The objective of the dissertation is to develop simplified analytical models for typical linear-motion and rotary-motion energy-conversion systems under active DC excitation without tedious numerical-simulation effort, and provide practical implementation of the models in optimal-design and thermal-protection aspects. The model of a vacuum automatic circuit recloser (a typical linear-motion system under DC excitation) is first developed in the form of a non-linear discontinuous eighth-order dynamic system. The model is then used to simulate the transient mechanical and electromagnetic performance during the opening and closing movements of the recloser. Such a model is not found in the literature. Although the model is based on certain simplifying assumptions, the result is validated by high-speed-camera measurements. In addition, the impact of key design variables is explored, based on which an improved recloser design is proposed, and helps to optimize capital and production costs without degrading performance. Further analytical investigation is carried out in modeling an inverter-fed induction motor (IM) (a typical rotary-motion system) with active DC injection. The IM is closed-loop controlled via two popular motor-control algorithms, namely, the direct-torque-control (DTC) algorithm and field-oriented-control (FOC) algorithm. Quantitative relationships between the changes of various machine variables during the active DC excitation are provided in the theoretical analysis. The developed DC-injection model is further simplified for practical implementation. The developed IM model under DC injection results in practical ways to excite a proper amount of DC current directly or indirectly into IM stator windings via different closed-loop motor-control algorithms. In a DTC motor-drive system, the modeling work makes it possible to excite the DC current indirectly inside the motor by superimposing a stator-flux-linkage-bias command in the flux-control loop or a torque-ripple command in the torque-control loop. The proposed flux-linkage-injection and torque-injection methods are the first novel efforts to implement the DC-signal-injection method in a DTC motor-drive system. In addition, the analysis carried out in a standard FOC drive system brings about an improved DC-current-injection approach: the torque ripple in this method is significantly mitigated compared to all existing DC-injection methods in FOC systems. The proposed DC-injection methods, either in a DTC or an FOC system, lead to a simple, low-cost, accurate, and non-invasive thermal-monitoring scheme for closed-loop-controlled IMs, where the stator temperature is indirectly estimated from stator resistance. Furthermore, considering inverter non-idealities, there is a challenge for a typical inverter drive to accurately estimate the DC component of motor terminal voltages. The existing methods are extended to provide a complete study of the real-time signal-processing technique for both DTC and FOC algorithms, and are finally implemented in a custom-built programmable motor-drive system. The experimental results demonstrate that the proposed technique gives accurate and robust stator-temperature estimation, regardless of the operating conditions and cooling modes. The analytical modeling method for the linear-motion and rotary-motion energy-conversion systems can be further extended to other power devices with similar mechanisms, and implemented in optimal design, control, and thermal-protection areas.

In the final dissertation you will find analyzed the two - mass electromechanical system, finite tightness shaft and non-linear mechanical link included. Explored system shaft has finite tightness, non-linear element - backlash between the parts of mechanical link. The researches of two - mass electromechanical system were made using Simulink program pack. In this paper I have made the structural system scheme, transmission functions and simulated process of two - mass dynamical system. Gained motor and outlet shaft angular rotation speed and motor's electromagnetic moment transitive process curves, by all tightness and backlash worth' s. Researched results give new information about the two - mass electromechanical system' s dynamical process.

Šiame baigiamajame darbe išnagrinėti tiesiaeigio asinchroninio variklio ypatumai ir naudojimo sritys, padaryta dažnio keitiklių ir juose naudojamų valdymo būdų apžvalga. Išanalizuoti impulsų pločio moduliacijos realizavimo principai, apžvelgti skaliarinio ir vektorinio valdymo metodai. Remiantis išanalizuota teorija sudarytas tiesiaeigio asinchroninio variklio matematinis ir kompiuterinis modelis α-β ir x-y koordinačių sistemoje, sudaryti TAV dažninių atviros ir uždaros sistemų matematiniai bei kompiuteriniai modeliai. Sudarius atviros ir uždaros sistemos modelius: gautos TAV antrinio elemento linijinio greičio, kelio ir jėgos pereinamųjų procesų charakteristikos ir palyginti rezultatai. / The properties of linear induction motor and areas of its application are analyzed; frequency converters and their control methods are discussed in this final work. Methods to realize a pulse width modulation are analyzed, scalar and vector control principles are discussed. The principle of operation of control systems applied in frequency converters is analyzed On the base of analysis mathematical and Simulink model of linear induction motor in α-β and x-y reference frame is developed, mathematical and Simulink models of frequency variable open and closed systems are carried out. Open and closed systems are investigated: transient characteristics of secondary element linear speed, developed force and way are analyzed and results of different characteristics are compared.

