Tesi sul tema "Conception multiphysique"

Le travail de thèse porte sur le développement d’un outil logiciel pour la conception d’actionneurs électromagnétiques. L’outil est fondé sur une méthodologie hybride qui consiste à associer une approche analytique et une approche numérique. L’association des deux approches est mise en œuvre par le couplage d'un outil logiciel commercial (Pro@Design) d'aide à la conception des systèmes modélisables analytiquement à des codes de calcul éléments finis développés au Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP). L’approche analytique permet d’avoir une solution qui répond globalement aux spécifications d’un cahier des charges. La température et les dimensions des matériaux actifs sont calculés simultanément suivant un modèle de couplage fort électromagnétique – thermique mis en œuvre grâce aux expressions analytiques des lois constitutives des milieux qui explicitent l'interdépendance entre les phénomènes magnétique et thermique. L’approche numérique, offre une modélisation fine des phénomènes physiques en accédant aux variables locales et aux variations spatio-temporelles des différentes grandeurs. En intervenant, dans la démarche de conception proposée, en aval du calcul analytique, l'analyse numérique permet d'abord de valider la solution analytique et ensuite de compléter le dimensionnement. Enfin, la réponse de la structure mécanique de l'actionneur à l’excitation des forces magnétiques est déterminée par une analyse harmonique. Le problème magnéto-mécanique est résolu suivant un modèle de couplage faible permettant de profiter de la précision des calculs éléments finis sans pénaliser le temps de calcul
The present work concerns the development of a software tool for the design of electromagnetic actuators. The tool is based on a hybrid methodology associating analytical and numerical approaches. The association is carried out by coupling a commercial software tool (Pro@Desing) for analytical calculation, and a software under developement in the Laboratoire de Génie Electrique de Paris (LGEP) for numerical calculation using the Finite Element Method (FEM). The analytical approach uses a model which deals with global quantities and ensure an overall view of the behaviour of the coupled electromagnetic-thermal phenomena. It permits also to analyse the influence of the different geometrical parameters on the actuator outputs using an optimisation procedure. The temperature and dimensions of the different motor parts are calculated simultaneously. The strong coupled model is based on the materials constituve laws which make explicit the interdependence between electromagnetic and thermal phenomena. The numerical approach deals with local variables and informs about space-time variations of the various quantities. In the considered methodology, the numerical analysis is employed after the analytical one first to validate the analytical solution then to complete the design procedure. At last, the mechanical response of the actuator structure to the magnetic forces excitation is determined by a harmonic analysis. A weak coupled magneto-mechanical model based on the FEM is developed. It allows to benefit from the preciseness of finite element calculation without penalizing the calculation time

Afin d'éviter une opération de remplacement de la batterie d'un dispositif biomédical, nous proposons d'utiliser une technique innovante de rechargement sans fils utilisant des matériaux magnétoélectriques. L'effet magnétoélectrique extrinsèque est principalement issu de la combinaison de deux phénomènes : piézoélectricité et magnétostriction. L'idée est de réaliser une transmission d'énergie sans fils basée sur les techniques d'induction en champ proche : on applique un champ magnétique, le récepteur qui servira de transducteur d'énergie sera composé d'un matériau magnétostrictif, qui, sous l'effet du champ magnétique va se déformer, les contraintes mécaniques sont transmises au matériau piézoélectrique qui se polarise. On mesure alors une tension électrique aux bornes du piézoélectrique qui peut ensuite servir à alimenter ou recharger un dispositif électronique. Cette thèse contribue au développement de cette technique en proposant des pistes d'améliorations de la puissance transmissible afin de pouvoir alimenter des capteurs avec un transducteur le plus petit possible. Pour ce faire, une modélisation par éléments finis 2D est présentée ainsi que des mesures de puissance et le développement du banc de caractérisation associé
In order to avoid surgery for battery replacement or recharge, we propose to use an innovative technique to wirelessly recharge the battery using magnetoelectric materials. The magnetoelectric effect is issued of two combined phenomena: piezoelectricity and magnetostriction. The idea is to achieve a wireless power transmission based on the near magnetic field techniques: the source energy is emitted via a magnetic field and the receptor which will transduce the energy is a magnetoelectric material. The magnetostrictive part of the magnetoelectric transducer is subjected to a stress due to the magnetic field. The stress is transmitted to the piezoelectric part which will produce an electric field. The electric voltage collected from the electrodes of the piezoelectric material will be used to power or recharge electronic devices. This thesis contributes to the development of this technique by proposing improving ways for energy transmission to powering sensors with the smallest transducer possible. An 2D finite element model his presented with power measurements and the characterizing bench associated

