L'émergence des transformateurs piézoélectriques coïncident avec le développement dans les années 1950 des céramiques ferroélectriques appartenant à la famille cristalline des pérovskites qui n'ont cessé de s'améliorer depuis. Outre la compacité dont bénéficie ces structures, les transformateurs piézoélectriques offrent des performances remarquables en terme de gain en tension et rendement utiles pour des applications nécessitant une adaptation de tension ou une isolation galvanique, parfaitement dédiés aux applications de faibles puissances à haut rendement. Toutefois, les transformateurs piézoélectriques peuvent être déviés de leurs applications premières. En effet, la dernière décennie a été marquée par l'apparition de générateur de plasma par effet piézoélectrique utilisant principalement des architectures de type transformateur. Pourtant, si quelques applications usuelles illustrent parfaitement cette interaction, la compréhension des phénomènes physiques qui en sont à l'origine reste à approfondir. L'objectif de cette thèse est d'en expliquer les fondements par une approche méthodique. Ce travail s'articule autour de plusieurs étapes comprenant la mise en oeuvre d'une méthode systématique de la modélisation analytique d'un transformateur piézoélectrique, de l'étude de la carte de champ produit par un transformateur ainsi qu'une étude expérimentale vue des bornes en guise de premières investigations. La modélisation analytique est basée sur l'exploitation du Principe de Moindre Action (PMA). A partir de la théorie linéaire de la piézoélectricité, un modèle général applicable à toutes les géométries de transformateur, exploitant des modes de couplage piézoélectrique multiples, est proposé. Son caractère multimodal est par ailleurs mis en exergue. Cette modélisation est appliquée à une structure classique de transformateur piézoélectrique de type Rosen et les résultats obtenus sont validés d'une part par une identification numérique, issue d'un logiciel de calcul par éléments finis, et d'autre part par une caractérisation expérimentale. La modélisation analytique précédente ne tient pas compte dans sa mise en oeuvre de l'influence de l'environnement dans lequel évolue le transformateur piézoélectrique. Afin de caractériser le potentiel électrique produit, un modèle numérique 2D du champ électrique environnant est proposé selon la méthode des différences finies. Ce modèle est basé sur une extension du modèle analytique précédemment développé incluant les pertes mécaniques afin de quantifier le potentiel électrique de surface. Même si l'influence du plasma est négligée en première approximation, la modélisation permet de mettre en lumière les zones de fort champ correspondant aux zones de décharges luminescentes observées expérimentalement. Finalement, afin de valider le concept de générateur de plasma piézoélectrique, une caractérisation vue des bornes du transformateur piézoélectrique de type Rosen a été entreprise. Une étude systématique du déclenchement de la décharge plasma en fonction du niveau de tension et de la pression environnante a été menée. Cette part expérimentale de l'étude constitue une approche pionnière pour qualifier le comportement électromécanique du transformateur et a ainsi permis de mettre en évidence des comportements non linéaires issus de ce mode de fonctionnement atypique qu'est la génération de décharges de surface par effet piézoélectrique.

L'émergence des transformateurs piézoélectriques coïncident avec le développement dans les années 1950 des céramiques ferroélectriques appartenant à la famille cristalline des pérovskites qui n'ont cessé de s'améliorer depuis. Outre la compacité dont bénéficie ces structures, les transformateurs piézoélectriques offrent des performances remarquables en terme de gain en tension et rendement utiles pour des applications nécessitant une adaptation de tension ou une isolation galvanique, parfaitement dédiés aux applications de faibles puissances à haut rendement. Toutefois, les transformateurs piézoélectriques peuvent être déviés de leurs applications premières. En effet, la dernière décennie a été marquée par l'apparition de générateur de plasma par effet piézoélectrique utilisant principalement des architectures de type transformateur. Pourtant, si quelques applications usuelles illustrent parfaitement cette interaction, la compréhension des phénomènes physiques qui en sont à l'origine reste à approfondir. L'objectif de cette thèse est d'en expliquer les fondements par une approche méthodique. Ce travail s'articule autour de plusieurs étapes comprenant la mise en oeuvre d'une méthode systématique de la modélisation analytique d'un transformateur piézoélectrique, de l'étude de la carte de champ produit par un transformateur ainsi qu'une étude expérimentale vue des bornes en guise de premières investigations. La modélisation analytique est basée sur l'exploitation du Principe de Moindre Action (PMA). A partir de la théorie linéaire de la piézoélectricité, un modèle général applicable à toutes les géométries de transformateur, exploitant des modes de couplage piézoélectrique multiples, est proposé. Son caractère multimodal est par ailleurs mis en