L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes innovantes de conception préliminaire d’actionneurs électromécaniques (EMA) et de les implémenter sous la forme d’outils logiciels rapidement disponibles pour les industriels. Cet objectif répond à une demande forte de l’industrie, en particulier en aéronautique dans le cadre du développement d’avions plus électriques. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode hybride (montante et descendante) de recherche systématique d’architectures solutions et de sélection vis-à-vis des exigences du cahier des charges et de l’état de l’art technologique. Dans un deuxième temps, des méthodes d’évaluation d’architectures en termes de puissance, d’intégration (enveloppe géométrique et masse), de fiabilité et de performances en boucle fermée sont proposées. L’implémentation de ces méthodes se base sur la modélisation acausale et la combinaison de simulations numériques inverses et directes. Des lois d’échelle, représentatives des phénomènes physiques dimensionnants, sont établies pour réduire la complexité d’utilisation des modèles et l'intervention d’experts de domaine dans les phases préliminaires. Les méthodes proposées et leur implémentation dans l'environnement de simulation Modelica/Dymola ont été appliquées avec succès aux exemples d’actionneurs électromécaniques d’orientation d’un train avant d’atterrissage, de commandes de vol primaires et de contrôle de la poussée vectorielle du premier étage de propulsion d’un lanceur spatial. De cette façon, la durée de la phase d’évaluation d’architectures a pu passer d’un ordre de grandeur en jour à un ordre de grandeur en heure / The aim of this thesis is to propose innovative methods for the preliminary design of electromechanical actuators (EMA), and to implement them in software tools rapidly available for the industry. This objective is motivated by a strong demand of the industry, especially in aeronautics within the frame of the development of more electric aircrafts. First, this thesis puts forward a hybrid methodology (top-down/bottom-up) to generate and select systematically architectures with respect to requirements and the state of the art of technology. Second, methods to evaluate architectures in terms of power, integration (geometrical envelop and mass), reliability and closed loop performances are developed. The implementation of these methods is based on non-causal modelling combined to direct and inverse numerical simulations. Scaling laws, representative of the main sizing phenomena, are established to reduce the complexity of the models and the need for domain experts during the preliminary phases. The proposed methods and their implementation within the simulation framework Modelica/Dymola have been applied successfully to the examples of electromechanical actuators for the steering of a nose landing gear, the primary flight control of an aircraft and the thrust vector control of a space launcher. As a result, the duration of the architecture evaluation has been reduced from day-scale to hour-scale

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). / The work of this thesis is focused on the mechanical energy harvesting. This technology is generally based on the use of resonant transducers. Such systems work efficiently when their resonant frequency is equal to the vibration one. Otherwise, the output power from the harvester drops dramatically. Hence, it's necessary to ensure a continuous control of the resonant frequency of the harvester in order to avoid a possible shift between the resonant frequency and the vibration one, and doing this over the frequency spectrum covered by the vibration source. The main goal of this thesis is to develop new efficient solutions able to control in real time and tune the resonant frequency, these solutions should be low power consumption. During this thesis, three solutions have been developed: 1) adjustement of the resonant frequency by applying an electric field on the piezoelectric material; 2) adjustement of the resonant by adapting the electrical load; 3) the amplification of the structure relative displacement using a rebound technique. Modelling and optimization of both the frequency adjustment techniques and the mechanical-to-electrical conversion were performed. Three structures have been developed, tested and used to validate the three approaches. Finally, a very low power consumption electronic has been developed for a real time control of the resonant frequency, by regarding the vibration frequency, and also to optimize the extracted electrical energy from the harvester by maintaining an optimum quality factor.

