Le projet de thèse proposé permettra d’appuyer une thématique du laboratoire GREEN sur la conception d’actionneurs électriques de topologies originales. Il s’agit de développer un concept novateur d’actionneur pour la chirurgie guidée par l'Imagerie par Résonance Magnétique. Une collaboration avec le milieu biomédical spécialisé en IRM permettra de mener à bien cette thèse.
Un actionneur électrique pour une application de type chirurgie guidée par IRM nécessite des petits déplacements précis. De plus, il doit être compatible IRM et opérer dans un espace confiné. Les exigences de compatibilité IRM comprennent : 1) la sécurité IRM, 2) la préservation de la qualité d'image, et 3) la capacité à fonctionner sans être affecté par les champs électriques et magnétiques du scanner. Les normes interdisent les matériaux ferromagnétiques car ils provoquent des artefacts d'image. Par ailleurs, les forces magnétiques qu’ils subissent peuvent les amener à se comporter comme un projectile dangereux. Les métaux non ferromagnétiques sont autorisés. Cependant, les matériaux conducteurs présents à proximité de l'iso-centre du scanner subissent des courants de Foucault dus aux bobines de gradient et de radiofréquence dont le champ magnétique perturbe l'homogénéité du champ principal B0.
Dans la littérature, il existe plusieurs types d’actionneurs non magnétiques utilisés dans différentes applications en IRM.
Pour les interventions de guidage d'aiguille pour réaliser des biopsies, les moteurs à ultrasons sont utilisés. Les mesures de compatibilité IRM ont montré que lorsque ces moteurs sont placés à l'intérieur du tunnel du scanner d’IRM et sont mis sous tension, il y a une réduction importante du rapport signal/bruit d'imagerie.
Beaucoup de travaux de recherches récents se concentrent sur les actionneurs pneumatiques qui ne causent pas de réduction du rapport signal/bruit. Ils nécessitent néanmoins une installation hydraulique complexe et encombrante.
Les moteurs électrostatiques constituent une alternative aux solutions décrites précédemment. Malheureusement, la densité de couple d’un actionneur électrostatique est faible ce qui limite son utilisation dans les applications liées à la robotique et à la chirurgie médicale.
Concernant les actionneurs « magnétiques » compatibles IRM, des travaux de recherche sont peu nombreux. Il existe une topologie d’actionneur alimentée et contrôlée par le scanner IRM pour le guidage d’aiguille. Le principe de fonctionnement repose sur l’utilisation d’un ou plusieurs petits corps ferromagnétiques intégrés dans l'actionneur qui servent à convertir l'énergie électromagnétique des bobines de gradients en énergie mécanique. Bien que le moteur soit compatible IRM et autonome en énergie, le contrôle des forces est délicat et les performances sont limitées.
Aucune des solutions décrites ci-dessus ne répond aux besoins en actionneurs précis et compact de manière satisfaisante. C’est ainsi que nous proposons la conception d’un prototype d’actionneur électrique fonctionnant dans un champ magnétique constant (champ B0 d’un scanner IRM). Un actionneur électrique comporte un inducteur et un induit. L’originalité du projet de thèse réside dans l’utilisation du champ statique B0 pour assurer la conversion électromécanique. L’induit sera constitué de bobines en cuivre. L’actionneur fonctionnera dans un environnement fortement contraint puisqu’il doit être compatible IRM (présence de champs à haute fréquence produits par les antennes et les bobines de gradients).

Effectuer une étude exhaustive, par optimisation, des variantes de la nouvelle topologie à griffes pour dégager des configurations ou applications pour lesquelles elle serait plus performante que les solutions classiques. L’exploration des différentes polarités a déjà été entreprise, on peut étendre la topologie d’un stator bobiné à griffes, aux cas innovants de type multi-couche qui est un compromis entre une réduction des flux de fuites, et une démutualisation des ampères-tours de bobine globale.
Extension de l'exploration d'architectures d'inducteur homopolaire à une version utilisant les aimants permanents comme source de flux inducteur plutôt qu’une bobine circulaire comme il en existe jusqu'à présent dans le cas des alternateurs.
Recherche spécifique d'architectures à aimant procurant des améliorations en performances volumiques ou massiques, de type couplage dentaire (ou harmonique), plutôt que polaire comme dans l'art actuel et antérieur

Le travail de thèse a pour objectif d’améliorer la maintenance des machines électriques à l’aide d’analyses des signaux électriques, mécaniques, magnétiques, thermiques, etc. Pour se faire, une étude des algorithmes de diagnostic/pronostic existants sera effectuée. Une phase de tests sera mise en œuvre à l’aide des modèles appropriés développés sous Matlab, Flux2D ou FEMM. Ensuite, de nouveaux algorithmes pourraient être proposés. Une plate-forme d’essais équipée de plusieurs capteurs électriques, mécaniques et thermiques a également été développée à LORELEC. Le doctorant devra prendre en main cette plate-forme en vue d’une part de valider les algorithmes de diagnostic/pronostic proposés dans la thèse sur différents types de machines électriques disponibles à LORELEC, et d’autre part de compléter la plate-forme avec de nouveaux capteurs jugés utiles au diagnostic et au pronostic de défauts des machines électriques.

