La thèse portera sur le développement de méthodes de calcul permettant la modélisation et la prise en compte de défauts, distribués de façon statistique, dans les supraconducteurs massifs. Les résultats devront permettre d’identifier la méthode la plus adaptée pour modéliser ces défauts en 3D et pour prédire les distributions de champ magnétique produites. Etant donné les rapports d’aspect important entre les défauts micrométriques et la taille centimétrique des supraconducteurs, il sera envisagé d’avoir recourt à des méthodes originales, parmi lesquelles : des techniques d’homogénéisation, des méthodes intégrales couplées avec des méthodes éléments finis, des distributions statistiques avec la mise en place de « Machine Learning » couplé à de l’Intelligence Artificielle…

Cette thèse a pour applicatif les génératrices de puissance des réseaux de bords avions ou hélicoptères. La topologie traditionnellement employée est dite ‘trois étages’ puisque plusieurs composants accomplissent les fonctions de démarrage, génération de puissance électrique et régulation en tension. Les objectifs de cette thèse consistent à simplifier et améliorer cette topologie ‘trois étages’. Une contrainte majeure de la topologie développée sera de garantir la dé-excitabilité de la machine. Des topologies de machines dites ‘sans aimants’ (par exemple, les machines asynchrones, à réluctance ou homopolaires) seront donc évaluées, parmi lesquelles des concepts proposés par SAFRAN.

L’augmentation du trafic ferroviaire représente un enjeu important pour les futurs développements de la SNCF. La continuité de service visant à assurer la mobilité des personnes est aujourd’hui au cœur des préoccupations sociétales. La SNCF est impliquée dans de nombreux renforcements d’électrifications notamment en zones ultra denses, comme par exemple à Paris. Ce renforcement doit aussi se réaliser en assurant la sécurité des utilisateurs et du personnel de la SNCF.
Le réseau ferroviaire fonctionne principalement en continu avec une valeur de tension de 1 750 V. Afin d’apporter suffisamment d’énergie au réseau, il est nécessaire de faire transiter des courants de fonctionnement pouvant atteindre 20 kA. Dans cette optique, la solution d’utiliser des câbles supraconducteurs est particulièrement adaptée car elle permet le transport de puissances importantes sans dissipation d’énergie ni chute de tension. De plus, cette technologie utilise des conducteurs de section fortement réduite par rapport à des conducteurs résistifs conventionnels, ce qui permet de diminuer considérablement le droit passage.
Sujet de la thèse
Le travail de la thèse concerne le développement d’outils et de méthodes permettant le dimensionnement de câbles supraconducteurs à courant continu pour le réseau ferroviaire, en prenant en compte des contraintes industrielles et des spécificités du réseau français.
Dans un premier temps, ce travail devra apporter plusieurs éléments de réponse sur : la structure du câble, le type et le nombre de conducteurs à utiliser, les moyens de refroidissement nécessaires, les différents coûts (CAPEX, OPEX), etc. Dans un second temps, on s’intéressa au dimensionnement d’un câble limiteur de courants de défaut. En effet, une des particularités d’un conducteur supraconducteur est de pouvoir limiter le courant à une valeur désirée grâce à un changement de résistance parfaitement maitrisé. Cette propriété supplémentaire du câble supraconducteur nécessite un dimensionnement électromagnétique et thermique relativement complexe afin que le câble ne joue pas le rôle d’un simple fusible et pour qu’il puisse être remis en service dans un temps compatible avec les contraintes liées au réseau. Avant la fin de la thèse, une expérience sur un câble supraconducteur DC à limitation de courants de défaut de plusieurs mètres de long et de plusieurs kA devra être mise en œuvre et testée. L’insertion d’un câble supraconducteur sur le réseau électrique ferroviaire est une solution de rupture technologique, totalement inédite en France, offrant de nombreuses opportunités tant en termes de solutions techniques que de coûts.