Cette thèse est dédiée à l'analyse mathématique et la simulation numérique des équations intervenant dans la modélisation de l’électrophysiologie cardiaque. D'abord, nous donnons une justification mathématique rigoureuse du processus d’homogénéisation périodique à l’aide de la méthode d'éclatement périodique. Nous considérons des conductivités électriques tensorielles qui dépendent de l’espace et des modèles ioniques non linéaires physiologiques et phénoménologiques. Nous montrons l'existence et l'unicité d’une solution du modèle microscopique en utilisant une approche constructive de Faedo- Galerkin suivie par un argument de compacité dans L2. Ensuite, nous montrons la convergence de la suite de solutions du problème microscopique vers la solution du problème macroscopique. À cause des termes non linéaires sur la variété oscillante, nous utilisons l’opérateur d’éclatement sur la surface et un argument de compacité de type Kolmogorov pour les modèles phénoménologiques et de type Minty pour les modèles physiologiques. En outre, nous considérons le modèle monodomaine couplé au modèle physiologique de Beeler-Reuter. Nous proposons un schéma volumes finis et nous analysons sa convergence. D'abord, nous dérivons la formulation variationnelle discrète correspondante et nous montrons l'existence et l'unicité de sa solution. Par compacité, nous obtenons la convergence de la solution discrète. Comme le schéma TPFA (two point flux approximation) est inefficace pour approcher les flux diffusifs avec des tenseurs anisotropes, nous proposons et analysons, ensuite, un schéma combiné non-linéaire qui préserve le principe de maximum. Ce schéma est basé sur l’utilisation d’un flux numérique de Godunov pour le terme de diffusion assurant que les solutions discrètes soient bornées sans restriction sur le maillage du domaine spatial ni sur les coefficients de transmissibilité. Enfin, dans la perspective d'étudier la solvabilité des modèles électromécaniques couplés avec des modèles ioniques physiologiques, nous considérons un modèle avec une description linéarisée de la réponse élastique passive du tissu cardiaque, une linéarisation de la contrainte d'incompressibilité et une approximation tronquée des diffusivités non linéaires intervenant dans les équations du modèle bidomaine. La preuve utilise des approximations par des systèmes non-dégénérés et la méthode Faedo-Galerkin suivie par un argument de compacité. / This thesis is concerned with the mathematical analysis and numerical simulation of cardiac electrophysiology models. We use the unfolding method of homogenization to rigorously derive the macroscopic bidomain equations. We consider tensorial and space dependent conductivities and physiological and simplified ionic models. Using the Faedo-Galerkin approach followed by compactness, we prove the existence and uniqueness of solution to the microscopic bidomain model. The convergence of a sequence of solutions of the microscopic model to the solution of the macroscopic model is then obtained. Due to the nonlinear terms on the oscillating manifold, the boundary unfolding operator is used as well as a Kolmogorov compactness argument for the simplified models and a Minty type argument for the physiological models. Furthermore, we consider the monodomain model coupled to Beeler- Reuter's ionic model. We propose a finite volume scheme and analyze its convergence. First, we show existence and uniqueness of its solution. By compactness, the convergence of the discrete solution is obtained. Since the two-point flux approximation (TPFA) scheme is inefficient in approximating anisotropic diffusion fluxes, we propose and analyze a nonlinear combined scheme that preserves the maximum principle. In this scheme, a Godunov approximation to the diffusion term ensures that the solutions are bounded without any restriction on the transmissibilities or on the mesh. Finally, in view of adressing the solvability of cardiac electromechanics coupled to physiological ionic models, we considered a model with a linearized description of the passive elastic response of cardiac tissue, a linearized incompressibility constraint, and a truncated approximation of the nonlinear diffusivities appearing in the bidomain equations. The existence proof is done using nondegenerate approximation systems and the Faedo-Galerkin method followed by a compactness argument.

Au cours de ces dernières décennies, les avionneurs n’ont cessé d’augmenter la puissance électrique embarquée à bord des avions. Cette intensification de l’usage de l’électricité, dans le but de rationaliser les énergies secondaires de l’avion (pneumatique, hydraulique, mécanique) constitue le fondement du concept de l’avion plus électrique. Une des contreparties de l’augmentation du nombre de charges électriques réside dans le fait qu’elles doivent fonctionner dans le même environnement électromagnétique, ce qui engendre des problèmes de compatibilité. Cette discipline a été traitée jusqu’à présent en fin de développement d’un système, avant l’étape de la certification et de l’intégration sur avion. La prise en compte de ces contraintes dès la phase de conception, via l’estimation des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées par simulation, peut permettre d’importants gains de temps et de coûts en réduisant les phases d’essais. La première étape de ce projet de recherche est la mise en place d’une approche de modélisation compatible avec les processus d’optimisation. Il est alors indispensable de prendre en compte l’ensemble des sous-systèmes qui composent la chaîne électromécanique, à savoir les RSILs, les