Utilisées dans les domaines nucléaire et chimique, les motopompes à rotor noyé sont l'un des moyens les plus sûrs pour pomper des fluides dangereux (radioactifs ou toxiques), couteux et volatils. La motopompe à rotor noyé est une unité compacte intégrant une partie hydraulique et un moteur à induction avec un arbre commun. La particularité du moteur est que deux chemises amagnétiques sont insérées dans l'entrefer pour étanchéifier le rotor des enroulements statoriques. Le fluide pompé passe à travers l’entrefer pour refroidir le moteur et lubrifier les paliers. Les nouvelles normes européennes sur le rendement (normes IEC), l’augmentation de la durée de vie des centrales nucléaires, ainsi que l’augmentation de la sécurité des installations après la catastrophe de Fukushima font que la nouvelle génération des motopompes à rotor noyé doit avoir un meilleur rendement et une meilleure durée de vie tout en remplissant les fonctions de sureté. Le but de cette thèse est de développer un modèle multiphysique combinant les parties électrique et thermique du moteur afin de déterminer le rendement et la durée de vie des moteurs à rotor noyé. L’efficacité du modèle multi-physique et son respect des tendances d’évolution ont été mis en évidence grâce à la comparaison avec les résultats d’essais expérimentaux. Une large campagne d’essais a été effectuée sur différents moteurs prototypes instrumentées. Une analyse de l’influence des paramètres caractérisant les performances électrique et thermique du moteur à rotor noyé a été réalisée et des indications sur la reconception des motopompes à rotor noyé ont été formulées afin d’avoir un meilleur rendement et grande durée de vie
Canned motor pumps are one of the safest ways to pump dangerous (radioactive, toxic), expensive and volatile fluids in nuclear and chemical fields. The canned motor pump is a compact unit integrating a hydraulic part and an induction motor with a common shaft. The special feature of the motor is that two non-magnetic cylindrical tube called “the can” are inserted into the air gap to seal the rotor from the stator windings. The pumped fluid passes through the air gap to cool the motor and lubricates the bearings. The new European standards on the motor efficiency (IEC standards), the increase in the service life of nuclear power plants in France, as well as the increased safety of the nuclear power plant installations after the Fukushima catastrophe are the reasons why canned motor pumps have to be designed with better efficiency and service life while fulfilling safety functions. The purpose of this PhD thesis is to develop a multiphysical model combining the electrical and thermal parts of canned motor to determine the efficiency and service life of canned motor. The reliability of the established multi-physical model has been validated by a comparison with the experimental test results carried out on different instrumented prototype motors. An analysis of the influence of parameters that determine the electrical and thermal performances of the canned motor was carried out and indications on the redesign of canned motor pumps were formulated to have motors with better efficiency and longer service life

L’industrie de la conception d’équipements électroniques traverse une période de transformations rapides, avec des exigences croissantes en termes de performances, de durabilité et de contraintes budgétaires et environnementales. La simulation numérique est devenue essentielle pour relever ces défis, mais elle est souvent limitée par une approche fragmentée qui ne prend pas en compte l’intégration des différents domainesphysiques. Thales SIX, opérant dans des secteurs comme la Défense, la Sécurité et l’Aéronautique, est particulièrement concernée par ces enjeux.Cette thèse propose de développer une méthodologie pour la construction de simulations multiphysiques, permettant de créer des Jumeaux Numériques. Ces Jumeaux Numériques, représentations virtuelles des systèmes réels, intègrent diverses physiques telles que la thermique, la mécanique et l’électromagnétisme et visent à optimiser la conception de produits complexes en prenant en compte les interactions entre ces domaines.La méthodologie de recherche repose sur trois étapes principales :1. Modélisation Système (MBSE - Model-Based System Engineering) : Cette phase implique la création d’une architecture systémique solide, dirigée par un Architecte modélisation système, pour coordonner les différents métiers impliqués et assurer la cohérence de l’approche systémique.2. Réduction de Modèle : Une recherche approfondie sur les techniques de réduction de modèle est menée pour diminuer la taille des simulations 3D, essentielle pour permettre des évaluations rapides et en temps réel.3. Couplage Multiphysique : Cette étape vise à intégrer de manière cohérente les différents aspects physiques pour créer des simulations réalistes, fidèles au comportement des équipements électroniques dans diverses conditions.Les résultats de cette thèse montrent que la méthodologie développée peut améliorer significativement les processus de conception de systèmes complexes, en validant les choix d’architectures physiques, en améliorant les performances des systèmes et en réduisant les coûts et délais de développement. Elle offre également des perspectives prometteuses pour des recherches futures, telles que le développement d’outils spécifiques pour inclure la nouvelle vue d’architecture de simulation dans les outils MBSE, la simplification de la méthodologie et son évaluation sur des cas d’étude plus complexes.En conclusion, cette thèse apporte une contribution importante à la recherche et aux pratiques de l’ingénierie, en proposant une méthodologie innovante pour la création de simulations multiphysiques avancées, essentielles pour relever les défis technologiques et opérationnels de l’industrie de la conception d’équipements électroniques
The electronic equipment design industry is undergoing rapid transformations, characterized by increasing demands for performance, stringent sustainability standards, and growing budgetary and environmental constraints. Numerical simulation has become essential to address these challenges, but it is often limited by a fragmented approach that does not integrate different physical domains. Thales SIX, operating in sectorssuch as Defense, Security, and Aeronautics, is particularly affected by these issues.This thesis proposes the development of a methodology for constructing multiphysical simulations, enabling the creation of Digital Twins. These Digital Twins, virtual representations of real systems, integrate various physical domains such as thermal, mechanical, and electromagnetic, aiming to optimize the design of complex products by considering the interactions between these domains.The research methodology is based on three main stages :1. Model-Based System Engineering (MBSE) : This phase involves creating a robust systemic architecture,led by a Systems Modeling Architect, to coordinate the various involved disciplines and ensure the coherence of the systemic approach.2. Model Reduction : An in-depth investigation of model reduction techniques is conducted to decrease the size of 3D simulations, essential for enabling fast and real-time evaluations.3. Multiphysical Coupling : This stage aims to coherently integrate the different physical aspects to create realistic simulations that accurately reflect the behavior of electronic equipment under various conditions.The results of this thesis demonstrate that the developed methodology can significantly improve the design processes of complex systems by validating physical architecture choices, enhancing system performance, and reducing development costs and time. It also offers promising perspectives for future research, such as the development of specific tools to include the new simulation architecture view in MBSE tools, simplifying the methodology, and evaluating it on more complex case studies.In conclusion, this thesis makes a significant contribution to research and engineering practices by proposing an innovative methodology for creating advanced multiphysical simulations, essential for addressing the technological and operational challenges in the electronic equipment design industry

