Contribution au choix d'architecture 3D des systèmes mécatroniques sous contraintes multi-physiques : Application aux Interférences Electro-Magnétiques (IEM)

Contribution to the choice of 3D architecture of mechatronic systems under multi-physical constraints : Application to Electro-Magnetic Interferences (EMI)

• Auteur / Autrice : Mouna Kharrat
• Direction : Jean-Yves Choley, Jamel Louati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingéniérie des systèmes complexes
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale INTERFACES : approches interdisciplinaires, fondements, applications et innovation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Quartz (Saint-Ouen, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Marija Jankovic
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Prelle, Mnaouar Chouchane, Olivia Penas, Mohamed Haddar, Ali Akrout
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Prelle, Mnaouar Chouchane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécatronique

SysML (informatique)

Ingénierie des systèmes

Mots clés libres

Conception préliminaire

Ingénierie des systèmes basée sur les modèles

Modélisation électromagnétique

Évaluation d'architecture

Identification des interférences électromagnétiques

Extension SysML

Conceptual design

Model-Based System Engineering

Electromagnetic modeling

Architecture evaluation

Electromagnetic interferences identification

SysML extension

Résumé

L’intégration des systèmes mécatroniques génère de nombreuses perturbations multi-physiques (thermiques, électromagnétiques et dynamiques) rendant leur choix d’architecture complexe. En effet, l’introduction croissante de composants électroniques et électriques (E/E) dans la plupart des systèmes actuels, augmente le risque d’occurrence de nombreuses interférences électromagnétiques (IEM) pouvant dégrader fortement leur fonctionnement. Tandis que ces problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) sont généralement traités en phase de conception détaillée, où les possibilités de compromis se limitent à quelques ajustements de positionnement ou à des solutions de protection coûteuses, une solution consiste à proposer un cadre collaboratif pour l’évaluation, dès les premières phases de conception, d’architectures physiques de concept prenant en compte ces contraintes électromagnétiques (EM). En effet, il est important à cette étape, que l’ensemble des acteurs multidisciplinaires impliqués puissent définir, modifier/mettre à jour, ajouter leurs connaissances et contraintes et échanger leurs données tout en continuant à travailler dans leur environnement numérique habituel. Par ailleurs, ces activités d’ingénierie système doivent être outillées avec des approches d’« Ingénierie Système basée sur des modèles » (MBSE), pour supporter la continuité numérique, la cohérence et la traçabilité des modèles et des données nécessaires à ce processus d’évaluation.Pour répondre à ce besoin, cette thèse s’appuie sur l’approche collaborative MBSE SAMOS (Spatial Architecture based on Multi-physics and Organization of Systems) afin de supporter l'évaluation de l'architecture 3D de concept en phase amont sous contraintes électromagnétiques. Dans ce contexte, nous avons, dans un premier temps, développé une extension SysML appelée EMILE (ElectroMagnetic Interactions Layout Extension) pour formaliser et modéliser, au plus tôt, les contraintes EM dans le modèle système.Cette extension inclut notamment la définition des exigences EM, la description des modes de couplage électromagnétiques et la spécification des configurations de simulation permettant la vérification et la validation ultérieures des exigences, grâce au développement d’une interface homme-machine. Notre travail de recherche a ensuite porté sur une méthodologie d’évaluation combinant une approche topologique avec une modélisation EM., afin de supporter le processus d'évaluation qualitative et quantitative des interférences électromagnétiques (IEM). En effet, pour un type d’IEM donné, l'analyse topologique de l’architecture système permet d'identifier qualitativement l'existence des composants victimes et de leurs agresseurs potentiels associés. Une fois ces IEM potentielles identifiées, une évaluation quantitative peut alors être réalisée, par exemple en se basant sur les équations et lois physiques du couplage identifié, et sur les exigences électromagnétiques et géométriques prédéfinies avec EMILE. Cette approche permet ainsi de garantir le choix pertinent d’une architecture physique 3D de concept sous contraintes EM. Les approches proposées ont été illustrées sur une étude de cas d'une chaîne de traction du véhicule électrique, en s’appuyant sur plusieurs scénarios d’implémentation logicielle (SysML, Modelica, Matlab, FreeCAD) au sein de l’outil Sketcher 3D EM.

The integration of mechatronic systems generates many multi-physical disturbances (thermal, electromagnetic and dynamic) making their choice of architecture complex. Indeed, the increasing introduction of electronic and electrical (E/E) components in most of the current systems, increases the risk of occurrence of many electromagnetic interferences (EMI) that can strongly degrade their behavior. While these electromagnetic compatibility (EMC) problems are usually addressed in the detailed design phase, where the possibilities of compromise are limited to a few positioning adjustments or costly protection solutions, one solution is to propose a collaborative framework for the evaluation, from the early design phases, of physical design architectures taking into account these electromagnetic (EM) constraints. Actually, it is important at this stage that all the multidisciplinary actors involved can define, modify/update, add their knowledge and constraints and exchange their data while continuing to work in their usual digital environment. In addition, these system engineering activities must be supported with "Model-Based System Engineering" (MBSE) approaches, to support the digital continuity, consistency and traceability of the models and data required for this evaluation process.To meet this need, this thesis is based on the MBSE SAMOS (Spatial Architecture based on Multi-physics and Organization of Systems) collaborative approach to support, from the preliminary design phase, the evaluation of the 3D concept architecture under electromagnetic constraints. In this context, we have initially developed a SysML extension called EMILE (ElectroMagnetic Interactions Layout Extension) to formalize and model, as early as possible, the EM constraints in the system model.This extension notably includes the definition of EM requirements, the description of electromagnetic coupling modes and the specification of simulation configurations allowing the further verification and validation of the requirements, thanks to the development of a Human-Machine Interface. Our research work then focused on an evaluation methodology combining a topological approach with EM modeling, in order to support the process of qualitative and quantitative evaluation of electromagnetic interference (EMI). Indeed, for a given type of EMI, the topological analysis of the system architecture allows to qualitatively identify the existence of the victim components and their associated potential aggressors. Once these potential EMIs have been identified, a quantitative evaluation can then be performed, for example based on the physical equations and laws of the identified coupling, and on the electromagnetic and geometric requirements predefined with the EMILE extension. As a result, this approach ensures the relevant choice of a 3D physical architecture of the concept under EM constraints. The proposed approaches have been illustrated on a case study of an electric vehicle power train, based on various software implementation scenarios (SysML, Modelica, Matlab, FreeCAD) within the Sketcher 3D EM tool.