câbles, le convertisseur et le moteur. L’approche de modélisation choisie est de type directe ; elle consiste à représenter la chaîne électromécanique dans la base de mode commun par des quadripôles. Ce modèle générique permet d’estimer les courants de mode commun directement dans le domaine fréquentiel en différents points du système. Par ailleurs, afin d’être compétitif vis-à-vis des autres vecteurs d’énergie présents sur avion, la densité de puissance des systèmes électriques doit être drastiquement augmentée. L’introduction des semi conducteurs grands gaps à base de Carbure de Silicium (SiC) permet de contribuer à l’augmentation de la densité de puissance des électroniques de puissance. Cependant, dans ces travaux de thèse, nous veillons à la non régression des performances au niveau système et notamment vis-à-vis de l’impact des émissions électromagnétiques conduites de mode commun. Une fois les modèles en émission établis, diverses solutions de filtrage sont étudiées : filtrage passif externe et interne. Une démarche d’optimisation multi-objectifs (masse, pertes) et multi contraintes (qualité réseau, stabilité, CEM, thermique, etc.) est proposée. Des études de sensibilité mettent en évidence les variables de conception ayant le plus d’impact sur les émissions conduites. Cette approche permet le dimensionnement optimal des composants de l’onduleur (module de puissance, dissipateur, filtres de mode commun et de mode différentiel, paramètres de la commande rapprochée). Les résultats obtenus grâce à l’algorithme génétique employé permettent de construire des courbes de tendance utiles pour l’aide au dimensionnement. / Over the last decades, aircraft manufacturers have not ceased to increase the electrical power on board aircrafts. This intensification of the use of electricity, in order to rationalize the secondary energies of the aircraft, lays the foundation for the concept of the More Electric Aircraft (MEA). One of the counterparts to increasing the number of the electrical loads is that they must operate in the same electromagnetic environment, which creates compatibility issues. This discipline has been treated so far at the end of the development of a system, before the stage of certification and aircraft integration. Taking into account these constraints from the design phase, via the estimationof conducted and radiated electromagnetic disturbances by simulation, significant time and costs savings could be achieved by reducing the test phases. The first step of this research project is the implementation of a modeling approach suitable with optimization processes. It is then essential to take into account all subsystems that form the electromechanical drive, namely the LISNs, the cables, the power converter and the electric motor. The modeling approach chosen is of the direct type; it consists of representing the electromechanical chain in the common mode base by two ports networks. This generic model allows us to estimate common mode currents directly in the frequency domain at different locations. Besides, one of the main challenges associated to MEA is thus to drastically increase the power density of electrical power systems, without compromising on reliability. The development of new Wide Bandgap (WBG) semiconductor technologies made of Silicon Carbide, can significantly increase efficiency, performance and power density of adjustable speed electrical power drive systems. Nevertheless, due to their higher switching speed and voltage overshoot, WBG semiconductors used in power converters of an electromechanical chain may have some drawbacks when it comes to ElectroMagnetic Interference. Understanding the switching behavior of WBG components is necessary in order to keep switching speed and overvoltage at a reasonable level. In this PhD thesis, we ensure that the introduction of this emerging technology does not lead to a regression of performance at system level. Once we establish the conducted emissions models, different filtering solutions have been used: external and internal passive filters. An optimization dedicated to the resolution of a multi-objectives problem (mass, losses) and multi-constraints (quality, stability, EMC, thermal, etc.) in order to minimize the mass of the converter is accomplished. Sensitivity studies led to the identification of the design variables which have the biggest impacts on conducted emissions. This tool allows the optimal sizing of the inverter’s components (power module, heat sink, common mode and differential mode filters, close control parameters). The results obtained thanks to the use of a genetic algorithm make it possible to develop trend curvesfor an inverter sizing.

Les matériaux piézoélectriques et ferroélectriques présentent un comportementélectromécanique couplé. Cette particularité leur a permis d’être utilisés dans de nombreusesapplications telles que les applications de capteur, actionneur, transformateur et récupérateurd’énergie. En outre, en raison de leur comportement non linéaire et dissipatif, les matériauxferroélectriques sont de plus en plus utilisés dans le domaine de l’électronique en tant quecapacité accordable, mémoire non volatile, oscillateur et filtre. La performance et la fiabilitéde ces systèmes dépendent directement des propriétés ferroélectriques et piézoélectriques dumatériau, qui nécessite par conséquent d’être caractérisé. Les propriétés piézoélectriques,ferroélectriques, ferroélastiques et diélectriques des matériaux ferroélectriques ont été le sujetde nombreuses études. Pourtant, les conditions d’essai restent difficiles à maîtriser car