Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, που εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Πανεπιστημίου Πατρών, είναι η μελέτη και κατασκευή ενός διπλοσυντονιζόμενου μετατροπέα για την οδήγηση πιεζοηλεκτρικού κινητήρα οδεύοντος κύματος τύπου ultrasonic. Αρχικά, γίνεται παρουσίαση των πιεζοηλεκτρικών κινητήρων, δηλαδή η αρχή λειτουργίας τους, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους καθώς και οι διαφορές τους σε σχέση με τους συμβατικούς ηλεκτροκινητήρες. Επίσης, γίνεται παρουσίαση των μετατροπέων συντονισμού που χρησιμοποιούνται σήμερα για την οδήγηση κινητήρων και τέλος προσομοιώνεται ο διπλοσυντονιζόμενος μετατροπέας με σκοπό να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα για τη συμπεριφορά του. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η μελέτη για την κατασκευή του διπλοσυντονιζόμενου μετατροπέα με τα χαρακτηριστικά που επιλέξαμε, καθώς επίσης και το κύκλωμα παλμοδότησης που χρησιμοποιήθηκε. Ο μετατροπέας αποτελείται από δύο ημιγέφυρες, οι οποίες οδηγούνται από ειδικό για το σκοπό αυτό ολοκληρωμένο. Στην έξοδο των δύο ημιγεφυρών έχουν τοποθετηθεί πυκνωτές και πηνία για τη δημιουργία του κυκλώματος συντονισμού. Ο μετατροπέας που κατασκευάστηκε προσφέρει μεγάλο εύρος ρύθμισης των στροφών του πιεζοηλεκτρικού κινητήρα, μεγάλη περιοχή ελέγχου ως προς τη συχνότητα λειτουργίας του κινητήρα λόγω της μεγάλης γραμμικής περιοχής ανάμεσα στις συχνότητες συντονισμού, καθώς και τη δυνατότητα δεξιόστροφης αλλά και αριστερόστροφης κίνησης. / The object of the present diploma study, which was elaborated in the Laboratory of Electromechanical Energy Transformation in University of Patras, was the design and construction of a LLCC resonant inverter for a Travelling Wave Ultrasonic Motor (TWUM) drive. Initially, there is a presentation of the piezoelectric motors, their advantages and disadvantages and their differences in comparison with the conventional electric motors. Also, a presentation of the resonant inverters used for driving ultrasonic motors and finally, the LLCC resonant inverter is simulated so as to extract useful conclusions about its behavior. Furthermore the development and construction process of an experimental LLCC resonant inverter is described. Special care has been taken in the dimentioning of the resonant capacitors and inductions. The final circuit consists of two half – bridges, which are driven by a FPGA. The constructed inverter provides a wide driving range of the piezoelectric motor, a large control area according to the functional frequency of the motor, due to the large linear area between the two resonant frequencies, as well as the ability of both right and left rotation.

Surfaces exposed to wear always transform and typically a layer of new structure and composition is formed. This layer, often called tribofilm, changes the friction and wear properties. Tribofilms formed on ceramic surfaces may consist of products from chemical reactions between the materials in contact and the environment or consist of compacted wear debris. In this thesis, focus has been to understand the friction and wear mechanisms of ceramic surfaces, as well as acquiring knowledge about the properties of the new surfaces created during wear. Ultimately, this understanding can be used to develop ceramic systems offering high or low friction, while the material loss in both cases should be minimised. Such ceramics could improve numerous tribological systems and applications, out of which ultrasonic motors, low-friction ceramic coatings and hip joint replacements have been treated in this thesis. Friction and wear tests, and subsequently various surface analyses have been essential for the knowledge about the friction, wear and tribofilm formation.  For ultrasonic motors of the studied type, the highest driving force is achieved when the friction is high between the alumina components in the friction drive system. The highest friction was here accomplished with a thick tribofilm on the surfaces. The formation of such tribofilms was favoured by dry conditions, and using an initially rough surface, which increased the initial generation of wear debris. In a detailed investigation of the importance of microtopography on tribofilm formation and friction behaviour, a low-friction, PVD coating of TaC/a-C was studied. This coating showed a very low, stable friction. High sensitivity to the microtopography was demonstrated, smooth coating exhibited a faster build-up of a dense tribofilm of fine ground material on the counter steel surface and subsequently a faster running in and friction decrease.  The life span for total hip joint replacements can be prolonged by minimising the wear particles that cause inflammation and subsequent implant loosening. In this work coatings of amorphous/nanocrystalline silicon nitride have shown low wear rate, and hence produce a minimum of wear particles. Furthermore, these particles that are expected to resorb in vivo. This system therefore has potential to reduce problems with inflammation and osteolysis connected to wear particles.

