Choix UE Parc. EMA Parcours Impact Entrepreneurship

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La conception des machines électriques vise principalement à satisfaire les spécifications de couple, de vitesse ou de position pour répondre à une application. Il existe cependant de multiples phénomènes pouvant significativement impactés le dimensionnement. Des phénomènes vibratoires, thermiques ou bien encore électromagnétiques interviennent. Une connaissance avancée de ces phénomènes permet ainsi leur prise en considération.

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Ce cours introduit la magnétohydrodynamique (MHD), discipline à l'interface entre la mécanique des fluides et l'électromagnétisme. En s'appuyant sur les acquis des années précédentes, les étudiants y étudient les équations fondamentales de la MHD, les phénomènes clés tels que l'effet Hartmann et les ondes d'Alfvén, ainsi que les principales applications industrielles. Une initiation à la simulation numérique complète l'enseignement.

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Les étudiants apprendront à établir des modèles analytiques pour décrire le comportement dynamique des machines, en tenant compte des interactions entre le champ magnétique, la mécanique du rotor et les courants électriques. L’accent sera mis sur l’étude des effets de l'asynchronisme, du glissement et des pertes dans les performances globales des moteurs. Les étudiants développeront des compétences pour résoudre ces modèles à l’aide de méthodes analytiques et comprendre l’impact des différentes configurations et conditions de fonctionnement. Enfin, des études de cas et des simulations pratiques permettront de valider les modèles théoriques et d’appliquer ces connaissances à l’optimisation des machines asynchrones dans des applications industrielles.

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Le cours "Modélisation numérique par les éléments finis" permettra d'aborder les différents éléments suivants :

• la modélisation / mise en équations du problème : choix de la bonne EDP, de la bonne variable, des bonnes conditions aux limites suivant le dispositif à l'étude;
• l'utilisation des éléments finis nodaux pour la discrétisation des potentiels scalaires notamment;
• l'utilisation des éléments finis vectoriels pour la discrétisation des potentiels vecteurs ou des champs E, H, B, D par exemple;
• l'utilisation de formulations couplés à plusieurs champs (utiles quand on a des matériaux différents / ou que l’on veut coupler des phénomènes physiques);
•    des notions compléments complémentaires concernant notamment le traitement des matériaux non-linéaires, le calcul de grandeurs de type forces, les conditions aux limites équivalentes (pour éviter de mailler certains matériaux ou de grands volumes d'air).

Des séances de Bureau d'études permettront de mettre en œuvre ces notions sur un outil « libre » de calcul par éléments finis.

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Ce cours présente les stratégies de commande avancées appliquées aux machines électriques, avec un accent sur la robustesse, le rendement et la précision. Les étudiants y aborderont les principales méthodes de commande optimale et leurs défis d'intégration dans des systèmes industriels complexes. Des études de cas et des simulations viennent consolider les acquis théoriques en les appliquant à des projets concrets.

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Ce cours introduit les techniques d’optimisation globale basées sur des approches stochastiques et métaheuristiques, aujourd’hui largement utilisées dans la conception avancée des machines électriques et des actionneurs. Après une présentation des problématiques de dimensionnement (modèles électromagnétiques, contraintes géométriques et thermiques, fonctions objectif multicritères), le cours détaille les grandes familles de métaheuristiques : recuit simulé, recherche tabou, VNS, algorithmes génétiques et stratégies multistart. Les principes, réglages des paramètres, mécanismes d’exploration/exploitation et critères d’arrêt sont explicités à travers de nombreux exemples. Une part importante du cours est consacrée à l’intégration de ces méthodes avec des modèles physiques ou numériques (FEM, modèles analytiques, surrogate modeling, approches multi-fidélité), ainsi qu’aux stratégies pour réduire les coûts de calcul dans des problèmes de conception industriels. Des études de cas complètes sur des moteurs synchrones avec aimants, permettent de relier les aspects théoriques à des applications concrètes. L’objectif final est de donner aux étudiants une maîtrise opérationnelle des métaheuristiques pour résoudre des problèmes de conception réalistes, fortement non convexes, et pouvant être bruités ou multimodaux.

