Depuis ses débuts, la conception des convertisseurs électromécaniques se limitait à l'optimisation, par l'électrotechnicien, de la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique. Cette énergie, alors fournie sous la forme quasi exclusive d'un mouvement à un seul degré de liberté, le plus souvent rotatif, devait ensuite être adaptée, par les mécaniciens, aux besoins du système à actionner. Aujourd'hui, grâce aux évolutions récentes dans des domaines aussi variés que l'électronique de puissance, l'informatique ou encore la conception et la fabrication assistées par ordinateur, il est devenu possible de concevoir de nouveaux actionneurs directement en fonction des besoins des applications auxquelles ils sont destinés. Ainsi, des actionneurs pouvant posséder plusieurs degrés de liberté, tant en rotation qu'en translation, ont été développés. Dans ce contexte, cette thèse poursuit deux objectifs. Le premier est de proposer une démarche de conception intégrant au mieux les aspects électriques et mécaniques de systèmes électromécaniques tels que ces nouveaux actionneurs. Plus largement, elle a pour vocation de s'appliquer à tous types de problèmes multidisciplinaires où la prise en compte des différentes disciplines et de leurs interactions est indispensable pour assurer les performances globales du produit final. Plus particulièrement, elle est adaptée aux cas de recherches qui, contrairement aux cas de développements, font parfois intervenir des concepts mal maîtrisés. Le second objectif est d'appliquer cette démarche à la conception d'un actionneur électrique dont le rotor, de forme sphérique, est actionné avec un débattement illimité selon deux des trois degrés de liberté qu'il possède en rotation. Suivant les différentes étapes constituant cette démarche, divers concepts de solution sont d'abord générés, tant pour les aspects électriques d'actionnement que pour les aspects mécaniques de guidage. Ces concepts sont ensuite caractérisés, via une série de modélisations et d'expérimentations, avant d'être combinés en vue de produire une solution globale, dimensionnée, fabriquée et validée sur un banc d'essai. / From the outset, the design of electromechanical converters was limited to the optimization, by electrical engineers, of the conversion of electrical energy to mechanical energy. The latter was at that time nearly exclusively provided under the form of single degree of freedom motion, more often rotary, and had to be adapted, by mechanical engineers, to the needs of the system to be actuated. Today, thanks to recent evolutions in fields as various as power electronics, computer capabilities or computer-aided design and manufacturing (CAD-CAM), it has become possible to design new actuators by taking directly into account the needs of the applications they are intended for. As a result, actuators with several degrees of freedom, both in rotation and in translation, have been developed. Within this context, this thesis pursues two objectives. The first consists in proposing a new design method integrating as best as possible the electrical and mechanical aspects of electromechanical systems such as these new actuators. More broadly, its vocation is to be applicable to all multidisciplinary problems where taking into account each discipline and their interactions are necessary to ensure the global performances of the final product. More particularly, this method is adapted to the case of researches that, contrary to the case of other developments, sometimes includes badly mastered concepts. The second aim is to apply this approach to the design of an electrical motor with a spherical rotor actuated, with an unlimited angular range, along two of the three degrees of freedom it possesses in rotation. Following the basic steps involved in this approach, various solution concepts were first generated both for the electrical actuation aspects and the mechanical guiding aspects. These concepts were then characterized, via a number of modeling and experimentation phases, before being combined in order to obtain a global solution, which was then sized, manufactured and validated on a test bench.