Methodologies of Optimal Design of the Electromagnetic Components
Méthodologies de Conception Optimale des Composants Electromagnétiques
Résumé
La conception des composants et systèmes électriques est en pleine évolution, poussée par les besoins sociétaux en terme d'environnement et d'efficacité énergétique. Notre société est basée sur une énergie bon marché et facilement accessible, ce que nous procure, entre autres, l'électricité. Les composants et systèmes électriques font partis de notre quotidien et permettent de faire fonctionner la totalité de nos moyens de production. Ils sont tellement présents, qu'ils pourraient presque passer inaperçus. C'est pourquoi, leur conception est capitale afin de les rendre plus performants, c'est-à-dire mieux adaptés aux besoins de chacun. Les composants et systèmes électriques ont évolué grâce à une meilleure maîtrise des matériaux. Les aimants terres rares, à hautes énergies, ont permis de concevoir des moteurs électriques compacts à fort couple massique comme par exemple, ceux des nouvelles chaînes de traction AGV d'Alstom. Les systèmes sont de plus en plus complexes et doivent être de plus en plus performants sur un panel de critères de plus en plus large. Le défi offert aux ingénieurs de conception est grand. Il est donc indispensable d‟intégrer de nouveaux outils et de nouvelles méthodologies dans le processus de conception pour faire face à ce challenge. C'est au niveau des méthodologies et des outils que se situe notre apport. En effet, les moyens de calcul ont fortement progressé et permettent d‟utiliser les outils de modélisation et d‟optimisation relativement simplement. Toutefois, leur mise en œuvre dans une démarche de conception est complexe, car elle fait intervenir l‟environnement et l‟acteur humain. Les outils d‟optimisation sont bien adaptés aux besoins de la conception car ils permettent de proposer une solution optimale en fonction d‟un nombre important de variables et de critères, pouvant s‟exprimer sous la forme d'objectifs ou de contraintes. Les outils de modélisation ont fortement progressé et permettent une représentation précise des phénomènes physiques. Deux grandes familles existent : les modèles analytiques et les modèles numériques. Les deux peuvent être intégrés dans un processus de conception. Toutefois, aussi précis soient-ils, ils restent des modèles et sont donc liés à un certain nombre d'hypothèses. L‟utilisation de méthode d‟optimisation pour la conception conduit à rechercher des solutions optimales au niveau global, ce qui impose la construction de modèles prenant en compte de nombreux aspects physiques pour répondre aux besoins de conception. La seule connaissance des phénomènes magnétiques et électriques pour concevoir un moteur électrique n‟est plus suffisante ; il faut intégrer, la thermique, les aspects de bruit et de vibration, l‟effet de la commande et gérer les interactions entre le moteur et le convertisseur en intégrant la charge. Le processus de conception a donc à gérer un ensemble de modèles pouvant être de natures différentes et de précision variable. La bonne adéquation entre les modèles, et les liens créés entre eux, font la qualité du modèle de conception. Cette multiplicité de modèles pose un réel problème au concepteur, qui doit soit construire la totalité des modèles, soit se les procurer. Généralement, le concepteur est expert dans une discipline et aura donc moins de connaissances dans les autres. Pour un système complexe constitué de nombreux composants et faisant intervenir de nombreuses disciplines, il est nécessaire de répartir l‟effort de modélisation. D‟autant plus, qu‟au sein de la communauté scientifique ou des entreprises, des modèles testés et validés existent déjà. Un besoin de capitalisation et d‟appropriation des modèles est donc indispensable. L‟obtention d‟un modèle n‟est pas un but, mais un moyen pour le concepteur. La définition du problème de conception et la formulation du problème d‟optimisation sont primordiales. La définition du problème peut être vue comme une stratégie et la méthode d‟optimisation comme une tactique pour aboutir à une conception optimale. Les deux sont étroitement liées et influent réciproquement l'une sur l'autre. Chaque méthode d‟optimisation a des avantages et des inconvénients. La formulation du problème d'optimisation doit se faire en connaissant les possibilités de la méthode d‟optimisation en liaison avec le modèle. Le concepteur doit avoir des notions d‟optimisation pour formuler correctement son problème et connaître suffisamment ses modèles pour rester dans leur domaine de validité. L'utilisation d'une méthode d'optimisation au sein d'un processus de conception permet de trouver la cause des effets désirés. La méthode d‟optimisation et le modèle sont liés. La méthode d‟optimisation peut prendre en charge tout ou partie des non-linéarités du modèle pour faciliter son expression par le concepteur ou améliorer sa résolution en permettant de scinder les modèles pour pouvoir distribuer les calculs. Le processus d'optimisation lui-même peut être décomposé en un ensemble de problèmes d'optimisation interagissant les uns sur les autres, ce qui permet de gérer d'une manière répartie les modèles et les processus d'optimisation. Les outils d'optimisation doivent être utilisés au niveau le plus haut du processus de conception pour créer un impact maximum sur la conception des composants et du système. Ainsi, de fait, le processus de conception optimal garantit une bonne adéquation des composants au système.
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