Dans le contexte ci-dessus, l’objectif final de la thèse serait de concevoir un ensemble ‘Machine+Convertisseur’ avec fréquence fondamentale élevée (jusqu’à 20 kHz). On se limitera à des vitesses périphériques inférieures à 100 m/s afin de ne pas être contraints par des limites mécaniques. La puissance de la machine sera d’environ 1 kW.
Au niveau technologique, la topologie de la machine sera à aimants permanents et nous utiliserons des composants de puissance à base de SiC ou de GaN. Le niveau de tension continue sera préférentiellement de 48 V. Les stratégies de commutation des interrupteurs sera de type PWM ou PAM et nous envisagerons des commandes avec ou sans capteur.
Nous proposons de travailler par paliers de fréquences afin d’identifier pas à pas les problématiques concrètes à lever : 7.5, 15 puis 20 kHz avec conceptions et prototypages ; en limitant au maximum les vitesses périphériques de rotor ainsi que les tours par minute (typiquement Vp < 100m/s et N compris entre 50 à 100 krpm).
Les aspects scientifiques suivants seront plus particulièrement abordés :
• choix de la topologie de convertisseur, de la technologie de composant, du filtre, de l’architecture du routage ;
• conception et modélisation(s) d’une ou plusieurs topologies de machines avec et/ou sans dents ;
• modélisations et optimisation des pertes dans la machine et dans le convertisseur ;
• caractérisation de l’entrainement haute fréquence, y compris les phénomènes capacitifs intervenant dans le moteur.

Le développement et la disponibilité des composants d’électronique de puissance, en moyenne tension, ont permis à l’industrie de développer des entrainements électriques de grande puissance, à offrir des équipements plus performants avec une meilleure qualité du signal, engendrant moins d’harmoniques sur les réseaux et moins de vibration dans les machines électriques.
Les composants de puissance (IEGT), utilisés dans les entrainements à Modulation de Largeur d’Impulsion (MLI), sont limités en courant (autour de 2000A), l’augmentation de la puissance est alors obtenue par l’augmentation de la tension, soit par mise en série des composants, soit par augmentation des niveaux de la topologie de l’onduleur MLI. La mise en série des composants ne change pas le modèle comportemental du convertisseur, les harmoniques générés sont indépendants du niveau de tension et les techniques de commande restent identiques, seul la procédure d’équilibrage des tensions aux bornes des composants en série devient plus complexe. L’augmentation des niveaux de la topologie de l’onduleur MLI donne a priori un signal de sortie de meilleure qualité : échelons de tension plus faibles avec un meilleur Taux de Distorsion Harmonique (THD). Cependant la répartition des harmoniques du signal de sortie change, avec l’apparition de rangs d’harmoniques à des fréquences, parfois indésirables, pénalisant ainsi la topologie 5 niveaux comparée à une topologie 3 niveaux dans les architectures d’entrainements électriques de grande puissance.
Dans le cadre de cette thèse nous nous attaquons à cette problématique complexe, profiter des avantages de la topologie Onduleur 5-niveaux, et réduire, voire annuler les inconvénients engendrés. Cette optimisation est basée essentiellement sur l’amélioration des techniques de commande des onduleurs 5 niveaux, d’une part, et l’établissement des règles de dimensionnement et de "design" des architectures d’entrainements électriques à base d’onduleurs 5-niveaux de grande puissance d'autre part. Le compromis coût/fiabilité/performances sera utilisé pour comparer les architectures 3 et 5 niveaux.
Dans un premier temps le candidat étudiera l’état de l’art sur la commande et le dimensionnement des onduleurs 5-niveaux. Puis il étudiera les architectures 3-niveaux, elles serviront de référence par la suite pour l’étude comparative des architectures 3-niveaux/5niveaux.
Ensuite une étude approfondie sur l’impact des composants (Capacité du bus, IGBT,..) et les techniques MLI, sur les performances et les avantages de l’onduleur 5-niveaux, sera établie pour clarifier les axes d’améliorations, et proposer des solutions concrètes. Les simulations de l’ensemble serviront d’outil d’évaluation de ces solutions.
Enfin, l’implantation de ces solutions sur un banc d’essais ou un Simulateur Temps réel, et l'analyse technico-économique valideront ces études.
Position de la problématique chez GE PC :
General Electric Power conversion (GE PC) développe les entrainements électriques à MLI, à forte puissance depuis plus de 30ans, vers la fin des années 90 est développé le VDM6000, un onduleur 4 niveaux 3,3kV 4MW, avec la topologie capacités flottantes, dite "Foch-Meynard". Ce "drive" a eu un grand succès, 120 unités ont été installées entre 1999 et 2004. Il est surtout connu pour sa qualité et sa forme d’onde de sortie, très faible THD. En 2004 le développement de la Gamme MV7000, en 3 niveaux NPC (neutral Point Clamped) ensuite topologie NPP (Neutral Point Piloted), a permis d’appliquer les onduleurs MLI à des entrainements électriques plus puissants et plus hauts en tensions de sortie, cette gamme d’onduleur s’étend de 3 à 27MW, 3 à 9kV en mono-onduleur. En les mettant en parallèle, le plus grand drive installé est de 61 MW 9kV.
Récemment GE PC a développé un onduleur 5 niveaux, une combinaison de la topologie capacités flottantes et la topologie NPP, appelé U-wave. Cet onduleur est promu pour délivrer une onde de sortie plus propre que le VDM6000 et de monter davantage en puissance et en tension. Il est annoncé en mono-onduleur à 36MW - 13,8kV en sortie. Un prototype est déjà en test chez PC France. Si la topologie du point de vue électronique de puissance est maîtrisée, la manière de piloter ce convertisseur et son intégration dans un système de puissance nécessitent des études approfondies. En particulier,
• la gestion de ses harmoniques de sortie, la possibilité de les réduire et de les déplacer par la commande, afin d’optimiser le dimensionnement des autres composants, tels les filtres harmoniques,
• l'étude de son comportement transitoire : gestion de ses tensions internes et l’influence sur la dynamique globale d’un entrainement électrique à base du U-wave.