Les travaux présentés concernent la modélisation analytique et l’optimisation des machines synchrones à aimants devant fonctionner à haute vitesse dans le cadre de la traction partiellement ou totalement hybrides.Toutefois, une telle application cumule des difficultés d’ordre électromagnétique, thermique et mécanique. D’où l’intérêt de la première partie qui s’intéresse à établir un état de l’art des particularités du fonctionnement à haute vitesse. Ensuite, une modélisation analytique multi-physique simplifiée a été mise en œuvre afin de mener une première comparaison entre quatre types de rotors à aimants. Celle-ci a été basée sur une optimisation multi-objectifs de manière à optimiser la vitesse de base tout en améliorant le rendement sur un cycle. Dans l’optique d’atteindre les performances souhaitées, une modélisation fine des interactions multi-physiques a été réalisée. Les verrous s’opposant à cette amélioration sont bien connus et sont principalement liés à la compacité des structures recherchées.Le cœur de la modélisation interactive que nous avons proposée réside dans la modélisation électromagnétique qui, à l’aide d’un calcul par des schémas réluctants maillés, permet de faire un choix entre deux types de commandes : en courant ou en tension. L'augmentation de la vitesse nécessite de s'intéresser sérieusement aux pertes fer et aux pertes mécaniques. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à développer un modèle mécanique qui estime la vitesse maximale de rotation pouvant s’intégrer aisément dans une procédure d’optimisation. La modélisation est ensuite couplée à un algorithme par essaims particulaires selon une méthodologie de conception faisant intervenir l’approche du dimensionnement optimal.Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet ANR AAP TTD « e-MECA » (électromécanique Embarquée à Compacité Améliorée) dont les partenaires sont : Valeo (porteur), SKF, IFPEn, TEMPO, Dynfluid et le SATIE
The work presented concern the analytical modeling and optimization of high speed permanent magnet synchronous machines for Hybrid Electric traction motor.However, such an application accumulates difficulties of electromagnetic, thermal and mechanical order. The first part is interested in establishing a state of the art of the high-speed applications’ particularities. Then, a simplified multiphysic and analytic modeling was implemented to conduct a first comparison between four kinds of PM rotors. This was based on a multi-objective optimization in order to optimize the delivery speed while improving the cycle efficiency. In order to achieve the desired performance, precise multiphysics interactions’ modeling was performed. Bolts opposing this improvement are well known and are mainly related to the compactness of the desired structures.The core of the proposed interactive modeling is the electromagnetic modeling which, using a reluctance network, allows to choose between two kinds of control: current control or voltage control. The high speed constraint requires serious interest to iron and mechanical losses. In this work, we are interested in developing a mechanical model which estimates the maximum speed which can be integrated easily into an optimization procedure. The model is then coupled with a particle swarm algorithm in order to involve the optimal sizing approach.These works join within the framework of the project ANR AAP TTD "e-MECA" (électromécanique Embarquée à Compacité Améliorée) where the partners are: Valeo (project leader), SKF, IFPEn, TEMPO, Dynfluid and SATIE

Dans les complexes industriels, les cahiers des charges sont de plus en plus exigeants en terme de performances et d'optimisation économique des installations de production électrique. Dans certains cas, oncherchera à minimiser les courants de court-circuit pour soulager les organes de coupure ; au contraire dans d'autres cas, on veillera à limiter les chutes de tension transitoires. Les moyens de calcul rapides permettant de dimensionner les machines, basés sur des modèles analytiques n'ont pas toujours la précision nécessaire. Les méthodes de calcul par Eléments Finis permettent d'optimiser des parties locales de la machine, mais deviennent trop lourds d'utilisation s'agissant de dimensionner des équipements pour répondre aux appels d'offre de matériel de moyenne puissance. La méthode proposée par L2EP de Lille et le MPEI de Moscou, basée sur l'emploi des réseaux de perméances, a retenu l'attention de Jeumont SA pour développer un nouveau logiciel dans le cadre du CNRT « Réseaux et Machines du Futur » de Lille. Cette méthode permet de conserver la rapidité d'exploitation et d'améliorer la précision de calcul en adaptant facilement le réseau de perméances à la configuration étudiée. Le travail développé est ouvert aux méthodes d'optimisation ainsi qu'à la prise en compte de régimes dynamiques. Dans ce travail, un modèle de turbo-alternateurs a été présenté, basé sur la méthode de contour de dents. L'outil ?TurboTCM' développé sous Matlab permet de générer de façon automatique le réseau de perméances. Des simulations ont été comparées aux résultats expérimentaux et ont montré la bonne correspondance des résultats. Puis, certaines caractéristiques de sortie sont données montrant les possibilités de l'outil. En réalisant un bon compromis entre le temps de calcul et la précision, nous pouvons envisager le couplage avec des outils d'optimisation. Dans un premier temps, une étude de sensibilité est fournie sachant que celle-ci peut être étendue à n facteurs influents. Les perspectives sont nombreuses sur l'application d'un tel outil. Il nous reste à valider celui-ci sur ?n' turbo-alternateurs de puissances différentes mais aussi avec un nombre de pôles différents. Un de nos objectifs à court terme est de coupler l'outil avec la méthode des plans d'expériences, permettant de considérer un grand nombre de facteurs, une première étape de ?Screening ou criblage' permettant de déduire les facteurs influents.