exergue. Cette modélisation est appliquée à une structure classique de transformateur piézoélectrique de type Rosen et les résultats obtenus sont validés d'une part par une identification numérique, issue d'un logiciel de calcul par éléments finis, et d'autre part par une caractérisation expérimentale. La modélisation analytique précédente ne tient pas compte dans sa mise en oeuvre de l'influence de l'environnement dans lequel évolue le transformateur piézoélectrique. Afin de caractériser le potentiel électrique produit, un modèle numérique 2D du champ électrique environnant est proposé selon la méthode des différences finies. Ce modèle est basé sur une extension du modèle analytique précédemment développé incluant les pertes mécaniques afin de quantifier le potentiel électrique de surface. Même si l'influence du plasma est négligée en première approximation, la modélisation permet de mettre en lumière les zones de fort champ correspondant aux zones de décharges luminescentes observées expérimentalement. Finalement, afin de valider le concept de générateur de plasma piézoélectrique, une caractérisation vue des bornes du transformateur piézoélectrique de type Rosen a été entreprise. Une étude systématique du déclenchement de la décharge plasma en fonction du niveau de tension et de la pression environnante a été menée. Cette part expérimentale de l'étude constitue une approche pionnière pour qualifier le comportement électromécanique du transformateur et a ainsi permis de mettre en évidence des comportements non linéaires issus de ce mode de fonctionnement atypique qu'est la génération de décharges de surface par effet piézoélectrique.

Le béton d'enrobage, dont le rôle essentiel est de protéger les armatures d'acier, est la partie du béton épaisse de quelques centimètres en contact direct avec le milieu extérieur et donc soumise aux attaques d'agents agressifs (eau, chlorures, ...). Des ondes de surface de longueurs d'onde millimétriques à centimétriques sont utilisées pour le caractériser. L'estimation des paramètres de propagation de ces ondes (vitesses de phase, de groupe, facteur d'amortissement) peut nous permettre d'évaluer des propriétés mécaniques et de déceler d'éventuels endommagements. Cependant ces ondes interagissent fortement avec les nombreuses hétérogénéités du béton (sable, granulats, ...) dont les dimensions sont comparables aux longueurs d'ondes. La propagation se fait alors en régime de diffusion multiple. Ces effets doivent être quantifiés afin de pouvoir être dissociés des effets liés aux propriétés mécaniques recherchées. Une étude analytique puis numérique présente les théories des milieux effectifs décrivant la propagation d'ondes de volume cohérentes dans le cas d'inclusions élastiques dans une matrice élastique. Ces modèles sont ensuite étendus pour prendre en compte la iscoélasticité et la distribution de taille de granulats. L'importance des effets de la diffusion multiple sur la propagation des ondes de surface est ainsi quantifiée. Parallèlement, un protocole expérimental associé à des méthodes de traitement du signal adaptées est mis en place pour évaluer de manière précise les vitesses de phase, de groupe, et l'atténuation des ondes de surface cohérentes sur des dalles de béton ou de mortier. Les résultats obtenus montrent que les variations de ces trois observables donnent des informations complémentaires sur différentes propriétés du béton (rapport eau sur ciment, distribution de granulats,...) mais aussi sur la présence de variations de propriétés avec la profondeur. Les effets de la diffusion multiple prédits par le modèle sont observés expérimentalement ce qui ouvre une perspective intéressante en vue de poser le problème inverse.

: Cette étude concerne la faisabilité de composants piézoélectriques partiellement libérés du substrat sur lequel ils sont fabriqués pour la réalisation de microsystèmes (MEMS). A base de PZT, ils sont microstructurés en forme de pont ou de poutres à l'aide de la technologie couche épaisse associée à la méthode de la couche sacrificielle. A la différence des structures directement sérigraphiées sur le substrat qui ne comportent que des modes de résonances en épaisseur à qq.MHz, les échantillons libérés présentent également des modes de vibrations radiales dans le plan à qq. dizaines de kHz. De plus, nous avons réalisé des poutres de forme rectangulaire révélant des résonances atypiques 31-longitudinales dans le plan à qq. dizaines de kHz. Une modélisation analytique associée aux données expérimentales a permis de déterminer les modules de Young du PZT et celui de l'or, plus faibles que ceux des matériaux massifs. Une modélisation numérique (COMSOL multiphysics) vérifie l'exactitude des lois établies et confirment la validité de notre démarche consistant à combiner les différentes lois mécaniques appliquées à nos micropoutres. Nous avons montré la faible influence de la pression et de la température mais aussi la sensibilité au toluène (qq ppm) des micropoutres comportant un dépôt de polymère (PEUT). En milieu liquide, les premiers résultats démontrent l'utilisation potentielle de ces micropoutres dans le domaine de la caractérisation viscoélastique de fluides.

