Conception d'un actionneur électromagnétique d'assistance circulatoire

Design of an electromagnetic actuator for circulatory assistance

• