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

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

Les travaux de recherches menés dans cette thèse concernent la modélisation et l'optimisation de l'alternateur synchrone à griffes utilisé dans les véhicules mild-hybrid. Ce dernier voit son utilisation élargie à la fonction d'assistance de traction au moteur thermique et de récupération d'énergie dans les phases de freinage. La structure spéciale du rotor rend nécessaire l'utilisation de modèles éléments finis 3D pour modéliser finement les effets tri-dimensionnels. Ces derniers requièrent une utilisation intensive des ressources informatiques (RAM, temps CPU) qu'il est crucial de réduire pour envisager une démarche d'optimisation de dispositifs magnétiques. Dans ce contexte, l'utilisation d'une plateforme de modélisation ouverte Gmsh et GetDP, permettant l'implémentation de géométries et de formulations appropriées, a abouti au développement de modèles précis et suffisamment rapides pour être intégrés dans des algorithmes d'optimisation. L'originalité de cette démarche de modélisation consiste à hybrider une approche numérique (éléments finis 3D) et une approche semi-analytique (réseau de perméances) de sorte que l'usage des éléments finis 3D soit réduit aux zones où le champ magnétique est tri-dimensionnel. Enfin, le choix d'un algorithme d'optimisation adapté aux modèles numériques (boîte noire à fort coût d'évaluation) a permis de développer un outil de pré-dimensionnement et de dimensionnement des machines synchrones à griffes en vue de l'obtention d'une géométrie optimisée en réponse à un cahier des charges industriel.

La révolution technologique majeure des nouveaux aéronefs repose sur une électrification intensive de nombreux constituants de l'appareil et le fait que la vitesse des génératrices électriques n'est plus fixe mais variable. Cette nouvelle manière de générer la puissance électrique engendre des variations de tension sur les réseaux DC. De plus, pour accroître la compacité des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) à puissance donnée, on augmente autant que possible leur vitesse d'entrainement, en les associant pour certaines applications à des réducteurs mécaniques. La variation du niveau de tension du bus DC alimentant une MSAP haute vitesse implique son dimensionnement afin d'assurer sa contrôlabilité sur toute la plage de vitesse reportant d'importantes contraintes sur l'onduleur de tension. Pour palier ce problème, une solution consiste à intercaler un convertisseur DC/DC entre le filtre d'entrée et l'onduleur de tension pour maintenir la tension DC d'entrée de l'onduleur à une valeur adaptée au fonctionnement de la MSAP et optimiser son dimensionnement. Cependant, cette solution augmente l'ordre du système, ce qui accroît la complexité de son contrôle, accentuée par les contraintes liées à la nature haute-fréquence des MSAP considérées. Les travaux menés dans cette thèse concernent l'étude, l'optimisation et le contrôle des structures d'alimentation des actionneurs haute vitesse connectés aux réseaux DC avioniques à tension variable. Il en résulte que pour les applications avioniques considérées, ces architectures d'alimentation intégrant un convertisseur DC/DC supplémentaire permettent de réduire sa masse et son volume sans dégrader le rendement global de la chaîne de conversion notamment avec les convertisseurs à source impédante qui permettent de supprimer structurellement les ondulations de courant en entrée du convertisseur. De plus, des stratégies de commande Pulse Amplitude Modulation employées avec des architectures de contrôle non-linéaires (platitude, passivité) permettent d'assurer le contrôle de ces MSAP haute-vitesse tout en assurant leur stabilité sur toute la plage de fonctionnement.

Nous proposons l'étude d'une machine supraconductrice à flux axial composée d'un stator bobiné en cuivre et d'un inducteur avec des solénoïdes supraconducteurs à hautes températures critiques (HTc). Ce type de machine est adapté pour des applications, de fortes puissances (plusieurs MW) avec de faibles vitesses de rotation (quelques centaines de tr/min), comme la propulsion de navire. Un accouplement magnétique, intégré au moteur, est utilisé pour transmettre le couple de l'inducteur supraconducteur vers la charge à température ambiante sans contact. On peut ainsi se passer des « torques tubes » qui sont habituellement présents dans les moteurs supraconducteurs pour relier mécaniquement l'inducteur à la charge et ainsi réduire les pertes thermiques par conduction. De plus, les accouplements magnétiques offrent une protection naturelle contre les surcharges mécaniques Pour évaluer les performances de la solution proposée, nous avons développé un modèle analytique en 3D prenant en compte le comportement non linéaire des supraconducteurs en fonction du champ magnétique appliqué et de la température de fonctionnement. Ce modèle est ensuite intégré dans un processus de dimensionnement utilisant un algorithme génétique multiobjectifs. Les résultats de cette optimisation montrent un gain en compacité 2 à 3,5 fois plus importants par rapport à des machines conventionnelles. Un prototype de machine supraconductrice à flux axial avec accouplement magnétique intégré est aussi réalisé. La conception, la fabrication et les tests sont présentés dans ce manuscrit. Tous les résultats sont validés par des calculs par éléments finis.