films purs et nanocomposites. Le quatrième et dernier chapitre concerne la réalisation et la caractérisation de premiers démonstrateurs MEMS. Ces micro-actionneurs sont caractérisés de manière statique et dynamique.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur la caractérisation et l'analyse des mécanismes de défaillances qui apparaissent dans une nouvelle famille de composants microondes : les MEMS-RF (Systèmes Micro-Electro-Mécanique RadioFréquence). Si ces composants ont rapidement suscité beaucoup d'espoirs pour résoudre un grand nombre de verrous concernant les nouvelles architectures de communication, il est apparu que la fiabilité de ces composants a énormément ralenti leur développement industriel. De plus, ces micro-commutateurs résultent d'un couplage multi-physique qui a ajouté une forte complexité et une difficulté de compréhension de leur fonctionnement et donc leur fiabilité. Actuellement, de nombreux et intenses efforts sont réalisés par la communauté scientifique (universitaire et industrielle), car ce sujet reste ouvert à de nombreuses questions et problèmes non résolues. Ce document se propose d'apporter une contribution sur ce sujet à la fois sur le plan expérimental, théorique et technologique.

Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés principalement à la récupération de l'énergie mécanique et plus particulièrement l'énergie vibratoire. Cette technologie repose sur l'utilisation des transducteurs résonants, ces dispositifs permettent d'amplifier l'amplitude de vibration et donc de stocker d'avantage d'énergie mécanique dans le convertisseur à la résonance. La quantité de l'énergie en sortie du convertisseur chute lorsque la fréquence de vibration n'est plus égale à la fréquence de résonance, il est donc nécessaire d'assurer un asservissement de la fréquence de résonance de la structure de récupération d'énergie vibratoire sur la fréquence de vibration, si possible sur tout le spectre fréquentiel que couvre la source de vibration. L'objectif de la thèse est de proposer des solutions, à basse consommation, permettant d'assurer un ajustement dynamique en temps réel de la fréquence de résonance en fonction de la fréquence de vibration. Les travaux de cette thèse s'articulent autour de trois solutions : 1) Ajustement de la fréquence de résonance par application d'un champ électrique dans un matériau piézoélectrique 2) Ajustement de la fréquence de résonance par adaptation de la charge électrique d'un matériau piézoélectrique 3) Amplification du mouvement vibratoire par technique de rebond Une modélisation et optimisation à la fois de la plage de fréquence de fonctionnement et de la conversion mécano-électrique ont été réalisées. Trois structures ont été développées et testées et permettent de valider chacune des trois approches. Enfin, une électronique très basse consommation a été mise au point pour asservir en temps réel la fréquence de résonance sur la fréquence de la source de vibration et optimiser le taux d'énergie électrique extraite du système (pour maintenir un facteur de qualité de la structure optimum).

Ce travail de thèse porte sur l'étude de nouveaux phénomènes vibratoires dans les systèmes Nano-électromécaniques (NEMS) conçus à partir de nanofils (NFs) SiC ou de nanotubes de carbone (NCs) résonants. La configuration encastré-libre permet d'effectuer l'émission de champ (EC) pour caractériser nos échantillons et notamment mesurer le module de Young et le facteur de qualité (Q) de nos NEMS. Le chauffage du résonateur permet d'accroître fortement la valeur de Q des nanofils SiC (Qmax = 159 000). Les auto-oscillations observées sous EC sont obtenues seulement par l'application d'une tension continue et permettent un taux de conversion AC/DC de l'ordre de 50%. L'utilisation de NFs très résistifs couplée au courant d'EC est indispensable pour engendrer ces oscillations spontanées. La réalisation d'une nanoradio sous EC permet la démodulation d'un signal AM ou FM grâce à la résonance d'un NC. Nous décrivons une méthode originale pour exciter les vibrations d'un NF à partir du faisceau d'électrons d'un microscope électronique. L'évolution de la charge au bout du NF est la principale cause de ces auto-oscillations. La configuration encastré-encastré consiste à obtenir un transistor à base de NCs suspendus. Les composants sont caractérisés électriquement et mécaniquement dans un testeur sous pointe sous ultra vide à partir de techniques dites de mixing. La fréquence de résonance de ces échantillons est de l'ordre de 100 MHz et la démodulation d'un signal FM est réalisée pour la première fois dans cette configuration de NEMS. Pour l'ensemble des phénomènes découverts et traités dans ce manuscrit, un modèle et les simulations qui en découlent sont présentés et commentés