lespropriétés thermiques, mécaniques et électriques de ces matériaux sont fortement couplées.Dans cette thèse, un dispositif de mesure de champ de déformation a été conçu pourcaractériser le comportement piézoélectrique et ferroélectrique des céramiquesferroélectriques. Ce dispositif utilise un banc optique ainsi qu’un algorithme de Corrélationd’Images Numériques (CIN) 2D appelé CorreliRT3. Cet algorithme est basé sur une approcheglobale et réduit les erreurs de mesure de déplacement en s’appuyant sur les équationsd’équilibre de la mécanique des solides. Grâce au banc de caractérisation par CIN, il estmontré que les déformations piézoélectriques et ferroélectriques peuvent être mesurées avecune incertitude d’environ 10-5. Cette incertitude est atteinte aussi bien pour des sollicitationssimples que couplées (champ électrique et/ou contrainte mécanique). Il est aussi montré quele banc expérimental permet de vérifier les conditions d’essai en caractérisant l’hétérogénéitédes déformations lors d’un essai matériau.Dans les deux derniers chapitres, un matériau ferroélectrique est caractérisé souschamp électrique et sous contrainte mécanique. Le comportement du matériau est présenté etdiscuté dans les différentes configurations de chargement. Les propriétés matériau, telles queles coefficients piézoélectriques (d33, d31), sont extraites et étudiées en fonction du champélectrique et de la contrainte. Les résultats montrent que la CIN est capable de mesurer etcaractériser le comportement et les propriétés des matériaux ferroélectriques etpiézoélectriques. L’avantage de la CIN étant que, contrairement aux méthodes de mesureclassiques, celle-ci ne perturbe pas les conditions d’essai (mesure sans contact) et permette dedétecter la présence d’erreurs systématiques. / Piezoelectric and ferroelectric materials exhibit a coupled electromechanicalbehaviour. This property allows a use in various kinds of applications such as sensors,actuators, harvesting devices or converters. In addition, due to their non-linear and dissipativebehaviour, ferroelectric materials are increasingly used in electronic applications such astunable capacitors, non-volatile memory, oscillators and filters. The performance andreliability of such devices depend on the material electromechanical properties, whichconsequently need to be characterised. In the past decades, such characterisation was largelydeveloped and the piezoelectric, ferroelectric, ferroelastic and dielectric properties offerroelectrics were the subject of numerous studies. Yet the test conditions are difficult tocontrol due to the strong interplay between thermal, mechanical and dielectric properties.In this work, a full-field measurement apparatus has been designed to characterise thepiezoelectric and ferroelectric strain behaviour of ferroelectric ceramics. This apparatus usesan optical setup and a 2D Digital Image Correlation (DIC) algorithm named CorreliRT3. Thealgorithm is based on a global approach and reduces the displacement field errors using thebalance equations of solid mechanics. It is shown that piezoelectric and ferroelectric strainscan be measured with an uncertainty around 10-5 by using the developed setup. Thisuncertainty is reached under uncoupled or coupled loading (electric field and/or stress). It isalso shown that the experimental setup can control the test conditions by characterising thestrain heterogeneity during the test.In the two last chapters, a ferroelectric material is characterised under electric field andstress. The material behaviour is presented and discussed in the different loadingconfigurations. Material properties, such as the longitudinal and transverse piezoelectriccoefficients (d33, d31) are extracted and analysed as a function of the electric field and stress.The results show that the DIC technique is able to measure and characterise the behaviour andthe properties of ferroelectric and piezoelectric materials. The main benefits of this techniqueis that, contrary to classical measurement techniques, the measurement does not alter the testconditions. Moreover, DIC is able to detect test anomalies such as strain heterogeneities

Les microphones à électret dédiés à l'électronique grand public et les applications médicales (les audioprothèses) ont atteint les limites de la miniaturisation. Depuis la sortie du premier microphone basé sur une technologie microsystème sur silicium (MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems), les microphones à électret sont progressivement remplacés par les microphones MEMS. Les MEMS utilisent le silicium car il offre des caractéristiques mécaniques exceptionnelles avec de bonnes propriétés électriques et la technologie de fabrication est maintenant bien maîtrisée. La plupart des microphones MEMS qui sont décrits dans la littérature sont constitués d’une membrane qui vibre en dehors du plan du capteur, et utilisent la transduction capacitive. La miniaturisation de tels microphones est limitée car leur sensibilité est liée à la valeur de la capacité qui dépend de la taille de la membrane. En outre, les capteurs capacitifs sont très sensibles aux capacités parasites et aux non-linéarités. Cette thèse présente une nouvelle architecture de microphone MEMS qui utilise des micro-poutres qui vibrent dans le plan capteur. La transduction du signal est réalisée par des nanojauges piézorésistives intégrées dans le microsystème et attachées aux micro-poutres. Ce système de détection original ne présente pas les inconvénients de la détection capacitive et à la différence des piézorésistors classiques intégrés dans la membrane de silicium, les