Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 31 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 114 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Lyon 1 : 2005. / Titre provenant de l'écran titre. 58 Réf. bibliographiques.

Le Poly(vinylidene-fluoride) (PVDF) est un polymère piézoelectrique pouvant être utilisé comme capteur, actuateur ou pour de la récupération d'énergie. Son copolymère dérivé le poly(vinylidene-fluoride–trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) possède des propriétés similaires tout en étant plus simple à préparer que le PVDF. Il est compatible avec une technologie tout imprimée pour fabriquer des dispositifs transparents sur des substrats flexibles. Le premier objectif de cette thèse est d'analyser l’intérêt des couches minces de P(VDF-TrFE) imprimées pour l'actuation et de comparer avec la dernière génération de polymères dérivés: le Poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene) (P(VDF-TrFE-CTFE)). Après une étude des différentes compositions l'objectif est d'améliorer la compréhension des mécanismes de déformations pour ouvrir la voie à de nouvelles améliorations. Les travaux menés sont présentés ici en trois parties distinctes. La première est consacrée à l’étude des propriétés mécaniques et électriques des polymères. L'influence du taux de CTFE est analysée et les polymères séparés en 3 catégories distinctes en fonction de leur nature ferroélectrique. Les performances pour l'actuation de chacune de ces catégories sont étudiées. Deux figures de merites sont retenues : le déplacement (et la force) que peuvent générer l'actuateur et le coefficient de couplage pour comparer le coût en énergie du dispositif. Le choix d'un terpolymère adapté dépend de l'application envisagée et peut permettre une augmentation significative de la réponse mécanique comparé à un copolymère. En revanche le coût énergétique est toujours beaucoup plus important, au minimum le double, quelle que soit l'application .Cette première étude a aussi mis en évidence l'hystérésis et les non-linéarités dans la relation champ électrique-déformation des polymères. La deuxième partie reprend les relations constitutives de la piézoélectricité pour analyser plus avant les divergences entre la théorie et l'expérience. Ces divergences servent de points de départ à des hypothèses et modèles de déformation dans le copolymères et dans les terpolymères. De nombreuses observations indirectes montrent l'existence d'une transition de phase sous l'effet du champ électrique; en se basant sur les données de déformation et de polarisation, l'analyse présentée ici identifie une plage limitée de champ pour cette transition et quantifie son poids dans la déformation totale du matériau.La troisème partie est consacrée à la mise en évidence expérimentale des hypothèses de la partie précédente. La principale étude est l'observation in-situ de la transition de phase sous l'effet du champ par diffraction aux rayons X. Cette mise en évidence expérimentale confirme une partie des explications avancées et une étude en température permet d'aller plus loin en jouant sur la dépendance des phases à la température.Ces travaux apportent une analyse de la viabilité des différents polymères pour l'actuation. L'étude de la relation champ électrique-déformation apporte des outils pour la modélisation et une meilleure compréhension des mécanismes à l’œuvre dans ces matériaux. Les observations in-situ de la microstructure permettent de valider physiquement les modèles présentés. Ils apportent une meilleure compréhension de la physique même si de nombreuses zones d'ombre subsistent, notamment au niveau de la phase amorphe. / Poly (vinylidene-fluoride) (PVDF) is a piezoelectric polymer that can be used as a sensor, actuator or for energy harvesting. Its copolymer derivative poly (vinylidene-fluoride-trifluoroethylene) (P (VDF-TrFE)) has similar properties whilst being easier to process than PVDF. It is compatible with fully printed technologies to make transparent devices on flexible substrates. The first objective of this thesis is to analyze the interest of print thin films of P (VDF-TrFE) for the actuation and to compare with the last generation of derived polymers: Poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene) ( P (VDF-TrFE-CTFE)) terpolymers. After a study on the different compositions the objective is to improve the understanding of the deformation mechanisms to pave the way for new improvements. The work is presented here in three separate parts. The first is devoted to the study of the mechanical and electrical properties of polymers. The influence of the CTFE content is analyzed and the polymers separated into 3 distinct categories based on their ferroelectric nature. The performances for the actuation of each of these categories are studied. Two figures of merits are retained: the displacement (and the force) that can be generated by the actuator and the coupling coefficient to compare the energy cost of the device. The choice of a suitable terpolymer depends on the intended application and may allow a significant increase in the mechanical response compared to a copolymer. On the other hand the energy cost with a terpolymer is always much more important, at least twice that of a copolymer.This first study revealed hysteresis and nonlinearities in the electric field-strain relationship of polymers. The second part takes up the constituent relations of piezoelectricity to analyze further the divergences between the theory and the experiment. These divergences serve as starting points to understand and model the deformation in co- and ter-polymers. Many indirect observations show the existence of a phase transition under the effect of the electric field; based on deformation and polarization data, the analysis presented here identifies a limited field range for this transition and quantifies its weight in the total deformation of the material.The third part is devoted to the experimental demonstration of the hypotheses made in the modelling section. The main study is the XRD in-situ observation of the phase transition under the effect of an electrical field. This experimental evidence confirms some of the proposed explanation and a temperature study allows us to go further, making use of the dependence of phases stability to the temperature.This work provides an analysis of the viability of the various polymers for the actuation. The study of the electric field-strain relationship provides tools for modeling and a better understanding of the mechanisms at work in these materials. In-situ observations of the microstructure make it possible to physically validate the models presented. They bring a better understanding of physics even if many uncertainties remain, especially in the amorphous phase.