Depuis la fermeture de Phénix en 2010 le CEA ne possède plus de réacteur au sodium. Vus les enjeux énergétiques et le potentiel de la filière, le CEA a lancé un programme de démonstrateur industriel appelé ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), réacteur d’une puissance de 600MW électriques (1500 MW thermiques). L’objectif du prototype est double, être une réponse aux contraintes environnementales et démontrer la viabilité industrielle :• De la filière RNR-Na, avec un niveau de sureté au moins équivalent aux réacteurs de 3ème génération, du type de l’EPR. ASTRID intégrera dès la conception le retour d’expérience de Fukushima ;• Du retraitement des déchets (transmutation d’actinide mineur) et de la filière qui lui serait liée.La sûreté de l’installation est prioritaire, aucun radioélément ne doit être rejeté dans l’environnement, et ce dans toutes les situations. Pour atteindre cet objectif, il est impératif d’anticiper l’impact des nombreuses sources d’incertitudes sur le comportement du réacteur et ce dès la phase de conception. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse dont l’ambition est le développement de nouvelles méthodes d’optimisation des cœurs des RNR-Na. L’objectif est d’améliorer la robustesse et la fiabilité des réacteurs en réponse à des incertitudes existantes. Une illustration sera proposée à partir des incertitudes associées à certains régimes transitoires dimensionnant. Nous utiliserons le modèle ASTRID comme référence pour évaluer l’intérêt des nouvelles méthodes et outils développés.L’impact des incertitudes multi-Physiques sur le calcul des performances d’un cœur de RNR-Na et l’utilisation de méthodes d’optimisation introduisent de nouvelles problématiques :• Comment optimiser des cœurs « complexes » (i.e associés à des espaces de conception de dimensions élevée avec plus de 20 paramètres variables) en prenant en compte les incertitudes ?• Comment se comportent les incertitudes sur les cœurs optimisés par rapport au cœur de référence ?• En prenant en compte les incertitudes, les réacteurs sont-Ils toujours considérés comme performants ?• Les gains des optimisations obtenus à l’issue d’optimisations complexes sont-Ils supérieurs aux marges d’incertitudes (qui elles-Mêmes dépendent de l’espace paramétrique) ?La thèse contribue au développement et à la mise en place des méthodes nécessaires à la prise en compte des incertitudes dans les outils de simulation de nouvelle génération. Des méthodes statistiques pour garantir la cohérence des schémas de calculs multi-Physiques complexes sont également détaillées.En proposant de premières images de cœur de RNR-Na innovants, cette thèse présente des méthodes et des outils permettant de réduire les incertitudes sur certaines performances des réacteurs tout en les optimisant. Ces gains sont obtenus grâce à l’utilisation d’algorithmes d’optimisation multi-Objectifs. Ces méthodes permettent d’obtenir tous les compromis possibles entre les différents critères d’optimisations comme, par exemple, les compromis entre performance économique et sûreté
Since Phenix shutting down in 2010, CEA does not have Sodium Fast Reactor (SFR) in operating condition. According to global energetic challenge and fast reactor abilities, CEA launched a program of industrial demonstrator called ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), a reactor with electric power capacity equal to 600MW. Objective of the prototype is, in first to be a response to environmental constraints, in second demonstrates the industrial viability of:• SFR reactor. The goal is to have a safety level at least equal to 3rd generation reactors. ASTRID design integrates Fukushima feedback;• Waste reprocessing (with minor actinide transmutation) and it linked industry.Installation safety is the priority. In all cases, no radionuclide should be released into environment. To achieve this objective, it is imperative to predict the impact of uncertainty sources on reactor behaviour. In this context, this thesis aims to develop new optimization methods for SFR cores. The goal is to improve the robustness and reliability of reactors in response to existing uncertainties. We will use ASTRID core as reference to estimate interest of new methods and tools developed.The impact of multi-Physics uncertainties in the calculation of the core performance and the use of optimization methods introduce new problems:• How to optimize “complex” cores (i.e. associated with design spaces of high dimensions with more than 20 variable parameters), taking into account the uncertainties?• What is uncertainties behaviour for optimization core compare to reference core?• Taking into account uncertainties, optimization core are they still competitive? Optimizations improvements are higher than uncertainty margins?The thesis helps to develop and implement methods necessary to take into account uncertainties in the new generation of simulation tools. Statistical methods to ensure consistency of complex multi-Physics simulation results are also detailed.By providing first images of innovative SFR core, this thesis presents methods and tools to reduce the uncertainties on some performance while optimizing them. These gains are achieved through the use of multi-Objective optimization algorithms. These methods provide all possible compromise between the different optimization criteria, such as the balance between economic performance and safety

Cette thèse se concentre sur la conception de moteurs à aimants permanents à haute vitesse et faible puissance, spécifiquement destinés à l'entraînement d'un compresseur contrarotatif. L'objectif principal est de garantir une intégration directe et compacte du moteur, tant en termes de longueur que de volume, dans les roues du compresseur. Pour répondre à ces exigences, plusieurs topologies de moteurs à flux axial, à flux radial, ainsi qu'une structure novatrice à entrefer conique, ont été modélisées et évaluées. Ces évaluations incluent une analyse approfondie des performances électromagnétiques et thermiques, visant à maximiser le rendement des moteurs à haute vitesse. Une attention particulière a été portée à l'étude des pertes électromagnétiques, qui deviennent significatives à ces vitesses élevées, pour chacune des topologies considérées. En parallèle, des analyses mécaniques détaillées ont été réalisées sur des rotors discoïdes, peu documentés dans la littérature, ainsi que sur des rotors cylindriques, afin de caractériser leur comportement mécanique à une vitesse de rotation de 90 000 tr/min. Les contraintes liées à la fabrication ont orienté le choix final vers une topologie à flux radial, dont le prototypage est actuellement en cours
This thesis focuses on the design of high-speed, low-power permanent magnet motors specifically intended for driving a counter-rotating compressor. The primary objective is to ensure direct and compact integration of the motor, both in terms of length and volume, within the compressor wheels. To meet these requirements, several motor topologies—axial flux, radial 268 flux, and an innovative conical airgap structure—were modeled and evaluated. These evaluations included an in-depth analysis of electromagnetic and thermal performance, aimed at maximizing motor efficiency at high speeds. Particular attention was given to the study of electromagnetic losses, which become significant at these high speeds, for each of the considered topologies. In parallel, detailed mechanical analyses were conducted on disc-shaped rotors, which are sparsely documented in the literature, as well as on cylindrical rotors, to characterize their mechanical behavior at a rotational speed of 90,000 rpm. Manufacturing constraints ultimately led to the selection of the radial flux topology, which is currently under prototyping