L’intégration des supraconducteurs dans les systèmes de puissance est très limitée, notamment en ce qui concerne les machines électriques à courant alternatif où leur utilisation est généralement restreinte à la fonction d’inducteurs dans les machines synchrones. Les raisons sont non seulement liées aux contraintes techniques de réalisation, mais également à la méconnaissance du comportement de ces matériaux dans un environnement électromagnétique complexe. En effet, le passage de l’élément au système n’est pas trivial, car le comportement d’un élément isolé peut être très différent lorsqu’il est intégré dans un système.
Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans la suite des travaux réalisés au GREEN dans le domaine de la modélisation et la caractérisation des matériaux supraconducteurs. L’étude portera sur le comportement électromagnétique d’une bobine supraconductrice en champ alternatif afin de reproduire le comportement d’un induit supraconducteur dans une machine à courant alternatif hybride ou entièrement supraconductrice :
• Caractérisation des pertes en alternatif : en courant de transport et en champ appliqué avec différentes orientations pour l’étude de l’influence de la réaction magnétique de l’induit.
• Montées en fréquences pour l’étude de l’effet des harmoniques en alimentation alternative non sinusoïdale (association avec un convertisseur par exemple), en étudiant les limites d’une telle approche étant donnée la non linéarité électrique de ces matériaux.
• La prise en compte de l’influence de la proximité de matériaux actifs conventionnels (conducteurs et ferromagnétiques) qui modifient l’environnement électromagnétique du supraconducteur.
Le travail comportera les aspects modélisation (analytique – numérique) et mesures, en passant par la réalisation d’un banc expérimental en Laboratoire.

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

Les matériaux supraconducteurs présentent des propriétés physiques et géométriques particulières qui exigent des approches de modélisation spatio-temporelle fines, où les méthodes classiques trouvent rapidement leurs limites en termes de convergence, de précision et de temps de calcul. Ce dernier peut être très conséquent, ce qui est incompatible avec les problèmes de dimensionnement et d’optimisation.
Dans cette thèse, nous travaillons à développer des approches de modélisation multiphysique rapides pour le dimensionnement et l’optimisation des systèmes à base de supraconducteurs. Un intérêt particulier est porté pour les méthodes intégrales. Dans ce type de méthodes les interactions électromagnétiques entres les différents éléments apparaissent directement dans le système d’équations à résoudre. Cette interaction directe entre éléments permet de ne discrétiser que les parties actives des systèmes et, de ce fait, facilite le traitement de problèmes multi-échelles ainsi que le problème d’optimisation de la géométrie. Les verrous scientifiques à lever, et qui constituent également l’originalité du travail, résident dans l’intégration des lois de comportement E(J) des supraconducteurs dans les schémas numériques de ce type de méthodes. Une campagne de validations et de comparaisons avec les logiciels conventionnels sera menée afin de cerner les possibilités offertes et les limites de cette approche pour la modélisation des supraconducteurs.