Le point faible des machines électriques est le Système d’isolation Electrique (SIE) de leurs bobinages. Les meilleures solutions actuelles sont basées sur des polymères, elles assurent des durées de vie supérieures à 20000h lorsque la température au point le plus chaud du bobinage ne dépasse pas 240°C. Par conséquent, la nature organique du SIE des machines électriques constitue un verrou technologique pour accéder aux températures plus élevées très demandées dans l’aéronautique, pour fabriquer les générateurs électriques plus puissants proches réacteurs des avions par exemple. Les travaux de recherche présentés ont pour but d'étudier le possibilité de construire les bobinages des machines électriques hautes température (HT°) avec des isolants inorganiques qui permettent de travailler durablement à 500°C. Les conséquences du saut technologique important vers les températures élevé sont analysées en détail notamment sur les aspects magnétiques provoqués par la présence d'une barrière de diffusion en Nickel ajoutée au fil de cuivre pour éviter son oxydation aux températures élevées. La première partie de la thèse est consacrée à la mise au point d'un système d'isolation électrique totalement inorganique qui permet de lever le verrou technologique lié à la présence de polymères dans les SIE classiques. La seconde partie est consacrée à l'étude des distributions de la tension entre les spires du bobinage HT° lors que la machine est alimentée par un convertisseur électronique moderne de l'aéronautique qui impose des fronts de tension très raides. / The weak point of electrical machines is the Electrical Insulation System (EIS) of their windings. The best current solutions are based on polymers, they provide lifetimes over 20000h when the temperature at the hottest point of the windings does not exceed 240° C. Consequently, the organic nature of the electric machines EIS represents a technological lock for operating at higher temperatures that have many applications in aeronautics, for designing larger electric generators located near the propulsion turbines of airplanes for instance. The main goal of the research works presented consist in studying the possibility of building the windings of high-temperature electrical machines (HT°) with inorganic EIS which make it possible to work durably at 500°C. The consequences of this technological leap towards high temperatures are analyzed in detail. A large part is devoted to magnetic aspects caused by the presence of a diffusion barrier made of nickel added to the copper wire to avoid oxidation at high temperatures.The first part of the thesis is devoted to the development of a fully inorganic electrical isolation system, which allows to overcome the technological lock due to the presence of polymers in conventional solutions. The second part is devoted to the study of the voltage distribution between the turns of the HT° coil when the machine is powered by a modern electronic converter od aeronautics that imposes very steep voltage fronts.