La simulation numérique occupe une part de plus en plus importante dans les phases de conception mais aussi de validation de systèmes innovants. Dans le cadre de la conception d’une chaîne de traction d’un véhicule électrique, la simulation numérique peut par exemple être employée pour choisir une technologie de moteur électrique ou encore pour mettre au point des stratégies de pilotage au regard de critères de décision tels que l’autonomie du véhicule, son coût mais aussi sa performance.Les systèmes devenant de plus en plus complexes, ils requièrent des simulations de plus en plus fines afin d’appréhender au mieux les phénomènes qu’ils mettent en œuvre - par exemple l’étude des pertes fer dans une machine électrique. L’utilisation de simulations 3D permet d’avoir des résultats très précis à l’échelle d’un organe mais ne se prête pas encore aujourd’hui à l’étude de systèmes de grande taille (c’est-à-dire avec beaucoup de degrés de liberté, de nombreux paramètres d’optimisation et plusieurs domaines de la Physique en jeu). En effet, les simulations 3D sont d’autant plus coûteuses en temps de calcul que le modèle à étudier contient de degrés de liberté. C’est pourquoi, depuis quelques années les techniques de réduction de modèles attisent les développements. En effet, elles permettent de garantir un bon compromis entre le temps de calcul et la précision des résultats produits par les modèles réduits.Nous nous intéressons ici à l’utilisation de ces techniques dans un contexte industriel autour de deux axes : - l’étude de phénomènes thermiques (dans les modules d’électronique de puissance) - l’étude de phénomènes électromagnétiques (dans les machines électriques)
Numerical simulations are widely used during the design phase of a product but also for the validation of an innovative system. For example, during the conception of an electric vehicle’s powertrain, numerical simulations can be used to select the appropriate electric engine technology or for the development of control strategies taking into account decision criteria such as vehicle’s autonomy, but also its cost and performance.System’s complexity is always increasing, so they require more and more precise simulations in order to better understand the phenomena involved - for example to study iron losses in an electric engine. 3D simulations provide very accurate results to study a body but are still not appropriate today for the study of large scale systems (ie. with many degrees of freedom, many optimization parameters and several areas of Physics). Indeed, 3D simulations computing time cost is directly linked with the number of degrees of freedom. That’s why, in recent years, model order reduction techniques stir developments because they guarantee a good compromise between the computation time and accuracy of results produced by these models.In this study, we are interested in techniques that can be used in an industrial context around two axes: - the study of thermal phenomena (in the power electronics modules) - the study of electromagnetic phenomena (in electric engines)

La conception des microproduits est une activité muludisciplinaire faisant fréquemment appel à la mise en œuvre de plusieurs principes physiques couplés Différents acteurs interviennent au cours du processus de conception du produit: spécialistes des principes physiques mis en œuvre, experts de procédés de fabncations, etc. Ces acteurs dOivent lOliaborer selon les pnnclpes de la conception IIltegrée dans le tout au long de son cycle de vie. Le concept de modèle-produit a été développé dans le cadre de la conception d'un "macro" produit pour pennettre l'intégration de l'ensemble des expertises métiers intervenant sur le cy cie de vie du produit. Il nous semble donc pertinent d'évaluer dans quelle mesure ce concept pourrait convenir pour la conception de mlcroproduits. Aprés avoir souligné les limiles des modéles existants, la difficulté de les utiliser pour supporter l'étroite collaboration entre les experts des différents principes physiques mis en œuvre el la gestion des couplages multiphysiques, nous présentons les concept nécessaires à l'élaboration d'un modèle dédié aux microproduits Le modèle mis en place et son application à la conception de deux microproduits (un MEMS switch RF et un systeme microfluidique) sont finalement presentes
Microproduct design is a multidisciplinary task wlllch most of the lime rl'qulres 10 couple several physical princip les to obtain the right product behaviour. Various actors are involved throughollt the produet design process physical principles and manufacturing processes experts for instance. Theses actors have 10 collaborate in aecordanee wlth inlegraled deSign princlples lf1 order to design high-perÛ)rmance products along its entire life cycle. Product-model concept has been developed tor the design ofmacro products m order to enable the integration of the whole communitv of experts throughout the producl lifecycle. Therefore assessmg the rclevance oflhis ClJl1Cept to the design ofmicroproducts seems pertinent. To do so the limits existing models are first highlighted, as weil as the ll1tliculty ofaprh mg Ihem as a support for close collaboration between physical principal experts 1 and the conrrol ofmultiphysical coupling. L'hen the concepts requlred for Ihe claboration ofa nllcroproducts dedicated model are presented The implemented model and its application onto the design oftw[\ Inlcroproducts la MEMS switch RI and a microfluidie deYice) are finally presented and discussed

La conception des microproduits est une activité multidisciplinaire faisant fréquemment appel à la mise en oeuvre de plusieurs principes physiques couplés. Différents acteurs interviennent au cours du processus de conception du produit : spécialistes des principes physiques mis en oeuvre, experts des procédés de fabrications, etc. Ces acteurs doivent collaborer selon les principes de la conception intégrée dans le but de concevoir un produit performant tout au long de son cycle de vie. Le concept de modèle-produit a été développé dans le cadre de la conception d'un "macro" produit, pour permettre l'intégration de l'ensemble des expertises métiers intervenant sur le cycle de vie du produit. Il nous semble donc pertinent d'évaluer dans quelle mesure ce concept pourrait convenir pour la conception de microproduits. Après avoir souligné les limites des modèles existants, la difficulté de les utiliser pour supporter l'étroite collaboration entre les experts des différents principes physiques mis en oeuvre et la gestion des couplages multiphysiques, nous présentons les concepts nécessaires à l'élaboration d'un modèle dédié aux microproduits. Le modèle mis en place et son application à la conception de deux microproduits (un MEMS switch RF et un système microfluidique) sont finalement présentés.