Cette thèse analyse les challenges auxquels sont confrontés les composants électriques pour les systèmes de traction hybrides. L’analyse de ces composants et de leurs interactions en tant qu’entité indépendante est un sujet de recherche important afin de dimensionner de manière optimale le système au lieu de combiner des composants optimaux. Les véhicules hybrides sont un domaine de recherche qui suscite un grand intérêt parce qu’il s’agit d’une solution efficace à court terme afin de préparer la transition énergétique vers les véhicules à zéro émission. Malgré les avantages de cette solution, c’est un sujet de recherche complexe car les composants électriques doivent être intégrés dans un système de propulsion conventionnel. Ainsi le but de ce travail de recherche est axé sur la détermination de méthodes appropriées pour étudier les composants électriques et les contributions apportées par cette thèse visent à répondre à la problématique suivante: Déterminer le niveau suffisant de détails pour modéliser les systèmes électrique pour les systèmes de traction pour véhicules hybrides afin d’identifier le dimensionnement idéal des composants pour différents systèmes pendant la phase de développement Afin de résoudre cette problématique, ce rapport est divisé en quatre parties au sein de six chapitres. D’abord l’état de l’art des véhicules hybrides, des composants électriques ainsi que des méthodes d’optimisation associées sont présentés (chapitre 1). Ensuite, pour chaque composant (chapitre 2 à 4), des méthodes de modélisation appropriées sont déterminées afin de les modéliser mais aussi afin d’évaluer leur intégration dans le système de propulsion. Puis, une solution pour l’étude du système globale est déterminée à partir de l’analyse de travaux précédents (chapitre 5). Finalement, une approche d’optimisation est développée et permet d’analyser différents systèmes ainsi que l’influence de différents paramètres sur le dimensionnement (chapitre 6). Grâce à l’analyse du développement actuel et des travaux précédents sur le sujet ainsi qu’au développement d’outils de simulation, cette thèse étudie et analyse les relations entre le niveau de tension et de courant, et les performances du système dans différents cas. Les résultats permettent de déterminer l’influence de ces paramètres sur les composants ainsi que l’impact de l’environnement industriel sur les résultats. En tenant compte du cadre législatif actuel, les résultats convergent globalement tous dans la même direction: une réduction du niveau de tension, respectivement une augmentation du courant, entraine une amélioration du système global par rapport aux méthodes de dimensionnent actuelles. Ces observations sont liées à l’architecture, au cycle d’évaluation et à l’environnement considérés mais les méthodes et l’approche développée ont posé les bases pour étendre les connaissances dans le domaine de l’optimisation des véhicules hybrides. En plus de l’optimisation générale, des cas particuliers sont analysés afin de montrer la modularité des méthodes et l’influence de paramètres supplémentaires (système 48V ou convertisseur Boost). Afin de conclure, cette thèse a mis en place les bases pour l’étude des composants électriques pour les véhicules hybrides. De part un environnement fluctuant et les nombreuses technologies possibles, ce sujet suscite encore un grand intérêt et les points suivants peuvent être encore étudiés de manière plus détaillée: • Application des méthodes pour d’autres systèmes de propulsion (autre architectures hybrides, véhicule à pile à combustible ou tout électrique) • Étude de nouvelles technologies comme le carbure de silicium pour l’électronique de puissance, la machine à reluctance variable ou le sulfure de lithium pour les batteries • Analyse d’autre cycle d’évaluation ainsi que leur cadre législatif • Mise en place de structures additionnelles pour l’électronique de puissance • Validations supplémentaires avec d’autres composants

Grâce à leurs avancées techniques en termes de poids, performances et fiabilité, les machines synchrones sont de plus en plus utilisées dans le domaine de transport et en particuliers dans l’aéronautique. Les stratégies de maintenances de ces systèmes électriques sont alors indispensables afin d'éviter des surcouts liés à des temps d'arrêt non planifiés. Ce document propose une analyse des conséquences d'un défaut inter-spires intermittent naissant dans l'enroulement statorique d'une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP). Ce type de défaut correspond à l'état peu avancé d'un futur court-circuit permanent. L'objectif de cette analyse est de définir une méthode de détection de ce type de défaut qui soit facile à mettre en œuvre. Jusqu'à présent, les études menées se sont limitées à la détection de court-circuits inter-spires permanents. A partir d'une étude analytique du courant statorique d'une MSAP contrôlée en courant en présence de court-circuit intermittent, nous avons fait une étude de l'impact des différentes grandeurs influençant la perturbation du courant. Nous avons constaté que la forme de la perturbation créée par le défaut était toujours la même et qu'elle était la signature du défaut intermittent dans le courant. Par la suite cette étude analytique a été validée expérimentalement. Dans la partie suivante nous avons étudié la sensibilité des méthodes de détection de court circuit inter-spires permanents appliquées au cas du court-circuit intermittent. Ces méthodes se sont révélées inadaptées pour la détection du défaut étudié dans ce travail. Nous avons donc proposé une méthode dédiée qui est basée sur la détection de la signature du défaut et qui utilise une transformation en ondelette adaptée. Il s'agit d'une méthode de détection de forme qui permet non seulement de détecter le défaut intermittent mais aussi de le distinguer des autres types de défauts. La performance de la méthode a été validée par les résultats de simulation et de manipulation. Dans une dernière partie, une étude plus générale sur le suivi de vieillissement des enroulements est proposée. Elle est basée sur le suivi de l'évolution des courbes d'admittance hautes fréquences d'un bobinage au cours du temps en utilisant les fonctions de transfert de ce dernier.