L'émergence des transformateurs piézoélectriques coïncident avec le développement dans les années 1950 des céramiques ferroélectriques appartenant à la famille cristalline des pérovskites qui n'ont cessé de s'améliorer depuis. Outre la compacité dont bénéficie ces structures, les transformateurs piézoélectriques offrent des performances remarquables en terme de gain en tension et rendement utiles pour des applications nécessitant une adaptation de tension ou une isolation galvanique, parfaitement dédiés aux applications de faibles puissances à haut rendement. Toutefois, les transformateurs piézoélectriques peuvent être déviés de leurs applications premières. En effet, la dernière décennie a été marquée par l'apparition de générateur de plasma par effet piézoélectrique utilisant principalement des architectures de type transformateur. Pourtant, si quelques applications usuelles illustrent parfaitement cette interaction, la compréhension des phénomènes physiques qui en sont à l'origine reste à approfondir. L'objectif de cette thèse est d'en expliquer les fondements par une approche méthodique. Ce travail s'articule autour de plusieurs étapes comprenant la mise en oeuvre d'une méthode systématique de la modélisation analytique d'un transformateur piézoélectrique, de l'étude de la carte de champ produit par un transformateur ainsi qu'une étude expérimentale vue des bornes en guise de premières investigations. La modélisation analytique est basée sur l'exploitation du Principe de Moindre Action (PMA). A partir de la théorie linéaire de la piézoélectricité, un modèle général applicable à toutes les géométries de transformateur, exploitant des modes de couplage piézoélectrique multiples, est proposé. Son caractère multimodal est par ailleurs mis en exergue. Cette modélisation est appliquée à une structure classique de transformateur piézoélectrique de type Rosen et les résultats obtenus sont validés d'une part par une identification numérique, issue d'un logiciel de calcul par éléments finis, et d'autre part par une caractérisation expérimentale. La modélisation analytique précédente ne tient pas compte dans sa mise en oeuvre de l'influence de l'environnement dans lequel évolue le transformateur piézoélectrique. Afin de caractériser le potentiel électrique produit, un modèle numérique 2D du champ électrique environnant est proposé selon la méthode des différences finies. Ce modèle est basé sur une extension du modèle analytique précédemment développé incluant les pertes mécaniques afin de quantifier le potentiel électrique de surface. Même si l'influence du plasma est négligée en première approximation, la modélisation permet de mettre en lumière les zones de fort champ correspondant aux zones de décharges luminescentes observées expérimentalement. Finalement, afin de valider le concept de générateur de plasma piézoélectrique, une caractérisation vue des bornes du transformateur piézoélectrique de type Rosen a été entreprise. Une étude systématique du déclenchement de la décharge plasma en fonction du niveau de tension et de la pression environnante a été menée. Cette part expérimentale de l'étude constitue une approche pionnière pour qualifier le comportement électromécanique du transformateur et a ainsi permis de mettre en évidence des comportements non linéaires issus de ce mode de fonctionnement atypique qu'est la génération de décharges de surface par effet piézoélectrique. / The emergence of piezoelectric transformers coincides with the development in the 1950s of ferroelectric ceramics belonging to the perovskites crystalline family. In addition to providing small size and weight, piezoelectric transformers offer outstanding performances in terms of galvanic insulation, voltage ratio and efficiency. Furthermore, compared with conventional electromagnetic transformers, piezoelectric transformers are free from electromagnetic interference. They are consequently more suitable for low power and high efficiency applications for small embedded systems. However, piezoelectric transformers can be deviated from their initial applications. Indeed, the emergence of plasma generator by piezoelectric effect, using mainly piezoelectric transformers, made its mark on the last decade. Nevertheless, if a few typical applications perfectly exemplify this interaction, the understanding of instigated physical phenomena remains to go into detail. The aim of this thesis is to explain the fundaments by a methodical approach. This work is based on several steps including the implementation of piezoelectric transformer analytical modeling, the study of the electrical field generated by a piezoelectric transformer and a first experimental investigation from piezoelectric transformer terminals. The analytical modeling is based on the utilization of the least action principle. From linear piezoelectric theory, a general model applicable to all transformer geometries, using multiple piezoelectric coupling modes, is put forward. Its multimodal characteristic is in addition underlined. This modeling is applied to a classical Rosen type transformer and the obtained results are confirmed on one hand by a numerical identication, and on the other hand by an experimental characterization. The previous analytical modeling does not take into account in its application the influence of the environment in which the piezoelectric transformer evolves. In order to qualify the produced electrical potential, a 2D numerical model of surrounding electrical field is put forward according to nite difference method. This model is based on the extension of previously developed analytical model including mechanical losses in order to quantify the surfacic electrical potential. Even if plasma influence is ignored in first approximation, the modeling allows to highlight high electrical field areas matching glow discharges areas experimentally observed. Finally, in order to validate the concept of piezoelectric plasma generator, a characterization from Rosen type piezoelectric transformer terminals has been undertaken. A systematic study of plasma discharge ignition in function of the input voltage level and the surrounding pressure has been carried out. This experimental part of the study constitutes a pioneering approach in order to qualify transformer electromechanical behavior. It has consequently allowed to give rise to nonlinear behaviors from untypical operation mode which is the surfacic discharge generation by piezoelectric effect.

