Les moteurs piézoélectriques inertiels sont classiquement considéréscomme des moteurs d'une grande simplicité, mais offrant des forces et desvitesses inférieures aux autres technologies de moteurs piézoélectriques. L'étudeprésentée porte sur l'introduction d'un actionneur piézoélectrique amplifiécomme composant actif du moteur inertiel. L'objectif des travaux est decomprendre et valider, théoriquement et expérimentalement, l'intérêt del'innovation sur la vitesse maximale du moteur ainsi sur l'appel de courantnécessaire à son fonctionnement. La modélisation, analytique puis numérique,permet d'argumenter sur le réel intérêt et les limites de l'amplification dans lesmoteurs piézoélectriques inertiels. En complément, les conceptions, réalisationset tests de trois échelles de moteurs sont effectués, pour divers environnements.Les contraintes vont de la compatibilité à un fort champ magnétique (typeImagerie médicale par Résonnance Magnétique) jusqu'aux contraintes dudomaine spatial (vide, sollicitations mécaniques), en passant par laminiaturisation, la maximisation des efforts, ainsi que le fonctionnement à desbasses températures (jusqu'à -180°C). L'utilisation de paramètres " ajustables "des moteurs inertiels, tels que le signal de commande par exemple, permet des'assurer de la possible répétabilité des moteurs mais aussi d'étendre lespossibilités d'application. Finalement, la démarche de conception à l'aide deparamètres " arrêtés " complétés par des paramètres " ajustables " semblantoffrir de bonnes perspectives d'application au domaine mécatronique, elle estsynthétisée et globalisée afin de permettre aux concepteurs de la mettre enoeuvre.

L’étude présentée est le fruit d’une collaboration entre le groupe de recherche de l'Electrodynamique du INP-ENSEEIHT (Toulouse), LAPLACE Laboratoire de Recherche et l'École Polytechnique de Gdańsk, le Département Génie Electrique et Automatique. L’objectif de cet projet est la conception d’un moteur piézoélectrique multicellulaire composé de plusieurs stators de moteurs à rotation de mode (3 au minimum) permettant de garantir des fréquences de résonance élevées ainsi qu’une répartition des efforts de frottement plus favorables. Le dimensionnement du moteur s’appuiera sur un cahier des charges du domaine de l’automobile, en visant une structure la plus simple possible à mettre en oeuvre. Outre un travail important concernant la conception, il faudra procéder à sa caractérisation après la réalisation du prototype. La dernière étape concernera la définition des stratégies d’alimentation et de commande d’une telle structure qui posera inévitablement le problème de l’autoadaptativité des cellules résonantes à une même fréquence de résonance. Le moteur multicellular (MPM) proposé sera une combinaison du moteur à onde progressive annulaire (Shinsei) et moteur à rotation de mode. Il combine les avantages des deux moteurs par une combinaison de trois cellules élémentaires de moteurs à rotation de mode. La combinaison de ces deux concepts, accroît le nombre de surface de contact. Les dimensions préliminaires et les paramètres de la MPM prototype ont été vérifiés en utilisant son modèle développé analytique (géométrique) et méthodes numériques (MÉF). Le modèle analytique de la MPM a été développé sur la base de circuit équivalent de la Langevin actuateur. La model analytique a été fait dans Matlab. Les principaux paramètres calculés sont: fréquence de résonance 26.2 kHz, couple bloque 0.4 Nm et la vitesse 40 tr/mn. En utilisant le modèle MÉF les fréquences de résonance et les valeurs du stress de la MPM prototype ont été déterminés. . Des simulations ont été effectuées pour sélectionner la fréquence de résonance et la forme pour concevoir le contre mass. Les fréquences de résonances résultantes sont 25.6 kHz et simulations du stress moins de 9 N/mm2. Comparaison des résultats fréquence de résonance calcule à modèle analytique (26.2 kHz) et le modèle FEM (25.6 kHz) du une prototype MPM, il convient de noter, que de modèle analytique est fortement modèle précis. Enfin, la réalisation des pièces par imprimante 3D a été décidée (contre-mass et carter) et les matériaux: aluminium et nylatron. Les autres parties ont été réalisés sur une machine à commande numérique à l'aide de l'acier. Les mesures de la MPM prototype ont été effectuées. L'étape suivante a consisté à tester le moteur et vérifier la fréquence de résonance, et la mesure de déplacement, résonances fréquences résultantes sont 22 kHz et déplacement 1.1 μm sur rotor/stator point du contact. Finalement, les paramètres mécaniques ont été mesurés. Les meilleurs paramètres mécaniques ont été obtenus sur dSpace support de laboratoire: vitesse - 46-48 tr/mn, et le couple bloqué – 