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Les étudiants apprendront à créer des modèles numériques détaillés de machines telles que les moteurs, générateurs et transformateurs en utilisant les outils de simulation électromagnétiques du logiciel. L’accent sera mis sur l’analyse des champs magnétiques, des pertes par courant de Foucault et de l’interaction entre les composants mécaniques et électriques au sein de la machine. Les étudiants acquerront également des compétences pour optimiser la conception des machines en fonction des résultats de simulation, en améliorant leur efficacité, leur rendement et leur fiabilité. Enfin, des travaux pratiques et des études de cas leur permettront d'appliquer ces techniques à des projets industriels réels, renforçant ainsi leur maîtrise des outils de simulation numérique dans le domaine des machines électriques.

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2 volumes de cours magistraux :  architecture et contrôle (3 * 1h45)

- HP composants semiconducteurs (2 * 1h45)

- MC 
1 Bureau d'étude (2 *3h30), s'appuyant sur l'utilisation et l’amélioration d'un modèle de simulation (logiciel PLECS):  

 + étude de l'architecture et une implémentation de la commande d'un drive (machine synchrone à aimant permanent)    

+ étude et dimensionnement de l'étage de filtrage (coté DC de l'onduleur)    

+ étude des réversibilités du courant prélevé par l'onduleur sur la source DC    

+ mise en évidence du phénomène d'instabilité et dimensionnement d'une solution stabilisatrice    

+ étude des pertes générées dans les composants semi-conducteur constituant la cellule de commutation de l'onduleur,   

+ analyse de la datasheet d'un transistor de puissance MOSFET SiC et IGBT Si    

+ dimensionnement du nombre de modules de puissance à utiliser en fonction d'un point de fonctionnement visé    

+ utilisation de modèles PLECS de pertes des transistors et de diodes SiC et Si    

+ dimensionnement du dissipateur thermique et simulation thermique du montage

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Les étudiants apprendront à analyser les contraintes mécaniques et thermiques, ainsi qu’à sélectionner les matériaux et les géométries appropriées pour garantir la performance, la fiabilité et la durabilité des dispositifs. L’accent sera mis sur la modélisation des forces, des couples et des vibrations dans les actionneurs, ainsi que sur les techniques de dimensionnement des rotors, stators et autres composants mécaniques. Les étudiants exploreront également l’intégration des aspects électriques et mécaniques dans la conception pour maximiser l’efficacité des machines. Enfin, à travers des études de cas et des projets pratiques, ils appliqueront ces connaissances à des problématiques réelles d’industrie, renforçant ainsi leur capacité à concevoir des systèmes d’actionnement et de génération adaptés à des applications variées.

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Les étudiants apprendront à concevoir des modèles 3D de pièces et d’assemblages complexes, en maîtrisant les outils de modélisation paramétrique et la création de dessins techniques associés. L’accent sera mis sur l’utilisation des fonctionnalités du logiciel pour réaliser des simulations de contraintes, de mouvements et d’interférences, afin de garantir la viabilité des conceptions. Les étudiants découvriront également les processus de gestion des versions de modèles, d’analyse de tolérances et de préparation à la fabrication. Enfin, à travers des projets pratiques, ils auront l’opportunité d’appliquer ces compétences à des projets industriels réels, développant ainsi leur capacité à utiliser un logiciel de CAO de manière professionnelle et efficace.

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Les étudiants apprendront à dimensionner et intégrer les composants nécessaires, tels que les alternateurs, les circuits de redressement et les systèmes de stockage d’énergie, afin de produire une alimentation électrique à partir du mouvement mécanique du vélo. L’accent sera mis sur l’optimisation de l'efficacité énergétique du générateur, la gestion de l’énergie produite et l’adaptation des systèmes de contrôle pour garantir un rendement maximal. Les étudiants aborderont également les aspects mécaniques et ergonomiques liés à l’adaptation du vélo d’appartement, tout en prenant en compte les contraintes pratiques telles que la durabilité et la sécurité. Enfin, à travers des phases de prototypage et de tests, ils appliqueront leurs compétences techniques pour créer un générateur fonctionnel et adapté à des applications pratiques telles que la recharge d’appareils électroniques.