Le but de ce travail est d’étudier un entrainement fort couple basse vitesse à base d’un moteur à induction associé à un réducteur de vitesse magnétique. L’objectif étant de remplacer le système classique associant un moteur asynchrone haute vitesse à un réducteur de vitesse mécanique. Pour cela on emploie des outils analytiques et numériques en vue du dimensionnement électromagnétique de la machine.

Pour répondre aux contraintes liées aux applications des machines tournantes très hautes vitesses, les paliers magnétiques actifs ont été développés et sont actuellement utilisés dans le monde industriel. Cette technologie permettant la lévitation des parties tournantes évite tout frottement, ainsi elle a permis de répondre à la majeure partie des contraintes en termes de vitesse, usure, continuité de fonctionnement, propreté... Pour autant, son encombrement et son coût constituent des freins majeurs à leurs développement. Ce travail porte sur une solution alternative permettant de réunir dans un même système la fonctionnalité d'un moteur électrique et d'un palier magnétique actif. Cette solution est appelée moteur auto-lévité "bearingless motor". Cette thèse propose, après un rappel du fonctionnement des paliers magnétiques actifs, de réunir, développer et valider expérimentalement l'ensemble des modèles nécessaires au dimensionnement d'un moteur auto-lévité à aimants permanents avec ses convertisseurs statiques. Dans un premier chapitre, les principes de base du fonctionnement des paliers magnétiques actifs est abordé. Puis, un état de l'art des moteurs auto-lévités est présenté permettant ainsi de déterminer la topologie la plus adaptée pour remplacer les paliers magnétiques dans des applications hautes vitesses. Dans un second chapitre, des modèles magnétiques spectraux sont développés en tenant compte des différents harmoniques spatiaux de l'induction et de leurs sources. Les interactions des différents harmoniques spatiaux sont alors mises en évidence et quantifiées afin d'identifier leurs contributions à la force et à ses ondulations. De plus, il est montré comment le décentrement du rotor agit sur le contenu spectral de l'induction d'entrefer. L'ensemble de ces informations permet alors de choisir et dimensionner le circuit magnétique pour minimiser les ondulations de forces dans les moteurs auto-lévités à aimant permanent. Dans le troisième chapitre, un modèle externe spécifiquement dédié aux machines auto-lévitées est développé. L'évolution des paramètres en fonction de l'état du système sont déterminés à partir des modèles magnétiques précédemment développés. Ce modèle permet alors de choisir un convertisseur statique et une stratégie de commande adaptées. Cette étude permet alors de choisir le bobinage minimisant les contraintes sur le convertisseur statique. Pour finir dans un quatrième chapitre, un prototype spécialement conçu a été dimensionné et réalisé afin de valider les principes théoriques énoncés lors de cette thèse. Le principe de base de l'auto lévitation a pu être mis en œuvre et validé. Dans un second temps les harmoniques de force ont été identifiés expérimentalement, leurs suppressions a été possible grâce à une commande adaptée basée sur les modèles magnétiques précédemment établis. Cette thèse constitue une avancée intéressante sur la modélisation fine des moteurs auto-lévités. Elle permet de réunir l'ensemble des informations nécessaires à un dimensionnement optimal et à la commande de ces machines.