Ce travail de thèse porte sur l’étude et la réalisation de micro-capteurs dédiés à la mesure de vitesse angulaire par des principes basés sur des échanges thermiques. Deux types de gyromètres ont été développés dont la principale différence est liée au principe qui permet la mise en mouvement du gaz : convection forcée pour l’un et expansion thermique pour l’autre. Le principe est basé sur la modification par la force de Coriolis des échanges thermiques dans un fluide chauffé localement lorsque le dispositif est soumis à une vitesse de rotation. L’utilisation d’un fluide comme masse sismique est en rupture avec les concepts de gyromètres dits traditionnels. Cet avantage a pour conséquence la possibilité d’une utilisation dans des conditions environnementales sévères telles que de fortes accélérations (> 10 000 g) et de fortes vibrations. Les objectifs de ce travail consistent à étudier, à développer et à caractériser ces deux types de gyromètres. Pour cela, des études numériques ont été menées afin de mieux appréhender les phénomènes physiques et thermiques mis en jeu dans la cavité. On a pu aussi étudier l’effet des paramètres thermo-physiques du fluide, des différentes dimensions géométriques et de la vitesse d’écoulement du gaz sur la sensibilité et l’étendue de mesure. Par ailleurs, des prototypes des deux types de gyromètres ont été réalisés puis caractérisés. Les résultats sont très encourageants et les principes validés, mais leur confrontation avec ceux de la simulation montre que des améliorations sont à apporter sur le modèle numérique. / This PhD thesis deals with both study and fabrication of micro-sensors dedicated to the measurement of angular velocity, these devices are based on heat exchanges. Two types of gyroscopes have been developed, one using a jet of gas being deflected by the rotation, the other one using thermal expansion of a gas. Under rotation, heat transfers in a locally heated fluid is modified by the Coriolis force and induces a change in temperature distribution. Using a fluid as seismic mass enhances performances in terms shock (> 10 000g) and vibration resistances compared with standard mechanical gyroscopes.The aim of this work has been to study, develop and characterize these two gyroscopes. For this purpose, numerical studies have been carried out in order to improve our understanding of physical and thermal phenomena involved in the device. Effects of thermo-physical parameters, sensor size and gas flow velocity on both sensitivity and measuring range were analyzed.On the other hand, prototypes of both gyroscopes were manufactured and characterized. The proof of concept has been validated and encouraging results have been found. Comparison of measure and simulation have shown that improvements have to be made on the numerical model.

The electromechanical design and development of a sophisticated roller rig testing facility at the Railway Technologies Laboratory (RTL) of Virginia Polytechnic and State University (VT) is presented. The VT Roller Rig is intended for studying the complex dynamics and mechanics at the wheel-rail interface of railway vehicles in a controlled laboratory environment. Such measurements require excellent powering and driving architecture, high-performance motion control, accurate measurements, and relatively noise-free data acquisition systems. It is critical to accurately control the relative dynamics and positioning of rotating bodies to emulate field conditions. To measure the contact forces and moments, special care must be taken to ensure any noise, such as mechanical vibration, electrical crosstalk, and electromagnetic interference (EMI) are kept to a minimum. This document describes the steps towards design and development of all electromechanical subsystems of the VT Roller Rig, including the powertrain, power electronics, motion control systems, sensors, data acquisition units, safety and monitoring circuits, and general practices followed for satisfying the local and international codes of practice. The VT Roller Rig is comprised of a wheel and a roller in a vertical configuration that simulate the single-wheel/rail interaction in one-fourth scale. The roller is five times larger than the scaled wheel to keep the contact patch distortion that is inevitable with a roller rig to a minimum. This setup is driven by two independent AC servo motors that control the velocity of the wheel and roller using state-of-the-art motion control technologies. Six linear actuators allow for adjusting the simulated load, wheel angle of attack, rail cant, and lateral position of the wheel on the rail. All motion controls are performed using digital servo drives, manufactured by Kollmorgen, VA, USA. A number of sensors measure the contact patch parameters including force, torque, displacement, rotation, speed, acceleration, and contact patch geometry. A unified communication protocol between the actuators and sensors minimizes data conversion time, which allows for servo update rates of up to 48kHz. This provides an unmatched bandwidth for performing various dynamics, vibrations, and transient tests, as well as static steady-state conditions. The VT Roller Rig has been debugged and commissioned successfully. The hardware and software components are tested both individually and within the system. The VT Roller Rig can control the creepage within 0.3RPM of the commanded value, while actively controlling the relative position of the rotating bodies with an unprecedented level of accuracy, no more than 16nm of the target location. The contact force measurement dynamometers can dynamically capture the contact forces to within 13.6N accuracy, for up to 10kN. The instantaneous torque in each driveline can be measured with better than 6.1Nm resolution. The VT Roller Rig Motion Programming Interface (MPI) is highly flexible for both programmers and non-programmers. All common motion control algorithms in the servo motion industry have been successfully implemented on the Rig. The VT Roller Rig MPI accepts third party motion algorithms in C, C++, and any .Net language. It successfully communicates with other design and analytics software such as Matlab, Simulink, and LabVIEW for performing custom-designed routines. It also provides the infrastructure for linking the Rig's hardware with commercial multibody dynamics software such as Simpack, NUCARS, and Vampire, which is a milestone for hardware-in-the-loop testing of railroad systems. / Ph. D.