De nos jours, les évolutions technologiques imposent aux ingénieurs de modéliser desphénomènes toujours plus multiphysiques et complexes tout au long du processus dedéveloppement d'un système : le cycle en V. Pour cela, il est primordial d'avoir à disposition desoutils adaptés et performants, afin de réduire les temps de mise sur le marché, tout en obtenantdes produits plus matures et plus économes en énergie. Les travaux présentés ici décrivent lamise en place d'une plate-forme de prototypage virtuel et l'intérêt d'intégrer des considérationsénergétiques dans toutes les étapes de la modélisation. Cette approche permet, par exemple, dequantifier l'efficacité d'un système et de ses composants, et donc d'optimiser au plus tôt le coûténergétique d'une solution technique. Nous avons, dans un second temps, souhaité répondre àla problématique du " modèle le plus adapté ". Après analyse des différentes méthodes deréduction de modèles, nous avons décidé de développer la méthode PEMRA permettant depallier les limitations de la méthode MORA, introduite par Louca et al. en 1997. Les variables depuissance et d'énergie introduites précédemment sont utilisées pour calculer deux nouveauxcritères dans le processus de réduction de modèles, permettant de converger vers un modèleréduit plus simple et plus précis qu'avec la méthode MORA. Nous montrons enfin qu'enchoisissant judicieusement le signal d'excitation et un critère dit de précision temporelle adapté, ilest possible, par une approche innovante à la fois énergétique et fréquentielle, de trouver unmodèle réduit mieux adapté aux exigences imposées par l'utilisateur.

Dans cette thèse nous proposons l'analyse par l'expérimentation de l'effet de la charge sur les propriétés statistiques du champ électromagnétique mesuré dans le volume utile de la chambre réverbérante à brassage de modes (CRBM) ; mais aussi, le développement d'une nouvelle application de la CRBM permettant de réaliser des tests d'immunité rayonnée en conjuguant le stress thermique à l'agression électromagnétique. Dans un premier temps, nous nous intéressons à l'évaluation des principaux paramètres de calibrage dans le cas d'une chambre vide ou en présence d'un ou de plusieurs objets dissipatifs. Une attention particulière a été réservée au nombre de positions d'antenne choisi pour le relevé des mesures. En effet, les normes en vigueur traitant des mesures en chambre réverbérante apportent très peu d'explications quant au nombre de positions d'antenne requis, et un minimum d'informations sur l'influence de la charge sur le comportement électromagnétique de la chambre. Les lois de distribution des mesures de champ et de puissance, relevées au sein du volume de travail, sont évaluées à l'aide de tests statistiques d'ajustement (goodness-of-fit tests). Nous mettons en évidence de manière expérimentale la dégradation de l'indépendance des échantillons relevés sur un tour de brasseur après introduction d'objets dissipatifs faisant paraitre un meilleur ajustement des distributions statistiques aux lois de distributions idéales. Cette confusion est la source d'interprétations erronées quant à l'amélioration des propriétés statistiques du champ en CRBM en dessous de sa fréquence minimale d'utilisation. Nous apportons également un éclaircissement sur le nombre minimal de positions d'antenne à respecter pour les mesures en CRBM. Dans un second temps, nous mettons en œuvre un protocole expérimental permettant une meilleure compréhension de la variation de la charge en fonction des paramètres physiques ou position spatiale des objets introduits dans la CRBM. Cette investigation apporte des réponses sur la façon dont un équipement sous test charge la chambre, et met en évidence la relation entre la charge et la section efficace d'absorption de l'objet au lieu de son volume. Les études scientifiques récentes, préconisant de ne pas dépasser le ratio de 8% du volume total de la chambre pour l'équipement sous test, s'avèrent incomplètes. En effet, le paramètre du volume uniquement est insuffisant pour déterminer la quantité de charge. Dans un troisième temps, nous présentons une application des mesures en CRBM dans un contexte CEM (compatibilité électromagnétique) et mesures multiphysiques. Le développement d'un banc de test intégrable à la CRBM sans modifier notablement les propriétés statistiques du champ électromagnétique généré, en se basant en partie sur les résultats issus de cette thèse, permet notamment d'adapter celle-ci aux essais multiphysiques répondant aux exigences de qualification d'équipements mécatroniques intégrés dans les véhicules. Nous montrons les résultats de mesures d'immunité rayonnée d'un équipement automobile soumis au stress thermique et l'investigation de l'influence de la température sur l'immunité rayonnée de cet équipement.