L’objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser un mobile piézoélectrique pour utilisation coopérative. Le terme mobile piézoélectrique est utilisé dans cette thèse pour décrire un robot piézoélectrique miniature. Ce robot miniature mobile est actionné par des matériaux piézoélectriques. L’objectif de la thèse est donc la conception et la réalisation d’un robot pouvant être miniaturisé et qui pourrait donc être utilisé dans le cadre du mimétisme des essaims biologiques (fourmis, abeilles…) pour un fonctionnement coopératif.Le robot réalisé est constitué d'un support mince et de patchs piézoélectriques. Les patchs piézoélectriques sont collés sur le support de façon intelligente afin de déplacer le support en milieu terrestre. Dans ce contexte, la thèse est divisée en trois parties.La première partie est consacrée à la modélisation d’un tel système (support mince avec des patches piézoélectriques sur une seule de ses faces). Une modélisation par la méthode des éléments finis est développée pour ce système en se basant sur le principe variationnel d’Hamilton et en considérant l'hypothèse de Love-Kirchhoff. L’originalité de cette modélisation réside dans l’utilisation de la notion du plan neutre pour modéliser ce système asymétrique. Cela permet de ne modéliser le système étudié que par un modèle éléments finis à deux dimensions (2D) tout en tenant compte de la troisième dimension dans le calcul. La deuxième partie présente le principe de fonctionnement du robot qui est inspiré des moteurs linéaire ultrasoniques à ondes progressive. Cette partie présente toutes les étapes de la conception optimale afin de créer les mouvements nécessaires. La conception optimale est étudiée en utilisant la modélisation par éléments finis obtenue dans la première partie. La troisième partie de cette thèse est dédiée à la réalisation d’un prototype expérimental. Le processus de fabrication ainsi que l’électronique associée au robot sont présentés dans cette partie. Le robot est caractérisé expérimentalement en mesurant la vitesse en fonction de la tension appliquée, la vitesse en fonction de masses embarquées par le robot et la vitesse en fonction de la force fournie par le robot. Ce robot est, par ailleurs, comparé avec d’autres systèmes de même nature. / The objective of this thesis is to design and realize a piezoelectric mobile for cooperative use. The term piezoelectric mobile is used in this thesis to describe a piezoelectric miniature robot. This mobile miniature robot is actuated by piezoelectric materials. The aim of the thesis is the design and the realization of a robot that can be miniaturized and could therefore be used in the context of biological mimicry swarms (ants, bees ...) for a cooperative operation.The realized robot consists of a thin support and piezoelectric patches. Piezoelectric patches are bonded on the support on an intelligent manner in order to move the support on land. In this context, the thesis is divided into three parts.The first part is devoted to the modeling of such a system (thin support with piezoelectric patches on one of its faces). Modeling by the finite element method is developed for this system based on the variational principle of Hamilton and considering the Love-Kirchhoff hypothesis. The originality of this model lies in the use of the concept of the neutral plane to model this asymmetric system. This allows modeling the system studied by a finite element model in two dimensions (2D), taking into account the third dimension in the calculation.The second part presents the operating principle of the robot which is inspired by the linear traveling wave ultrasonic motors. This section presents all the stages of the optimal design to create the necessary movements. The optimal design is investigated using finite element modeling obtained in the first part.The third part of this thesis is devoted to the realization of an experimental prototype. The manufacturing process and the associated electronics for the robot are presented in this section. The robot is characterized experimentally by measuring the speed according to the applied voltage, the speed versus mass loaded by the robot and the speed according to the force provided by the robot. This robot is also compared with other similar systems.