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 / This thesis focuses on new phenomena in the mechanical resonances of SiC nanowires (NWs) and carbon nanotubes (CNs) of interest for the emerging field of nano-electro-mechanical systems (NEMS). The clamped-free confiuration allowed the study of our nanowire and nanotube samples by field emission (FE), including measuring the Young's modulus and the quality factor (Q). Heating NW resonators significantly increased their Q factor (Qmax = 159 000). Self-oscillations were observed during FE where only a DC voltage was applied, thus allowing DC/AC conversion with a rate of up to » 50%. Using highly resistive NWs coupled with FE current was required to generate these spontaneous oscillations. Achieving a nanoradio under FE allowed the demodulation of AM or FM signals through the mechanical resonance of CNs. We describe a new method to excite vibrations of a NW from the electron beam of an electron microscope. The evolution of the charge at the end of NW is the main source of these self-oscillations. The clamped-clamped configuration consists of a transistor based on suspended CNs. The devices are characterized electrically and mechanically in a probe station under ultrahigh vacuum with mixing techniques. The resonance frequencies of these samples was around 100 MHz. The demodulation of an FM signal was achieved for the first time in this NEMS configuration. For all the phenomena discovered and treated in this manuscript, a model and derived simulations are described and discussed

Les matériaux piézoélectriques, comme le titanate-zirconate de plomb Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT), l’oxyde de zinc ZnO, ainsi que la solution solide de Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), sont actuellement l’objet d’études de plus en plus nombreuses à cause de leurs applications innovantes dans les systèmes micro-électromécaniques (MEMS). Afin de les intégrer sur substrat de silicium, certaines précautions doivent être prises en compte concernant par exemple des couches tampon, les électrodes inférieures. Dans cette thèse, des films piézoélectriques (PZT et PMN-PT) ont été épitaxiés avec succès sous forme de monocristaux sur silicium et SOI (silicon-on-insulator) par procédé sol-gel. En effet, des études récentes ont montré que les films piézoélectriques monocristallins semblent posséder des propriétés supérieures à celles des films polycristallins, permettant ainsi une augmentation de la performance des dispositifs MEMS. Le premier objectif de cette thèse était de réaliser l'épitaxie de film monocristallin de matériaux piézoélectriques sur silicium. L'utilisation d’une couche tampon d'oxyde de gadolinium (Gd2O3) ou de titanate de strontium (SrTiO3 ou STO) déposés par la technique d’épitaxie par jets moléculaires (EJM) a été explorée en détail pour favoriser l’épitaxie du PZT et PMN-PT sur silicium. Sur le système Gd2O3/Si(111), l’étude par diffraction des rayons X (XRD) de la croissance du film PZT montre que le film est polyphasé avec la présence de la phase parasite pyrochlore non ferroélectrique. Cependant, le film PZT déposé sur le système STO/Si(001) est parfaitement épitaxié sous forme d’un film monocristallin. Afin de mesurer ses propriétés électriques, une couche de ruthenate de strontium conducteur SrRuO3 (SRO) déposée par ablation laser pulsé (PLD) a été utilisée comme l'électrode inférieure à cause de son excellente conductibilité et de sa structure cristalline pérovskite similaire à celle du PZT. Les caractérisations électriques sur des condensateurs Ru/PZT/SRO démontrent de très bonnes propriétés ferroélectriques avec présence de cycles d'hystérésis. Par ailleurs, le matériau relaxeur PMN-PT a aussi été épitaxié sur STO/Si comme l’a confirmé la diffraction des rayons X ainsi que la microscopie électronique en transmission (TEM). Ce film monocristallin est de la phase de perovskite sans présence de pyrochlore. En outre, une étude en transmission du rayonnement infrarouge au synchrotron a prouvé une transition de phase diffuse sur une large gamme de température, comme attendue dans le cas d’un relaxeur. L'autre intérêt d'avoir des films PZT monocristallins déposés