Les activités du Laboratoire de recherche en Électronique, Électrotechnique et Systèmes (L2ES) sont dans le champ des transports que ce soit pour la génération d'énergie au moyen de PACs ou pour la chaîne de traction. Les travaux de recherche, dans ce dernier domaine, portent essentiellement sur les MSAPs à entraînement direct lent du type synchrone avec balais ou autopiloté à commande trapézoïdale ou sinusoïdale.<br />L'objectif consiste maintenant à orienter les recherches vers les actionneurs à vitesse élevée. Une application importante concerne l'entraînement de compresseurs pour le système PAC. Des études menées au L2ES ont montré que les turbocompresseurs constituaient une solution intéressante pour limiter la taille et la puissance absorbée.<br />Nous proposons dans cette thèse de mettre au point une méthodologie de conception de MSAPs montés en surface à vitesse élevée en vue de leur optimisation en prenant en considération les contraintes magnétiques, électriques et thermiques. Cette méthodologie prend en compte des contraintes spécifiques de la grande vitesse, et notamment les pertes électromagnétiques dans la partie tournante induites par la fréquence élevée d'alimentation. Les pertes magnétiques dans l'induit denté créées par une aimantation radiale ou parallèle des aimants permanents sont également modélisées. En effet, deux modèles analytiques complexes (magnétostatique et magnétodynamique) ont été développés pour prédire ces pertes fer significatives dans les MSAPs sans pièces polaires à inducteur intérieur ou extérieur. La méthode est générale, parce qu'elle est basée sur le calcul de champ électromagnétique bidimensionnel (2D) en coordonnées polaires (résolution des équations de Laplace/Poisson/Diffusion). L'analyse prend en compte les notions de courbures, les harmoniques de temps et d'espace de la répartition des courants de l'induit produite par un bobinage quelconque, l'effet du champ de réaction d'induit par courant de Foucault, et enfin différentes configurations de bobinages statoriques ("généralisation" des bobinages) ainsi que deux types d'aimantation (radiale et parallèle). L'hypothèse principale consiste dans le fait que l'on néglige la variation de perméance due au stator denté. Les contraintes mécaniques ont été traitées en liaison avec le mécanicien de la société NOVELTE Système de Belfort (90).<br />La MSAP réalisée tourne à 10 000 tr/min avec un résolveur analogique "sin-cos" à aimants permanents constitué de capteurs à effet Hall. Le moteur construit servira de base de validation dans la zone de vitesse concernée (i.e., de 0 à 10 000 tr/min).