De nombreuses études récentes ont montré la présence de quantités élevées de polluants à l'intérieur de l'habitacle automobile. La solution proposée pour pallier ce problème est l'élaboration d'un capteur de gaz capable de détecter les polluants pénétrant à l'intérieur du véhicule, engendrant la fermeture des volets d'aération lors de l'observation d'un pic de pollution. Les micro-capteurs chimiques à oxydes métalliques sont les meilleurs candidats pour résoudre cette problématique : ils présentent une grande sensibilité à de nombreux gaz, des temps de réponse rapides, et leur coût de production est faible. Leur principal défaut est un manque de sélectivité. Les travaux de recherches effectués ont consisté à mettre au point un micro-dispositif intégrant un réseau multicapteur de gaz à détection conductimétrique : sur une même puce micro-usinée en silicium sont intégrées plusieurs couches sensibles différentes, visant à détecter sélectivement plusieurs gaz : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde d'azote (NO2), l'ammoniac (NH3), l'acétaldéhyde (C2H4O) et le sulfure d'hydrogène (H2S). Pour se faire, trois axes d'études principaux se sont dégagés. La première partie de cette étude s'est portée sur la conception des micro-plateformes chauffantes à l'aide d'un outil de simulations numériques multiphysiques, pour optimiser, d'une part leur structure et leur géométrie afin d'atteindre les performances thermiques escomptées (optimisation du rendement thermoélectrique et minimisation d'interaction d'une cellule à l'autre), et d'autre part les performances thermomécaniques compte tenu de la possibilité d'utiliser un mode de fonctionnement des capteurs en transitoires thermiques rapides. Le modèle obtenu a été validé par comparaison à des mesures physiques. Celui-ci nous a permis d'améliorer le comportement thermique à la surface de la membrane et de réduire les coûts de fabrication en simplifiant le design. La fabrication en centrale technologique de la plateforme multicapteurs a ensuite été réalisée en tenant compte des améliorations proposées par la modélisation. Une étude spécifique sur l'intégration dans le procédé d'une technique industrielle des dépôts des matériaux sensibles par jet d'encre a été menée. Nous avons ainsi mis au point une méthode permettant de déposer rapidement et à bas coûts plusieurs couches sensibles (ZnO, CuO et SnO2) sur une même structure de détection. Enfin, nous avons procédé à l'élaboration d'un système décisionnel, comprenant deux éléments : la mise au point d'un profil optimisé de contrôle des résistances chauffantes et sensibles permettant d'améliorer la sensibilité, la sélectivité et la stabilité, et une analyse multivariée des données. Il a de ce fait été possible de détecter sélectivement la plupart des gaz ciblés (seuls et mélangés) à de faibles concentrations (0,2 ppm de NO2, 2 ppm de C2H4O, 5 ppm de NH3 et 100 ppm de CO)
Many recent studies have shown the presence of high amounts of pollutants inside the car cabin. The proposed solution for this problem is the development of a gas sensor capable of detecting pollutants entering in the vehicle, resulting in the closing of vents in the case of a pollution peak. Metal-oxides chemical micro-sensors are the best candidates to solve this problem: they are highly sensitive to many gases, fast response times, and their production cost is low. Their main drawback is a lack of selectivity. The research work consisted of developing a micro-device incorporating a gas multi-sensor array based on conductivity detection: different sensitive layers are integrated on a single silicon micro-machined chip, in order to selectively detect several gases: carbon monoxide (CO), carbon dioxide nitrogen (NO2), ammonia (NH3), acetaldehyde (C2H4O) and hydrogen sulfide (H2S). To do this, three main areas of research have emerged. The first part of this study focused on the design of the heating micro-platforms using a multiphysics simulations tool to optimize, on the one hand, their structure and geometry to achieve the expected thermal performances (thermoelectric efficiency optimization and minimizing interaction of a cell to another), and on the other hand, the thermo-mechanical performance given the possibility to use sensors in a fast thermal transient mode. The resulting model was validated by comparison with physical measurements. This has allowed us to improve the thermal behavior of the membrane surface and reduce manufacturing costs by simplifying the design. The manufacturing in clean room of the multisensor platform was then performed taking into account the improvements proposed by the modeling. A specific study on the integration process of an industrial technique to deposit sensitive materials by inkjet was conducted. A method for depositing quickly and at low costs several sensitive layers (ZnO, CuO and SnO2) on a single sensing structure has been developed. Finally, we proceeded to develop a decision-making system, including two elements: the development of an optimized profile to control the heating and sensitive resistors to improve the sensitivity, selectivity and stability, and a data multivariate analysis. It has therefore been possible to selectively detect most of the target gas (alone and mixed) at low concentrations (NO2-0. 2ppm, C2H4O-2ppm, NH3-5ppm and CO-100ppm)

L’objectif de cette étude est de développer une alimentation multisources exploitant la complémentarité batterie/supercondensateurs pour gagner en masse sur le stockage de l’énergie électrique embarquée à bord des aéronefs et des véhicules spatiaux. L’étude se déroule en trois parties :Dans la première partie, un outil d’aide à la décision permettant développer une alimentation hybride pour une application donnée est présenté. Cet outil a pour but d’estimer la masse optimale d’une alimentation hybride à partir des seules informations d’énergies spécifiques et puissances spécifiques des sources candidatesLa deuxième partie de l’étude s’appuie sur la complémentarité d’une étude bibliographique sur le comportement interne des supercondensateurs, couplée avec une campagne expérimentale de caractérisation et de vieillissement des supercondensateurs, pour construire et identifier les modèles multiphysiques de références commerciales de supercondensateurs nécessaires à l’optimisation fine du dimensionnement de l’alimentation hybride.À partir du modèle des sources, la troisième et dernière partie de cette étude a pour objectif de présenter la conception d’une architecture électrique répondant au besoin. En particulier, l’alimentation hybride proposée dans cette partie exploite dynamiquement et au maximum de leur capacité chacune des deux sources, tout en prenant soin de ne pas les contraindre excessivement. De par cette manière de faire, on se prémunit contre d’éventuelles défaillances des sources liées à leur utilisation abusive
The aim of this study is to develop an hybrid power supply using the complementarities between batteries and supercapacitors in order to improve the mass of electrical storage systems on aircrafts and spacecrafts.The study is divided into three parts: In the first part, a decision-making tool to develop a hybrid power supply given a mission profile is presented. Thanks to this tool, an estimation of the optimal mass of the hybrid power supply is done based only on the specific energy and the specific power of the sources.The second part is firstly composed of a synthesis of bibliography results on the internal behavior of supercapacitors; secondly an experimental test campaign is described. Its aim is characterizing, modeling and identifying the multiphysics behavior and ageing of supercapacitors on several commercial references. Those models are required for the fine sizing optimization of the hybrid power supply. Basing on the internal model of the sources, the aim of the third part of this study is to present the development of an hybrid architecture battery/supercapacitors which fulfills the electrical need for a specific application. This hybrid power supply takes dynamically advantage of the electrical sources at the maximum of their possibilities, but without overstressing them at the same time. Thanks to that, the aging rate of the sources and the failure rate of the system are limited