nanofils suspendus permettent d’éliminer les courants de fuite. De plus, l'amélioration de la détection est possible puisque le coefficient piézo-résistif longitudinal est inversement proportionnel à la section du nanofil. Les fluctuations de pression acoustique entraînent les déviations des micro-poutres qui produisent une concentration de contraintes dans les nanogauges. Le comportement du capteur, que l’on cherche à modéliser, est lié à des phénomènes mécaniques, acoustiques et électriques qui sont couplés. En raison des dimensions micrométriques du MEMS, les effets des dissipations thermique et visqueuse doivent être pris en compte dans le comportement acoustique. Pour prédire de façon fiable le comportement du capteur, deux modèles vibroacoustiques sont utilisés: un modèle éléments finis basé sur l'ensemble des équations de Navier-Stokes linéarisées et un modèle approché basé sur un schéma à constantes localisées (représentation par circuit électrique équivalent). Les deux modèles sont complémentaires dans le processus de conception pour déterminer la réponse en fréquence et le taux de bruit du capteur. Le travail est complété par la description des processus technologiques et les défis liés à la fabrication du prototype. Puis deux approches pour la caractérisation fonctionnelle du microphone MEMS sont présentées, la première en tube d’impédance, la seconde en champ libre. / Electret microphones dedicated to consumer electronics and medical applications (hearing aids) have reached the miniaturization limits. Since the release of the first microphone based on Silicon micromachining, electret microphones are constantly replaced by MEMS microphones. MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) microphones use Silicon that provides exceptional mechanical characteristics along with good electric properties and mature fabrication technology. Regardless of the transduction principle (capacitive, piezoresistive, piezoelectric, optical), all of the MEMS microphones reported in the state of the art literature are based on a membrane deflecting out of the plane of the base wafer. Most of the reported microphones and all of the commercially available MEMS use capacitive transduction. Downscaling of capacitive microphones is problematic, since the sensitivity depends on capacitance value. Moreover capacitive sensors suffer of high sensitivity to parasitic capacitance and nonlinearity. The drawbacks of capacitive detection may be overcome with use of piezoresistive properties of Silicon nanowires. Unlike the classical piezoresistors integrated into silicon membrane, suspended nanowires do not suffer of leakage current. Further improvement of piezoresistive detection is possible since the longitudinal piezoresistive coefficient rises inversely proportional to nanowire section. This thesis presents the considerations of novel MEMS microphone architecture that uses microbeams which deflect in the plane of the base wafer. Signal transduction is achieved by piezoresistive nanogauges integrated in the microsystem and attached to the microbeams. Acoustic pressure fluctuations lead to the deflection of the microbeams which produces a stress concentration in the nanogauges. Accurate simulations of the discussed transducer couple acoustic, mechanical and electric behavior of the system. Due to micrometric dimensions of the MEMS acoustic system, thermal and viscous dissipative effects have to be taken into account. To reliably predict the sensor behavior two acoustic models are prepared: the complete Finite Element Model based on the full set of linearized Navier-Stokes equations and the approximative model based on the Lumped Elements (Equivalent Cirtuit Representation). Both models are complementary in the design process to finally retrieve the frequency response and the noise budget of the sensor. The work is completed by the description of the technological process and the challenges related to the prototype microfabrication. Then the approach to the MEMS microphone characterization in pressure-field and free-field is presented.

L’industrie aéronautique fait face à trois enjeux majeurs : la réduction de son empreinte environnementale, l’absorption de l’augmentation du trafic et le maintien d’un haut niveau de sécurité pour des systèmes de plus en plus complexes, à coûts équivalents. La maintenance prédictive permet de répondre en partie à ces trois enjeux. Les systèmes, dont on peut prédire la durée de vie peuvent être utilisés plus longtemps, ce qui diminue le nombre de composants utilisés sur la vie d’un avion. Prédire les pannes permet également d’augmenter la disponibilité des aéronefs en évitant les arrêts non planifiés. Enfin, le suivi de l’état de vieillissement de l’avion permet d’optimiser la maintenance et ainsi de réduire les coûts. Dans les années 2000, ces méthodologies ont été appliquées sur les moteurs. Elles commencent maintenant à se généraliser aux autres systèmes avioniques. Ainsi cette thèse concerne la mise au point de méthodologies amenant à la maintenance prédictive d’actionneurs électro – mécaniques (EMA) de commande de vol. Les problématiques et les contraintes (temps de calculs, quantités de mémoire…) liées à cette thématique sont détaillées. Dans un premier temps, le calcul de signatures de défauts est abordé. Une méthode pour les systèmes visécrou, basée sur l’identification d’un modèle de frottement, est proposée. Une deuxième méthode, reposant sur l’analyse des courants à partir d’une combinaison de décomposition modale empirique ensembliste complète et d’analyse aveugle de sources, est ensuite