0.4 Nm. Les résultats sont satisfaisants et donnent un bon point de départ pour les futurs travaux. / The research works in the frame of the dissertation have been carried out with the cooperation between the University INP - ENSEEIHT - LAPLACE (Laboratory on Plasma and Conversion of Energy), Toulouse, France, and the Gdańsk University of Technology, Faculty of Electrical and Control Engineering, Research Unit Power Electronics and Electrical Machines, Gdańsk, Poland. The main scope of the dissertation was following: development a novel concept, implementation and analysis of the multicell piezoelectric motor (MPM) for the control of the car seat position. The new concept of the MPM is based on a combined topology using the working principles of the traveling wave motor/actuator (known as the Shinsei motor), and the electromechanical structure of the rotating-mode motor/actuator. The electromechanical structure of each rotating-mode motor has been considered as an independent one – referred to as a "single cell". The application of the novel MPM for the control of the car seat position will reduce the number of gears due to its direct coupling with the driving/movement shaft of the seat positioning system. The achieved effects of a such integrated structure will be following: a higher efficiency, a lower noise of performance, a low cost of manufacturing, and in general a lower pollution of the environment. The preliminary dimensions and parameters of the prototype MPM have been verified using its developed analytical (geometrical) model and numerical methods (FEM). The prototype MPM has been manufactured. Finally, the laboratory measurements of the MPM prototype has been carried out.

Les moteurs piézoélectriques inertiels sont classiquement considéréscomme des moteurs d’une grande simplicité, mais offrant des forces et desvitesses inférieures aux autres technologies de moteurs piézoélectriques. L’étudeprésentée porte sur l’introduction d’un actionneur piézoélectrique amplifiécomme composant actif du moteur inertiel. L’objectif des travaux est decomprendre et valider, théoriquement et expérimentalement, l’intérêt del’innovation sur la vitesse maximale du moteur ainsi sur l’appel de courantnécessaire à son fonctionnement. La modélisation, analytique puis numérique,permet d’argumenter sur le réel intérêt et les limites de l’amplification dans lesmoteurs piézoélectriques inertiels. En complément, les conceptions, réalisationset tests de trois échelles de moteurs sont effectués, pour divers environnements.Les contraintes vont de la compatibilité à un fort champ magnétique (typeImagerie médicale par Résonnance Magnétique) jusqu’aux contraintes dudomaine spatial (vide, sollicitations mécaniques), en passant par laminiaturisation, la maximisation des efforts, ainsi que le fonctionnement à desbasses températures (jusqu’à -180°C). L’utilisation de paramètres « ajustables »des moteurs inertiels, tels que le signal de commande par exemple, permet des’assurer de la possible répétabilité des moteurs mais aussi d’étendre lespossibilités d’application. Finalement, la démarche de conception à l’aide deparamètres « arrêtés » complétés par des paramètres « ajustables » semblantoffrir de bonnes perspectives d’application au domaine mécatronique, elle estsynthétisée et globalisée afin de permettre aux concepteurs de la mettre enoeuvre. / Inertial Piezoelectric Motors are basically considered as extremely simplemotors, but weak and slow compared to other piezoelectric motor technologies.The present study is about introduction of amplified piezoelectric actuator asactive component of an inertial motor. The aim of this work is to understand andvalidate the benefits from amplification in terms of motor maximal speed as wellas motor input current, with theory and experimentations. Building of models,analytical and numerical, allows arguing on real interests and limitations of theproposed innovation. As a complement, designs, realisations and tests are madeon three different scales of motors, in order to fit various environmentsconstrains. These constrains go from strong magnetic fields compatibility (suchas Magnetic Resonant Medical Imaging) to space application field (vacuum,vibrations…), passing by miniaturisation, force maximisation, as well as lowtemperature operation (down to -180°C). In addition to design, use of“adjustable” parameters of inertial motors, input signal as an example, giveslarger application opportunities, by increasing force range, etc. Finally, becausedesign process using “stopped” and “adjustable” parameters seems to offergood application perspectives to mechatronics field, this process is summarisedand generalised in order to be implemented by designers.