Ce mémoire présente une synthèse des travaux de recherche conduit par l'auteur depuis la fin de sa thèse de doctorat en 2000. Ces travaux se situent dans le cadre des sciences de l'ingénieur et s'intéressent plus particulièrement à la modélisation et à la commande des systèmes mécatroniques. En effet, les dispositifs techniques construits par l'homme étant de plus en plus complexes, leur conception requière de plus en plus de compétences et de connaissances pluridisciplinaires. De plus, le processus de conception de ces dispositifs nécessitent désormais d'importantes phases préliminaires de modélisation. Celles-ci permettent de prédire le comportement du système conçu et ainsi d'aider à sa conception, non seulement au niveau du dispositif lui même (partie matérielle) mais également au niveau de la commande qui permettra d'atteindre les performances désirées (partie logicielle). Les travaux abordés portent plus spécifiquement sur les dispositifs micro-mécatroniques, c'est-à-dire sur les systèmes de très petite taille ou de grande précision mettant en oeuvre simultanément des parties électriques, mécaniques, thermodynamiques et informatiques dans lesquelles les phénomènes de couplages multiphysiques sont prépondérants. La réduction d'échelle influe fortement sur la conception, la réalisation et le fonctionnement de ces dispositifs, c'est pourquoi elle doit être prise en compte comme une contrainte de conception à part entière. Le manuscrit s'organise autour de trois grandes problématiques scientifiques qui sont abordés successivement dans trois chapitres. Après avoir présenté quelques règles et contraintes de conception associées aux micro-systèmes, le premier chapitre présente les outils de modélisation développés pour la conception et la simulation de micro-systèmes robotiques réalisés en technologie « salle blanche ». Le deuxième chapitre s'intéresse à la modélisation et à la conception de dispositifs micro-robotiques pour des applications de micro-manipulation (fonctions de préhension, de perception et de positionnement). Enfin le troisième chapitre aborde la problématique de la miniaturisation des systèmes de positionnement à haute résolution et le remplacement des systèmes classiques par des actionneurs utilisant des matériaux actifs. Ces travaux abordent principalement les matériaux piézoélectriques et les alliages à mémoire de forme magnétique. Les différents travaux de modélisation présentés dans cette HDR ont permis de concevoir un certain nombre de dispositifs réels sur lesquels ont pu être expérimentées les stratégies de commande développées au cours de ces années de recherche. Les performances de ces dispositifs ont été évaluées et confrontées aux résultats théoriques issus de simulations sur les modèles développés et présentés dans le document.

Les systèmes d’actionnement couramment utilisés sur les systèmes de robotiques mobiles tels que les exosquelettes ou les robots marcheurs sont majoritairement électriques. Les batteries couplées à des moteurs électriques souffrent toutefois d’une faible densité de stockage énergétique et une faible densité de puissance, ce qui limite l’autonomie de ces dispositifs pour une masse de système donnée. Une étude comparative des systèmes d’actionnement potentiels a permis de déterminer que l’utilisation d’une source d’énergie chimique permettait d’obtenir une densité de stockage énergétique supérieure aux batteries. De plus, il a été déterminé que l’utilisation de la combustion directement dans un actionneur pneumatique souple permettrait d’obtenir une densité de puissance beaucoup plus élevée que celle des moteurs électriques. La conception, la fabrication et la caractérisation de plusieurs types d’actionneurs pneumatiques pressurisés directement par la combustion d’une source d’énergie chimique ont permis d’évaluer la faisabilité de l’approche, dans un contexte de robotique mobile, plus précisément pour des tâches de locomotion. Les paramètres permettant d’obtenir une efficacité énergétique élevée ont été étudiés. Il a été démontré que le ratio de compression et le ratio d’expansion doivent être optimisés. De plus, comme les pertes thermiques sont le mécanisme de perte dominant, le ratio d’équivalence devrait être réduit au minimum. Parmi les carburants usuels, l’hydrogène permet d’atteindre les valeurs de ratio d’équivalence les plus faibles, ce qui en fait un choix de carburant idéal. Les résultats expérimentaux ont été utilisés pour corréler un modèle analytique d’un actionneur pneumatique à combustion. Ce modèle analytique est par la suite utilisé pour vérifier la faisabilité théorique de l’utilisation de l’approche d’actionnement pour fournir la puissance à un dispositif d’assistance à la locomotion.