introduite. Ces deux méthodes sont testées sur des données issues de profils non opérationnels. Ces données sont issues d’un modèle de simulation représentant finement l’actionneur dans son environnement. L’ensemble des simulations représente des essais virtuels sur une population d’EMA. A partir de ces simulations, les signatures mises au point sont calculées. Puis, afin de valider ces signatures, des métriques de performances sont calculées. Le diagnostic par reconnaissance de formes est ensuite traité. Un algorithme reposant sur une combinaison de machine à vecteur de supports et de fonctions floues d’appartenances est proposé. Celui-ci peut notamment estimer la sévérité d’un défaut. Il permet également de détecter des points ne correspondant pas à la base d’apprentissage, qui peuvent représenter des défauts inconnus ou des points appartenant à plusieurs classes à la fois, pouvant représenter des cas de défauts combinés. L’architecture d’un système de diagnostic complet, basée sur l’algorithme conçu, est détaillée. Des validations expérimentales des méthodes de calcul de signatures et de diagnostic sont ensuite menées. Ces validations reposent sur trois bases issues de trois campagnes d’essais. La première repose sur des essais d’un EMA sain sur un banc représentatif. La deuxième concerne un moteur asynchrone en défaut en régime permanent. La dernière porte sur un moteur synchrone à aimants, de type aéronautique, en défaut de courtcircuit inter-spires en régime permanent. Le respect des contraintes par l’algorithme est vérifié. Enfin, des éléments pour aller vers le pronostic sont avancés. Le processus du pronostic est détaillé. Seule une partie de ce processus est traitée, sur des données issues de vieillissement de roulements. Dans un premier temps, le partitionnement de données de vieillissement pour créer des classes de sévérité de défaut est étudié. Cette tâche a amené à proposer une métrique, dite de cohérence temporelle, permettant de vérifier qu’un résultat de partitionnement satisfait aux contraintes pour le pronostic. Puis l’algorithme de classification proposé est validé sur les données partitionnées. Ceci amène à distinguer deux méthodes de validation, une approche dite diagnostic et une dite pronostic. Une méthode de normalisation, pour l’approche pronostic, est proposée. La prédiction des signatures dans le futur est ensuite traitée. Un algorithme de régression par vecteurs de support est utilisé [etc...] / The aeronautics industry is facing three major challenges: the reduction of its environmental impact, the absorption to the air traffic increase and a high level of safety for increasing complex systems, for equivalent costs. Predictive maintenance allows answering to these issues. Systems, for which the life can be predicted, can be used for a longer time. This reduces the number of components used in the lifetime of an aircraft. To predict failures also allow increasing the availability of aircrafts by avoiding unplanned downtime. Finally, monitoring the ageing of the aircraft allows to optimize maintenance and so to reduce costs. In the 2000s, these methodologies were applied to turbojets. It starts, now, to be generalized to others avionics systems. Therefore, this work deal with predictive maintenance methodologies for electromechanical actuator (EMA) for flight controls systems. Problems and constraints (computation time, memory quantities…) related to this subject are detailed. In a first part, fault feature computation methodologies are investigated. A first method is proposed for screw/nut systems. This method is based on the identification of a friction model. A second method, based on current analysis, is presented. This method uses a combination of empirical mode decomposition and independent component analysis. The two methods are tested on data from a non-operational profile. This data are from a simulation model which represents the EMA in the aircraft environment. The simulations performed represent virtual trials on a population of EMA. From these simulations, fault features are computed. Then, performances metrics are evaluated. Diagnosis by pattern recognition is then studied. An algorithm based on support vector machine and fuzzy membership functions is proposed. This algorithm can estimate the severity of a fault. It can also detect unknown observations, which can represent unknown faults or combined faults. The architecture of a global diagnosis system, based on the proposed algorithm, is detailed. Experimental validation of fault features computation and diagnosis algorithm is performed. These validations are based on three data bases. The first one is based on trials performed on a healthy EMA on a representative bench. The second consists in an induction motor at constant speed for different types of faults. The last one is from trials on a permanent magnet synchronous machine, of aeronautics type, for different kinds of short – circuit fault severities. The respect of the aeronautics constraints is verified. At last, elements for prognosis process are given. This process is detailed. Only a part of this process is treated, on a roller bearings benchmark database. First, the clustering for prognosis is studied. A metric, which allows verifying that the obtained clusters are coherent regarding time, and thus, checks the constraints for prognosis, is given. Then the proposed diagnosis algorithm is validated on the clustered data. This brought to perform two kinds of validation, a diagnosis oriented one and a prognosis oriented one. A method to normalize data for the prognosis oriented validation, based on sigmoid function, is given. The prediction of the features in the future is studied. A regression algorithm based on support vector regression is used. Finally, the diagnosis algorithm is applied to the predicted data. This allows to estimate the end of life, and so the remaining useful life for a given time. These estimations are evaluated regarding different kinds of performance metrics and regarding the constraints of the aeronautics applicative field