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A partir d'un socle commun, mettant en évidence les procédures élémentaires de modélisation des machines électriques, le cours s'ouvre en 2 branches d'égales importantes dévolues respectivement aux machines synchrones et aux machines asynchrones – machines à induction:

Machines synchrones:

• Représentation des machines électriques synchrones- Modèle
  • Mise en équation, hypothèses
  • Représentation triphasée et diphasée
  • Machine non-sinusoïdale
  • Ondulation de couple (origines)
• Commande classique de la machine synchrone
  • Commande scalaire
  • Commande classique
• Commande avancée de la machine synchrone
  • Amélioration de la qualité du couple produit
  • Défluxage des machines à aimant
  • Commande sans capteur mécanique

Machines asynchrones (MAS) – machines à induction (MI) :

• Machine asynchrone à induction (MAS), modèles directs et inverses     

o    Modes d’alimentation d’une machine asynchrone triphasée à cage – cahiers des charges

o     Modélisation de la MAS triphasé, définition des paramètres, hypothèses          simplificatrices

o    Transformations triphasée – diphasées, conservation de puissance vs conservation d’amplitude

• Estimateurs, Observateurs – capteurs indirectes d’une MAS à cage

o     Estimation / Observation déterministes du Flux

o     Observations stochastiques – Filtre de Kalman du Flux 

o     Observations de la vitesse de rotation, méthodes partiels et globales

• Commandes indirectes et directes d’une MAS à cage

o     Commandes linéaires scalaires et vectorielles

o     Commandes non linéaires à mode glissant et linéarisation exacte

• Commande d’une Machine Asynchrone Doublement Alimentée (MADA)

o      Double commande vectorielle – propulsion navale

   Commande par le rotor – turbinage / pompage                                                                                  

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• Format: Le thème d'étude et de recherche (TER) "Commande des Actionneurs Electriques" est tout d'abord un TER. Dans ce cadre une problématique ouverte, à laquelle il n'y a pas de réponse unique, est posée. Afin de développer les capacités des étudiants à concevoir une démarche de façon méthodique pour répondre à cette problématique, l'enseignement se déroule en mode semi-encadré. Ceci permet d'offrir l'opportunité aux étudiants d'explorer différentes pistes en autonomie. 
• Thématique: La problématique à résoudre vise à la conception d'une architecture de commande en simulation d'un actionneur électrique (machine triphasée, synchrone ou asynchrone). Cette conception met en œuvre une démarche globale de complexité progressive visant à concevoir chaque boucle de commande l'une après l'autre de façon imbriquées. Pour chaque boucle, à partir d’un cahier des charges donné, la première étape consiste en la modélisation du comportement du système qu'il est souhaité de contrôler avant de laisser place à la conception du contrôleur associé en se basant sur le principe du "modèle inverse". Le modèle électrique du système convertisseur-machine en régime permanent permet l'analyse des limites de fonctionnement dans le plan couple-vitesse et aide à l'élaboration de stratégies de commande en couple qui constitue la dernière étape de l'architecture de commande. Les performances de fonctionnement obtenues pour le système dans son ensemble sont alors quantifiées et analysée en fonction des différents choix de conception des boucle de commande et de la stratégie de commande en couple choisie.

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Partie théorique :

I - Présentation générale de la Compatibilité Electromagnétique

II- Techniques et outils pour les investigations CEM

III – Méthodologies et techniques de réduction des risques CEM

Partie appliquée/BE :

-Synthèse/applications :  7 cas d'études CEM sur des architectures et cartes électroniques d'un système mécatronique embarqué.

-Analyse CEM complète d'un système mobile autonome 

-Spectres d'émission des circuits de puissance

-Cas d'immunité des circuits de commande et des capteurs.

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• Analyse statistique du comportement des systèmes dynamiques soumis à des perturbations aléatoires.
• Estimation Bayésienne et équations du filtrage optimal
• Algorithmie du filtrage de Kalman et de ses variantes (filtre de Kalman étendu et filtre de Kalman sans parfum). 
• Propriétés et réglage du filtre.
• Choix et développement d'un modèle pour la synthèse du filtre en fonction des objectifs
• Application à l'estimation de la charge d'un moteur, 
• Application à la commande sans capteur des moteurs.

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Cette matière comporte 1 volume de cours et 1 BE

·       Cours « Systèmes multidimensionnels »

·       BE « Systèmes multidimensionnels »

Systèmes multidimensionnels (CM 8h75, resp. G. Garcia)

Programme :

·       Représentations des systèmes multidimensionnels : équations différentielles couplées, matrice de transfert.

·       Commandabilité et observabilité des systèmes multidimensionnels.

·       Recherche d'une représentation d'état d'un système multidimensionnel à partir d'une matrice de transfert : méthode de Gilbert, méthode des invariants, décomposition en matrice de rang 1.