Dans le milieu automobile, les règlementations visant à limiter l’émission de particules fines et de gaz à effet de serre sont devenues de plus en plus sévères au cours des dernières années. Cette tendance ne va pas s’inverser et des solutions doivent être trouvées pour améliorer le rendement des moteurs à combustion interne (ICE) qui propulsent la majorité des véhicules de tourisme dans le monde.Une des solutions permettant d’améliorer le rendement thermodynamique de l’ICE est d’utiliser un turbocompresseur. Cet organe de suralimentation permet d’accroître le couple du moteur en augmentant la pression d’air dans les cylindres et par conséquent la quantité de comburant. Le turbocompresseur présente cependant un inconvénient pour l’agrément de conduite. Selon la technologie employée, un temps de latence (turbo lag) plus ou moins important apparait entre le moment ou le conducteur appui sur la pédale d’accélérateur et le moment ou le couple est disponible sur les roues.Pour pallier ce problème, on peut utiliser une machine électrique venant assister le turbocompresseur durant la phase de montée en vitesse. Cette machine peut faire partie d’un système indépendant de compression d’air et placée en amont du turbocompresseur, on parlera alors de turbo assisté électriquement. Cette machine peut aussi être intégrée directement au turbocompresseur, on parlera alors de turbo électrique. Dans les deux cas, le temps de réponse du turbocompresseur est amélioré ce qui impacte directement la dynamique du véhicule et le plaisir de conduite. Dans le cas du turbo électrique, l’intégration de la machine électrique directement sur le turbocompresseur permet son fonctionnement en génératrice en offrant ainsi une amélioration du rendement global de l’ICE.Le sujet de la thèse est la modélisation et la conception des machines électriques haute vitesse pour ces applications. Les principales qualités recherchées pour ces machines seront :-leurs capacités à pouvoir fonctionner à haute vitesse : les vitesses recherchées se situe typiquement entre 70 000 et 150 000 tr/min pour des vitesses périphériques de l’ordre de 150 m/s ;-leurs densités de puissance : on recherche des puissances de 3 à 15 kW pour des machines compactes qui devront être intégrées sous le capot du véhicule ;-des rendements élevés de l’ordre de 95 % ;-une conception adaptée à la production en grande série pour l’automobile.Pour répondre à cette problématique, les travaux suivants ont été entrepris :Dans un premier temps, nous avons modélisé finement les phénomènes électromagnétiques et mécaniques liées aux machines électriques haute vitesse à encoches et aimants permanents positionnés en surface. Pour cela, nous avons développé un modèle de calcul en sous-domaines pour la partie électromagnétique et un modèle multicouches de résistance des matériaux pour le calcul de la tenue du rotor à haute vitesse.Dans un deuxième temps, pour pouvoir explorer des topologies de machines très différentes, nous avons eu recourt aux méthodes de calcul par éléments finis. Nous avons pu identifier et de comparer plusieurs topologies de machines à encoches, sans encoches, à bobinage dentaire ou toroïdal. Cette étude paramétrique a permis de comparer la densité de couple et le rendement de ces machines.Enfin, dans une dernière partie, nous avons traité le cas du prototypage et des mesures de ces machines. Pour cela, sur la base des études réalisées, nous avons prototypé trois machines aux performances prometteuses. La conception mécanique des différentes machines est abordée ainsi que les méthodes de mesures et les difficultés liées aux caractérisations à haute vitesse.Au cours de ce travail de thèse, d’autres aspects ont aussi été abordés tel que la modélisation des pertes du système machine électrique et convertisseur de puissance, la dynamique des rotors ou encore les émissions acoustiques. / In the automotive industry, regulations to limit the emission of greenhouse gases have become more and more severe. This trend is not going to change and solutions must be found to improve the efficiency of internal combustion engines (ICE) that drive the majority of passenger cars in the world.Turbochargers are a clever solution to improve the thermodynamic efficiency of the ICE. This forced induction device increases the air pressure in the cylinders and therefore the engine torque. However, turbochargers have a major disadvantage for the driver experience: a lag time (turbo lag) between the moment when the driver steps on the accelerator and the moment when torque is available.To overcome this problem, an electric machine can be used to assist the turbocharger during the speed up phase. This machine can be a part of an independent system of air compression and placed upstream of the turbocharger or it can be integrated directly into the turbocharger. In both cases, the response time of the turbocharger is greatly reduced which directly impacts the dynamic of the vehicle and the driving pleasure. The integration of the electric machine directly on the turbocharger allows its operation as a generator to improve the overall efficiency of the ICE.The subject of this thesis is the modeling and design of high speed electric machines for these applications. The main requirements are:-High-speed operation: between 70,000 and 150,000 rpm and peripheral speeds around 150 m/s.-Power density: from 3 to 15 kW for compact machines that will have to be integrated under the hood of the vehicle.-High efficiency: around 95 % and above.-A design adapted to mass production for the automotive industry.To cope with this requirements, the following tasks were undertaken:Firstly, we modeled the electromagnetic and mechanical behaviors of high-speed slotted electric machines with surface-mounted permanent magnets. For the electromagnetic part, we developed a subdomain calculation model. For the mechanical part, we worked on a multilayer model to evaluate the rotor strength at high speed.Secondly, we used finite element analysis methods to explore different machine structures. We compared several topologies of slotted and slotless machines, with tooth-coil winding and toroidal winding. This parametric study allowed us to compare the torque density and efficiency of these machines.Finally, we dealt with the case of prototyping and measurements of these machines. Based on the previous studies, we prototyped three machines with promising performances. The mechanical design of the different machines is discussed as well as the measurement methods and the difficulties associated with high speed characterization.During this thesis work, other aspects were also discussed such as the losses in power converters driving high-speed electric machines, rotor dynamics and acoustic emissions.