Un défi à court terme pour les industriels de l’aéronautique est de concevoir des produits sûrs, fiables, compactes, basse consommation et à faible impact environnemental due à la forte concurrence et à l’augmentation des attentes des clients et des autorités de certification. Un défi à plus long terme pour ces organisations est de pérenniser leur savoir-faire et leur expertise qui sont menacés par le départ en retraite de générations d’experts, ingénieurs et techniciens. Relever ces défis n’est pas une tâche facile lorsque les produits concernés sont des systèmes mécatroniques embarqués tel que les systèmes d’actionnement électromécaniques. La conception de ces systèmes complexes nécessite l’intégration de savoirs très hétérogènes dû à l’interaction entre de nombreux métiers de l’ingénierie et entre les différentes lois de la physique qui les caractérisent. De plus, les systèmes mécatroniques embarqués sont constitués de nombreux composants interdépendants. Faire face à l’interdépendance des composants reste une tâche non-triviale et fondamentale du métier d’ingénieur. Ceci provoque des itérations coûteuses durant le cycle de conception et des solutions non-optimisées. Les techniques d’optimisation multidisciplinaire fournissent des fondements théoriques et des outils de calculs permettant l’optimisation de systèmes comportant un grand nombre de variables et des couplages multidisciplinaires. Dans le but d’utiliser ces techniques pour un dimensionnement rapide des produits mécatroniques, des tâches doivent être effectuées : représentation du savoir de conception, décomposition et coordination des modèles pour l’évaluation et l’optimisation des performances du système. Les modèles algébriques ont été choisis pour représenter les différents modèles de conception. Une nouvelle formulation d’optimisation multidisciplinaire est proposée. Elle permet des convergences rapides et s’avère robuste au changement d’échelle. Une approche basée sur la théorie des graphes et le calcul symbolique est proposée pour aider les ingénieurs à la mise en place de problèmes à grand nombre de variables et comportant des couplages multidisciplinaires. Une méthodologie de dimensionnement est présentée ainsi que l’outil logiciel associé. L’objectif principal est de permettre un dimensionnement global des systèmes mécatroniques en se souciant de la réutilisation du savoir et la prise de décision rapide. La méthodologie est illustrée sur un cas académique de système d’actionnement. Ensuite, des systèmes plus complexes sont étudiés. Tout d’abord, la conception d’un système d’actionnement de commandes de vol primaire est effectuée. Enfin, un système d’actionnement d’inverseur de poussée électrique est dimensionné / The critical short term challenge for contemporary aerospace industrial companies is to design safe, reliable, compact, low power consumption and low environmental impact products, forces driven by economic competition and the increasing expectations of customers and certification authorities. A long-term challenge for these organizations is to manage their knowledge and expertise heritage, which is jeopardized due to forthcoming retirement of the current generation of experts, engineers and technicians. Undertaking these challenges is particularly intricate when it comes to embedded mechatronic systems used in electro-mechanical actuation systems. The design of these complex systems involves heterogeneous knowledge due to the interface of multiple engineering specializations and the interacting physical laws that govern their behaviour. Additionally, embedded mechatronic systems are composed of several interdependent components and sub-systems. Dealing with interdependencies remains a non-trivial and fundamental aspect of modern engineering practice. This can result in costly iterations during the design process and final non-optimal solutions. Multidisciplinary System Design Optimization techniques provide theoretical foundations and computational tools for optimizing large and multidisciplinary systems. Tasks must be performed to apply such techniques for rapid initial sizing of mechatronic products: modelling the design knowledge, partitioning and coordinating the models for system performances analysis and optimization. Algebraic analysis functions are chosen to represent the design models. A new Multidisciplinary System Design Optimization formulation for fast and robust analysis is proposed. A theoretic graph approach using symbolic manipulation to assist designers in formulating large and multidisciplinary problems is outlined. A specific design methodology and its associated framework developed are presented. The general objective is to allow holistic sizing of mechatronic engineering systems with emphasis placed on model reusability and rapid decision making. The methodology is illustrated using a simple aerospace actuation system example. More complex actuation systems are then addressed. First, the design of an electro-mechanical primary flight control actuation system is examined, subsequently; the design methodology is applied to an electrical thrust reverser actuation system.

