Inscrite dans un projet industriel financé par la Région de Picardie à travers un AAP IndustriLAB, l’étude réalisée dans ce travail de thèse est relative à la caractérisation et la compréhension du vieillissement des systèmes électromécaniques mobiles de transfert de signaux. Ces systèmes ont pour fonction de transmettre, par l’intermédiaire d’un contact glissant, des courants de puissance et/ou des signaux de commande usant de protocoles de communication spécifiques et sensibles à la qualité du contact par lequel ils transitent.

Le travail de thèse a été cadré par le partenariat avec l'industriel Mersen (anciennement Carbone Lorraine) fournissant le cahier des charges sur le fonctionnement de ces systèmes. Dans notre cas, nous nous sommes confrontés à une application dite bague/fil utilisée dans les éoliennes pour commander/alimenter les moteurs d’orientation des pales, ou encore réguler la vitesse de rotation de l’arbre du générateur.

La thèse concerne donc la construction d’une phénoménologie du contact glissant basée sur une approche multi-physique du contact (principalement électrique et mécanique). Nous appuyant sur une caractérisation expérimentale très riche du contact électrique glissant, nous avons construit un modèle théorique (de nature probabiliste) et numérique débouchant entre autres sur l’évaluation de la qualité du contact au travers de divers index de qualité, combinant les grandeurs pertinentes du contact, toutes accessibles à la mesure. Le modèle prend en compte, outre la mécanique du contact, les composantes déterministes et aléatoires (profils de rugosité) de la géométrie des surfaces mises en jeu. Il permet également de discriminer certaines conditions de fonctionnement, vis-à-vis entre autres de l’état de surface (homogénéité chimique, rugosité…), de la vitesse de glissement ou de la force de plaquage des fils sur la bague.

De notre modèle statistique émerge un nouveau concept, l’entropie de contact, ainsi dénommée en raison de sa grande similitude avec l’entropie usuelle. Apparaissant comme une fonctionnelle de l’état de surface (topologie), cette grandeur présente une grande sensibilité aux conditions de réalisation du contact, influençant directement le transfert de signaux électriques. Ce nouveau concept ouvre ainsi la double perspective d’une thermodynamique du contact glissant et de l’optimisation des états de surfaces en vue d’une qualité maitrisée du contact (par texturation ou micro-lithographie par exemple).

L’ensemble de du travail de recherche effectué a permis le dépôt d’un brevet d'invention (Surveillance de la qualité d'un canal de communication supporté par un contact glissant - Notice n° WO2014207357), et deux publications dans des revues à comité de lecture : "Journal of Applied Physics" - IF 2.183, et "Tribology Transaction" - IF 1.511.

Part of an industrial project funded by the region Picardie (FRANCE) through an AAP Industri'Lab, our study focuses on the characterization and the understanding of the ageing of mobile electromechanical devices applied used for signal transfer. These systems have for main purpose to transfer, through a sliding contact, power currents and/or controle signals using comunication protocoles specific and sensitive to the contact quality.

Moreover, this research was supervised by the group Mersen (previously known as Carbone Lorraine) providing the specifications on the operation of such systems. During our research, we studied a ring-wire system commonly used in wind turbines to control/power the orientation motors of the blades or even to regulate the rotation speed on the generator shaft.

Therefore, this thesis deals with the phenomenology of a sliding contact based on a multi-physical contact approach (mainly electrical an mechanical). Based on a rich experimental characterization set of data, we built a theoretical (probabilistic) and numerical model leading to the contact quality evaluation through several indexes. Such evaluation can be carried out combining relevant contact parameters that are easy to measure. Our model takes into account, in addition to contact mechanics, the deterministic and random components of the surfaces geometry (roughness). Moreover, it makes possible to discriminate certain operating conditions, such as the surface state (homogeneity, chemical composition, surface roughness, etc.), the sliding speed or the pressing force of the wires on the ring.

From our statistical model emerges a new concept, the contact entropy, called like this due to the similarity to the usual entropy. As a function of the surface state, the contact entropy presents a large sensibility to the contact conditions that directly influence the electric signal. Such new concept gives a dual perspective: (1) the sliding contact thermodynamics and (2) the surface state optimization in order to control contact quality (e.g. by texturing or micro-lithography).

This research work led to the publication of a patent (Monitoring the quality of a communication channel supported by a sliding contact - US2016142162 (A1)), and two research papers: "Journal of Applied Physics" - IF 2.183, and "Tribology Transaction" - IF 1.511.