sur silicium et SOI est de pouvoir utiliser les méthodes de structuration du silicium bien standardisées maintenant pour fabriquer les dispositifs MEMS. La mise au point d’un procédé de micro-structuration en salle blanche a permis de réaliser des cantilevers et des membranes afin de caractériser mécaniquement les couches piézoélectriques. Des déplacements par l'application d'une tension électrique ont ainsi pu être détectés par interférométrie. Finalement, cette caractérisation par interférométrie a été combinée avec une modélisation basée sur la méthode des éléments finis. Dans le futur, il sera nécessaire d’optimiser le procédé de microfabrication du dispositif MEMS afin d’en améliorer les performances électromécaniques. Enfin, des caractérisations au niveau du dispositif MEMS lui-même devront être développées en vue de leur utilisation dans de futures applications. / Recently, piezoelectric materials, like lead titanate zirconate Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT), zinc oxide ZnO, and the solid solution Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT), increasingly receive intensive studies because of their innovative applications in the microelectromechanical systems (MEMS). In order to integrate them on silicon substrate, several preliminaries must be taken into considerations, e.g. buffer layer, bottom electrode. In this thesis, piezoelectric films (PZT and PMN-PT) have been successfully epitaxially grown on silicon and SOI (silicon-on-insulator) in the form of single crystal by sol-gel process. In fact, recent studies show that single crystalline films seem to possess the superior properties than that of polycrystalline films, leading to an increase of the performance of MEMS devices. The first objective of this thesis was to realize the epitaxial growth of single crystalline film of piezoelectric materials on silicon. The use of a buffer layer of gadolinium oxide(Gd2O3) or strontium titanate (SrTiO3 or STO) deposited by molecular beam epitaxy (MBE) has been studied in detail to integrate epitaxial PZT and PMN-PT films on silicon. For Gd2O3/Si(111) system, the study of X-ray diffraction (XRD) on the growth of PZT film shows that the film is polycrystalline with coexistence of the nonferroelectric parasite phase, i.e. pyrochlore phase. On the other hand, the PZT film deposited on STO/Si(001) substrate is successfully epitaxially grown in the form of single crystalline film. In order to measure the electrical properties, a layer of strontium ruthenate (SrRuO3 or SRO) deposited by pulsed laser deposition (PLD) has been employed for bottom electrode due to its excellent conductivity and perovskite crystalline structure similar to that of PZT. The electrical characterization on Ru/PZT/SRO capacitors demonstrates good ferroelectric properties with the presence of hysteresis loop. Besides, the relaxor ferroelectric PMN-PT has been also epitaxially grown on STO/Si and confirmed by XRD and transmission electrical microscopy (TEM). This single crystalline film has the perovskite phase without the appearance of pyrochlore. Moreover, the study of infrared transmission using synchrotron radiation has proven a diffused phase transition over a large range of temperature, indicating a typical relaxor ferroelectric material. The other interesting in the single crystalline PZT films deposited on silicon and SOI is to employ them in the application of MEMS devices, where the standard silicon techniques are used. The microfabrication process performed in the cleanroom has permitted to realize cantilevers and membranes in order to mechanically characterize the piezoelectric layers. Mechanical deflection under the application of an electric voltage could be detected by interferometry. Eventually, this characterization by interferometry has been studied using the modeling based on finite element method and analytic method. In the future, it will be necessary to optimize the microfabrication process of MEMS devices based on single crystalline piezoelectric films in order to ameliorate the electromechanical performance. Finally, the characterizations at MEMS device level must be developed for their utilization in the future applications.