La thèse porte de manière générale sur les polymères électrostrictifs qui peuvent être utilisés soit comme actionneurs électromécaniques souples, soit comme capteurs ou récupérateurs d’énergie. Le premier chapitre est une introduction générale aux systèmes couplés électromécaniques. Le choix des matériaux est exposé et porte sur les élastomères diélectriques et les polyuréthanes (PU) chargés par des nanoparticules conductrices de noir de carbone (CB). Le second chapitre porte sur la réalisation des films. Des particules de CB sous forme de micelles préformées et une technique « solution-cast » sont employées dans cette optique. Ce procédé permet une bonne dispersion des charges. Une amélioration de la déformation d’un facteur 1,6 est obtenue par introduction de particules de CB à 0.89 vol%. Le troisième chapitre présente la modélisation de phénomènes comme la saturation de la polarisation qui implique directement une saturation de la déformation. En modélisant la polarisation comme une fonction non-linéaire dépendant de deux variables (la permittivité bas niveau et un champ de saturation), on décrit ainsi correctement plusieurs phénomènes qui ne peuvent être interprétés par une approche linéaire et homogène. Les simulations effectuées montrent une bonne corrélation avec les expérimentations menées. Le quatrième chapitre propose une comparaison entre les films PU purs et chargés. Cette analyse porte non seulement sur des mesures mécaniques et électriques mais également en XRD ou en DSC afin de détecter le niveau de cristallisation. Une dispersion importante a ainsi été observée visuellement. Des déformations de l’ordre de 50 % ont ainsi été obtenues. Le cinquième chapitre porte sur l’effet lié à l’injection de charges électriques par bombardement électronique (HEBI), sur la déformation électrostrictive. Une telle approche permet ainsi un gain d’un facteur de l’ordre de 2 sur la déformation et semble réduire les pertes de façon très conséquente. / In a general manner, the present thesis focuses on electrostrictive polymers which can be used either as flexible electromechanical actuators or as sensors or energy harvesters. Chapter 1 is a general introduction to electro-mechanical coupled systems. The choice of the materials is described and focuses on dielectric elastomers, polyurethane (PU) with conductive carbon black (CB) nano-particle fillers. Chapter 2 focuses on the film synthesis. CB nano-particles in the form of micelles and solution cast method were employed to provide good filler dispersion. The strain enhancement of a factor of 1.6 was obtained by 0.89 vol% CB doping. Chapter 3 exposes the modeling of electrostrictive actuation and in particular the saturation of the polarization. By modeling the polarization as a nonlinear function depending on two variables (low-level permittivity and saturation field), it is therefore possible to describe several phenomena that cannot be explained by a classical linear and homogeneous approach. Simulations performed using such an approach show a good agreement with experimental results. Chapter 4 presents the comparison between pure PU and composite films. It includes mechanical/electrical characterization as well as XRD or DSC measurements to detect the crystallization level. High dispersion level was visually confirmed. Strains of the order of 50 % were reached. Chapter 5 deals with the effect of electric charge injection by homogeneous electron beam irradiation (HEBI) on the electrostrictive strain. This technique therefore permits a gain of 2 on the obtained strain and seems to significantly reduce the losses in the material as well.

Les matériaux actifs, tels que les matériaux piézoélectriques et électrostrictifs, sont couramment utilisés dans la conception de dispositifs exploitant leurs propriétés respectives. La propriété principale de ces matériaux réside dans le fort couplage entre les comportements électrique et mécanique (piézoélectricité). Dans la majorité des cas, ces matériaux sont utilisés séparément. L’utilisation combinée de ces matériaux permet la réalisation de dispositifs innovants basés sur l’effet électrostrictifs: l’apparition d’une polarisation électrique induite par une contrainte mécanique et réciproquement l’apparition d’une déformation mécanique sous l’action d’un champ électrique. Les applications « support » concernent les capteurs et les actionneurs. L’étude de ce couplage passe par la caractérisation de ces matériaux, puis par la mise en place de modèles décrivant finement leurs comportements et enfin par le développement d’outils pour la conception. L’objectif de la thèse est de remplacer le matériau céramique, rigide et à faible déformation, par un film polymère nanocomposite électroactifs, présentant des grandes déformations et forces d'actionnement sous champ électrique modéré grâce à l'incorporation dans la matrice polymère de micro et nano-objets (charge) conducteurs ou semi-conducteurs. De plus, pour des applications plus spécifiques de la récupération d’énergie, la charge du film polymère par des micro et nano-objets conducteurs sera également étudiée. Idéalement, il serait très intéressant de réaliser un matériau multifonctionnel, sensible à la fois à une stimulation mécanique (propriétés de détection et/ou de récupération d’énergie par couplage électromécanique). / In the last decades, direct energy conversion devices for medium and low grades waste heat have received significant attention due to the necessity to develop more energy efficient engineering systems. A great deal of research has in recent years been carried out on harvesting energy using piezoelectric, electrostatic, electromagnetic , and thermoelectric ,transduction, with the aim of harvesting enough energy to enable data transmission. For this purpose, piezoelectric elements have been extensively used in the past; however they present high rigidity and limited mechanical strain abilities as well as delicate manufacturing process for complex shapes, making them unsuitable in many applications. Thus, recent trends in both industrial and research fields have focused on electrostrictive polymers for electromechanical energy conversion. This interest is explained by many advantages such as high productivity, flexibility, and processability. Hence, electrostrictive polymer films are much more suitable for energy harvesting devices requiring high flexibilities, such as systems in smart textiles and mobile or autonomous devices. Electrostrictive polymers can also be obtained in many different shapes and over large surfaces. . In the last years, electrostrictive polymers have been investigated as electroactive materials for energy harvesting. However for scavenging energy a static field is necessary, since this material is isotope, there is no permanent polarization compare to piezoelectric material. A solution for avoid this problem; concern the hybridization of electrostrictive polymer with electret. Finally, the implementation of electrostrictive materials is much simpler for small-scale systems (MEMS). Hence, several studies have analyzed the energy conversion performance of electrostrictive polymers, both in terms of actuation and energy harvesting.