De nombreuses études récentes ont montré la présence de quantités élevées de polluants à l'intérieur de l'habitacle automobile. La solution proposée pour pallier ce problème est l'élaboration d'un capteur de gaz capable de détecter les polluants pénétrant à l'intérieur du véhicule, engendrant la fermeture des volets d'aération lors de l'observation d'un pic de pollution. Les micro-capteurs chimiques à oxydes métalliques sont les meilleurs candidats pour résoudre cette problématique : ils présentent une grande sensibilité à de nombreux gaz, des temps de réponse rapides, et leur coût de production est faible. Leur principal défaut est un manque de sélectivité. Les travaux de recherches effectués ont consisté à mettre au point un micro-dispositif intégrant un réseau multicapteur de gaz à détection conductimétrique : sur une même puce micro-usinée en silicium sont intégrées plusieurs couches sensibles différentes, visant à détecter sélectivement plusieurs gaz : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde d'azote (NO2), l'ammoniac (NH3), l'acétaldéhyde (C2H4O) et le sulfure d'hydrogène (H2S). Pour se faire, trois axes d'études principaux se sont dégagés. La première partie de cette étude s'est portée sur la conception des micro-plateformes chauffantes à l'aide d'un outil de simulations numériques multiphysiques, pour optimiser, d'une part leur structure et leur géométrie afin d'atteindre les performances thermiques escomptées (optimisation du rendement thermoélectrique et minimisation d'interaction d'une cellule à l'autre), et d'autre part les performances thermomécaniques compte tenu de la possibilité d'utiliser un mode de fonctionnement des capteurs en transitoires thermiques rapides. Le modèle obtenu a été validé par comparaison à des mesures physiques. Celui-ci nous a permis d'améliorer le comportement thermique à la surface de la membrane et de réduire les coûts de fabrication en simplifiant le design. La fabrication en centrale technologique de la plateforme multicapteurs a ensuite été réalisée en tenant compte des améliorations proposées par la modélisation. Une étude spécifique sur l'intégration dans le procédé d'une technique industrielle des dépôts des matériaux sensibles par jet d'encre a été menée. Nous avons ainsi mis au point une méthode permettant de déposer rapidement et à bas coûts plusieurs couches sensibles (ZnO, CuO et SnO2) sur une même structure de détection. Enfin, nous avons procédé à l'élaboration d'un système décisionnel, comprenant deux éléments : la mise au point d'un profil optimisé de contrôle des résistances chauffantes et sensibles permettant d'améliorer la sensibilité, la sélectivité et la stabilité, et une analyse multivariée des données. Il a de ce fait été possible de détecter sélectivement la plupart des gaz ciblés (seuls et mélangés) à de faibles concentrations (0,2 ppm de NO2, 2 ppm de C2H4O, 5 ppm de NH3 et 100 ppm de CO).

Cette thèse porte sur le thème général de la fiabilité des circuits microélectroniques. Le but de notre travail fut de développer un outil de simulation multi-physiques pour la conception des circuits intégrés fiables qui possède les caractéristiques innovatrices suivantes : • (i) L’intégration dans un environnement de conception microélectronique standard, tel que l’environnement Cadence® ; • (ii) La possibilité de simulation, sur de longues durées, du comportement des circuits CMOS analogiques en tenant compte du phénomène de vieillissement ; • (iii) La simulation de plusieurs physiques (électrique-thermique-mécanique) couplées dans ce même environnement de CAO en utilisant la méthode de simulation directe. Ce travail de thèse a été réalisé en passant par trois grandes étapes traduites par les trois parties de ce manuscrit
This thesis was carried out under the theme of the microelectronics Integrated Circuits Reliability. The aim of our work was to develop a multi-physics simulation tool for the design of reliable integrated circuits. This tool has the following innovative features : • (i) The integration in a standard microelectronics design environment, such as the Cadence® environment ;• (ii) The possibility of efficient simulation, over long periods, of analog CMOS circuits taking into account the aging henomenon ; • (iii) The simulation of multiple physical behaviours of ICs (electrical-thermalmechanical) coupled in the same environment using the direct simulation method. This work was carried out through three main stages detailed in the three parts of this Manuscript

En automobile, les suspensions semi-actives à base de fluides magnétorhéologiques (MR) proposent un compromis très intéressant entre des performances élevées et une Consommation électrique faible. Par le contrôle et l'ajustement de leurs paramètres d'amortissement, elles permettent de réaliser une optimisation en temps réel du comportement sur une large bande de fréquences de sollicitations. Cette technologie utilise les fluides MR dont la viscosité augmente sous l'action d'un champ magnétique, en quelques ms. Ce mémoire présente la conception et le dimensionnement d'un amortisseur MR ainsi que le banc de test associé. La caractérisation dynamique et statique de l'amortisseur a été effectuée. L'évaluation expérimentale de la force d'amortissement en fonction des grandeurs dynamiques et électriques a été mesurée et comparée au modèle théorique utilisé dans la phase de conception. Le comportement en régime statique de l'amortisseur a été modélisé par un modèle de Bingham et le comportement dynamique par un modèle de Bouc-Wen. La dernière partie de l'étude concerne la mise en place et la validation de plusieurs lois de contrôle pour les suspensions semi-actives, notamment de nouvelles lois basées sur l'inversion du modèle REM. Une comparaison des performances en termes de confort et de consommation électrique de chaque loi est présentée. Ces nouvelles lois de contrôle ont montré de très bonnes performances tout en réduisant la consommation électrique par rapport aux autres lois déjà existantes.