Les travaux consignés dans ce mémoire ont été ou sont réalisés au sein du pôle de compétences " Actionneurs-Transport-Energie " de SATIE (ex. LESIR) de L'ENS de Cachan sur les deux sites cachanais et breton. Ce mémoire est organisé en 3 parties. La première partie est consacrée au résumé des travaux d'enseignement et de recherche. Les co-encadrements ainsi que les différentes publications scientifiques y sont également mentionnés. Chaque publication est référencée selon une nomenclature précisée dans cette première partie. Dans tout le mémoire, ces références sont indiquées en caractère gras. Le fil rouge des travaux présentés est l'étude de divers procédés de conversion et la modélisation de convertisseurs non-conventionnels. L'activité de conception est un domaine passionnant pour lequel je n'ai pu m'empêcher d'écrire quelques mots à travers un préambule intitulé " La conception : un art, une technique ou une science ? " (deuxième partie). Globalement cette partie traite des aspects philosophiques et épistémologiques de l'activité de conception et ses facettes subjectives et irrationnelles, autrement dit artistiques. Cependant, dans le dernier paragraphe intitulé " l'art au service de la science ", sont décrits les travaux concernant l'élaboration d'une méthodologie générique d'aide à la conception que représente la " Conception par Optimisation de Distribution " et les premiers résultats que nous avons obtenus (thème D). Dans la troisième partie est proposée une synthèse des travaux de recherche aux quels j'ai contribués. L'originalité des travaux menés réside à la fois dans les configurations électromagnétiques innovantes étudiées et dans les méthodologies de dimensionnement et d'analyse élaborées utilisant des approches combinées numériques et analytiques. En outre, ces travaux sont guidés par une volonté de développer une approche relativement synthétique de la conversion électro-magnéto-mécanique et d'établir des règles " générales " de conception et de modélisation. Cette synthèse débute avec un premier chapitre " Nomenclature et spécificité du couplage fractionné " qui permet de situer sur le plan structurel les travaux réalisés. Des critères de classification des actionneurs essentiellement électromagnétiques y sont proposés notamment le critère de couplage électromagnétique. Ce dernier permet de définir deux principales classes de machines : celles à couplage fractionné et celles à couplage polaire. Les spécificités de ces couplages sont ensuite examinées au travers d'une approche analytique tendancielle utilisant les lois de similitude. Ensuite, trois thèmes sont développés, chacun organisé en trois chapitres. Le premier thème concerne les configurations à couplage fractionné à bobinage global. Tout d'abord les performances intrinsèques de différentes dispositions dites " fondamentales " à aimants et/ou à réluctance sont examinées au travers de l'étude par motifs élémentaires (chapitre A.I). Ensuite, la répartition 3D de ces motifs, donnant lieu au concept polyentrefer, est analysée au chapitre A.II. L'intérêt, la faisabilité et les limitations de ce concept sont étudiés à partir d'approches théoriques mais également pratiques sur la base de plusieurs réalisations aussi bien tournantes que linéaires. Enfin, la répartition 2D des motifs élémentaires précédemment mentionnés, permet d'analyser les possibilités de ce type de couplage à la conception de structures monoentrefers (chapitre A.III) présentant des fonctionnalités spécifiques telles qu'un fort taux d'intégration aux contraintes d'application ou encore la simplicité d'alimentation électronique (structures monophasées). Le deuxième thème concerne les configurations à couplage polaire et à excitation homopolaire. De complexité structurelle croissante, trois configurations sont étudiées. La première (chapitre B.I), adaptée aux hautes vitesses de rotation à très forte puissance, concerne le freinage par courants induits où des modèles de dimensionnement combinés éléments finis-analytiques-circuits réluctants originaux ont été développés. La deuxième configuration (chapitre B.II) est de type " tout fer tournant " étudiée dans le cadre du stockage électromécanique. Enfin, la troisième configuration (chapitre B.III) est à double excitation : par aimants et par bobine permettant une meilleure optimisation du fonctionnement sur cycle notamment dans le cadre de la traction électrique ou hybride. Le dernier thème intitulé " composants mécatroniques pour l'Intelligence énergétique " concerne l'étude de systèmes présentant un couplage fondamentalement fort entre les différents phénomènes physiques mis en jeu. C'est le cas des récupérateurs d'énergie de la marche, de la houle ou encore thermique (chapitre C.I). C'est également le cas des soupapes électromagnétiques (chapitre C.II). Dans chaque chapitre sont rappelés les co-encadrements, les collaborations universitaires et/ou industrielles, les autres membres permanents de l'équipe impliqués dans le thème abordé ainsi que les références de(s) article(s) joint(s) en annexe. En outre, un bilan critique est présenté à la fin de chaque chapitre. Dans la dernière partie du mémoire sont proposés un bilan global des travaux menés ainsi que quelques perspectives et thématiques nouvelles.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Toulouse, INPT : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 43 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3612. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 161-167.