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de la stabilisation de modules d'un futur collisionneur linéaire, CLIC (Compact Linear Collider). Afin d'assurer le fonctionnement et la collision des particules dans ce futur grand instrument de physique, il faut garantir l'alignement de modules guidant des faisceaux de dimensions nanométriques. Les travaux développés ont pour support expérimental deux dispositifs : un dispositif de micropositionnement, avec une résolution inférieur au 1µm, où les perturbations peuvent être simulées et un prototype de nanostabilisation active pour charges importantes (>50kg @300Hz), avec une résolution validée expérimentalement inférieur à 0,15 nm, permettant de démontrer la faisabilité du contrôle de la stabilisation subnanométrique en s'intéressant particulièrement au rejet des mouvements du sol. Les problématiques traitées lors de ces travaux portent sur la méthodologie de conception de tels systèmes, ce qui inclue la conception électromécanique et l'instrumentation, ; la mise en œuvre et la modélisation du comportement des prototypes ,; le contrôle avec notamment les aspects de non linéarité des actionneurs. Les performances obtenues de ces différents travaux et validées expérimentalement incluent notamment les points suivants: La bande passante de fonctionnement pour du micro-positionnement à l'aide d'actionneurs piézoélectriques a été augmentée grâce à la compensation d'hystérésis : Rejet de perturbation issue du support jusqu'à 100 Hz et positionnement jusqu'à 190 Hz. Il a été démontré la faisabilité du contrôle à l'aide de capteurs sismiques. L'isolation active réalisée présente une atténuation des nano-mouvement du sol dans une bande passante comprise entre 12 et 100Hz. Expérimentalement, cela conduit à une réduction des mouvements du sol de 0,6nm [rms] à 0,25nm [rms] à 50Hz et de 3,7nm [rms] à 0,9nm [rms] à 20Hz.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de la stabilisation de modules d'un futur collisionneur linéaire, CLIC (Compact Linear Collider). Afin d'assurer le fonctionnement et la collision des particules dans ce futur grand instrument de physique, il faut garantir l'alignement de modules guidant des faisceaux de dimensions nanométriques. Les travaux développés ont pour support expérimental deux dispositifs : un dispositif de micropositionnement, avec une résolution inférieur au 1µm, où les perturbations peuvent être simulées et un prototype de nanostabilisation active pour charges importantes (>50kg @300Hz), avec une résolution validée expérimentalement inférieur à 0,15 nm, permettant de démontrer la faisabilité du contrôle de la stabilisation subnanométrique en s'intéressant particulièrement au rejet des mouvements du sol. Les problématiques traitées lors de ces travaux portent sur la méthodologie de conception de tels systèmes, ce qui inclue la conception électromécanique et l'instrumentation, ; la mise en œuvre et la modélisation du comportement des prototypes ,; le contrôle avec notamment les aspects de non linéarité des actionneurs. Les performances obtenues de ces différents travaux et validées expérimentalement incluent notamment les points suivants: La bande passante de fonctionnement pour du micro-positionnement à l'aide d'actionneurs piézoélectriques a été augmentée grâce à la compensation d'hystérésis : Rejet de perturbation issue du support jusqu'à 100 Hz et positionnement jusqu'à 190 Hz. Il a été démontré la faisabilité du contrôle à l'aide de capteurs sismiques. L'isolation active réalisée présente une atténuation des nano-mouvement du sol dans une bande passante comprise entre 12 et 100Hz. Expérimentalement, cela conduit à une réduction des mouvements du sol de 0,6nm [rms] à 0,25nm [rms] à 50Hz et de 3,7nm [rms] à 0,9nm [rms] à 20Hz. / This thesis takes place in the framework of a general study about the stabilization of the mechanical modules of a future linear collider, CLIC (Compact Linear Collider). In order to guarantee the good operation and the particle collision, the nanometer sized beams need to be stabilized. The proposed approach was developed on two mock-ups: one dedicated to micropositioning with disturbances generation capabilities, and an active isolation system operating heavy load (up to 50kg at 300Hz) at the nanometer scale with an experimentally validated resolution of 0.15 nm. This work studies the electromechanical design and the instrumentation, the implementation of the two set-ups and their modeling,; the control scheme that takes into account the nonlinearities of the actuators. The experimental achievements include the increase of the bandwidth for piezoelectric micro-positioning thanks to an inverse hysteresis operator: the perturbation rejection is efficient until 100 Hz and the tracking control until 190 Hz. A control scheme using seismic sensors is developed to attenuate ground motion and to isolate a platform in a 12 Hz to 100 Hz frequency range. The experimental displacement is reduced from 0.6 nm to 0.25 nm at 50 Hz and from 3.7 to 0.9 at 20 Hz.