Tato práce se zabývá vývojem nezávislého elektrického zdroje pro moderní nízkopříkonové elektrické aplikace. Protože tradiční řešení napájení drobných spotřebičů s využitím baterií či akumulátorů snižuje uživatelský komfort kvůli potřebě pravidelné údržby, navrhovaný zdroj využívá principu energy harvesting. Tento princip spočívá v získávání energie přímo z okolního prostředí napájené aplikace a její přeměně na energii elektrickou, která je dále využita pro na-pájení moderních MEMS (mikroelektromechanických) zařízení. Potenciální aplikací vyvíjeného zdroje je především moderní nositelná elektronika a biomedicínské senzory. Tato oblast využití ovšem klade zvýšené nároky na parametry generátoru, který musí zajistit dostatečný generovaný výkon z energie, dostupné v okolí lidského těla, a to při zachování prakticky využitelné velikosti a hmotnosti. Po stanovení předběžných požadavků a provedení analýz vhodnosti dostupných zdrojů energie ke konverzi byla k využití vybrána kinetická energie lidských aktivit. Byla provedena série měření zrychlení na lidském těle, především v místě předpokládaného umístění generátoru, aby bylo možno analyzovat a generalizovat hodnoty energie dostupné ke konverzi v daném umístění. V návaznosti na tato měření a analýzy byl vyvinut inovativní kinetický energy harvester, který byl následně vyroben jako funkční vzorek. Tento vzorek byl pak testován v reálných podmínkách pro verifikaci simulačního modelu a vyhodnocení reálné použitelnosti takového zařízení. Kromě samotného vývoje generátoru je v práci popsán i originální způsob zvýšení generovaného výkonu pro kinetické energy harvestery a jsou prezentována statistická data a modely pro predikci využitelnosti kinetických harvesterů pro získávání energie z lidské aktivity.

Tato diplomová práce je zaměřena na analýzu chování magnetopiezoelastického kmitajícího nosníku. V teoretické části jsou odvozeny diskretizované parametry, které popisují reálnou soustavu jako model s jedním stupněm volnosti. Tento model je následně použit pro kvalitativní i kvantitativní analýzu chování tohoto harvesteru. Frekvenční odezva harmonicky buzeného systému je zkoumána v dvouparametrické nebo tříparametrické analýze v závislosti na amplitudě buzení, elektrické zátěži a vzdálenosti mezi magnety. Posledně zmíněný parametr je v práci tím hlavním, proto je vliv vzdálenosti magnetů zkoumán také s pomocí bifurkačních diagramů. Tyto diagramy byly navíc použity k vytvoření oscilační "mapy", která pro každé zatěžovací podmínky ukazuje, jakou vzdálenost magnetů je třeba nastavit, aby bylo generováno nejvíce energie. Práce je doplněna o ukázky několika jevů, které mohou značně ovlivnit chování systému, pokud se nejdená o čistě harmonické buzení.

Cette thèse est consacrée à l’étude théorique et numérique de plusieurs équations aux dérivées partielles non linéaires qui apparaissent dans la modélisation de la séparation de phase et des micro-systèmes électro-mécaniques (MSEM). Dans la première partie, nous étudions des modèles d’ordre élevé en séparation de phase pour lesquels nous obtenons le caractère bien posé et la dissipativité, ainsi que l’existence de l’attracteur global et, dans certains cas, des simulations numériques. De manière plus précise, nous considérons dans cette première partie des modèles de type Allen-Cahn et Cahn-Hilliard d’ordre élevé avec un potentiel régulier et des modèles de type Allen-Cahn d’ordre élevé avec un potentiel logarithmique. En outre, nous étudions des modèles anisotropes d’ordre élevé et des généralisations d’ordre élevé de l’équation de Cahn-Hilliard avec des applications en biologie, traitement d’images, etc. Nous étudions également la relaxation hyperbolique d’équations de Cahn-Hilliard anisotropes d’ordre élevé. Dans la seconde partie, nous proposons des schémas semi-discrets semi-implicites et implicites et totalement discrétisés afin de résoudre l’équation aux dérivées partielles non linéaire décrivant à la fois les effets élastiques et électrostatiques de condensateurs MSEM. Nous faisons une analyse théorique de ces schémas et de la convergence sous certaines conditions. De plus, plusieurs simulations numériques illustrent et appuient les résultats théoriques. / This thesis is devoted to the theoretical and numerical study of several nonlinear partial differential equations, which occur in the mathematical modeling of phase separation and micro-electromechanical system (MEMS). In the first part, we study higher-order phase separation models for which we obtain well-posedness and dissipativity results, together with the existence of global attractors and, in certain cases, numerical simulations. More precisely, we consider in this first part higher-order Allen-Cahn and Cahn-Hilliard equations with a regular potential and higher-order Allen-Cahn equation with a logarithmic potential. Moreover, we study higher-order anisotropic models and higher-order generalized Cahn-Hilliard equations, which have applications in biology, image processing, etc. We also consider the hyperbolic relaxation of higher-order anisotropic Cahn-Hilliard equations. In the second part, we develop semi-implicit and implicit semi-discrete, as well as fully discrete, schemes for solving the nonlinear partial differential equation, which describes both the elastic and electrostatic effects in an idealized MEMS capacitor. We analyze theoretically the stability of these schemes and the convergence under certain assumptions. Furthermore, several numerical simulations illustrate and support the theoretical results.