·       Conception d'une commande : placement de pôles, décomposition canonique, placement de vecteurs propres, retour d'états, retour de sortie.

BE Systèmes multidimensionnels (BE 3h30, resp. E. Chantery)

Objectifs : projet d'application du CM "Systèmes Multidimensionnels"

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• Format: Le thème d'étude et de recherche (TER) "Commande Avancée" est tout d'abord un TER. Dans ce cadre une problématique ouverte, à laquelle il n'y a pas de réponse unique, est posée. Afin de développer les capacités des étudiants à concevoir une démarche de façon méthodique pour répondre à cette problématique, l'enseignement se déroule en mode semi-encadré. Ceci permet d'offrir l'opportunité aux étudiants d'explorer différentes pistes en autonomie. 
• Thématique: La problématique à résoudre vise à la conception d'une loi de commande permettant de réaliser l'asservissement en position d'un système électromécanique de type translateur (système ayant pour but de déplacer des charges comme on peut le retrouver dans différents secteurs industriels). Cette conception met en œuvre une démarche globale qui, à partir d’un cahier des charges donné, commence par la modélisation du système à contrôler. A partir de ce modèle, des premiers correcteurs classiques sont alors développés en simulation, puis leur capacité à répondre au cahier des charges est quantifiée et analysée. Des correcteurs plus avancés sont alors conçus et étudiés afin d'évaluer s'ils permettent d'apporter une meilleure réponse au cahier des charges. Parmi les différents correcteurs analysés, un choix est à faire quant à celui qui sera ensuite discrétisé pour une implémentation temps-réel sur le dispositif réel. La validation expérimentale sur le translateur est l'étape finale qui permet de faire des derniers ajustements des correcteurs vis à vis des performances requises à atteindre.

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Les structures spatiales mécatroniques nécessitent des solutions particulières en termes d'efficacité, de robustesse et de précision pour les équipements qui doivent fonctionner pendant plusieurs décennies sans entretien. Dans ce contexte, la technologie piézoélectrique associée à des propriétés matérielles particulières peut apporter des solutions multidomaines pour l'actionnement, l'isolation mécanique ou la récupération d'énergie. Les métamatériaux élastiques offrent de nouvelles possibilités en termes de réponse mécanique dynamique. Les métamatériaux sont une nouvelle classe de matériaux qui présentent des propriétés extraordinaires. Dans le contexte de la dynamique, ils peuvent afficher une masse et/ou une rigidité effective négative, élargissant ainsi l'espace de conception classique des matériaux d'ingénierie. Ils peuvent donc être très intéressants pour la conception de dispositifs polyvalents haute performance.

Dans ce cours, les étudiants découvriront les applications des métamatériaux élastiques pour divers dispositifs mécatroniques spatiaux, en particulier les collecteurs d'énergie, les actionneurs, les capteurs et les transformateurs électromécaniques, et apprendront comment les métamatériaux peuvent être conçus et utilisés pour améliorer considérablement les propriétés dynamiques de ces systèmes. Les étudiants auront l'occasion de concevoir un dispositif, depuis les principes théoriques jusqu'aux simulations, en passant par le prototypage et les tests électromécaniques physiques.

Le cours comprend 8 séances au cours desquelles nous présentons les connaissances théoriques et pratiques nécessaires, suivies de 4 séances consacrées à un projet étudiant axé sur la conception, l'assemblage et le test d'un dispositif prototype. Enfin, les étudiants participent à un projet de niveau industriel soutenu et supervisé par des experts de haut niveau du secteur spatial.

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Ce cours initie les étudiants aux techniques de bobinage des machines électriques, composante essentielle de la conception d'un actionneur. Le bobinage conditionne les niveaux de tension et de courant de l'alimentation, et influence le contenu harmonique des champs magnétiques, impactant directement le rendement de l'association machine-convertisseur. Les concepts théoriques sont mis en pratique à travers des exercices de conception de bobinages variés.

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Surveillance et diagnostic des défauts des systèmes électromécaniques

1. Le rôle croissant de la surveillance et du diagnostic des défauts

2. Défaillances dans les systèmes électromécaniques

3. Solutions existantes pour la surveillance et le diagnostic des défauts

4. Introduction à la fiabilité

5. Méthodes de diagnostic : classification et exemples (BE)

6. Conception d'expériences pour une étude de fiabilité (BE)

Cours magistraux et travaux sur ordinateur, basés sur un apprentissage par problèmes

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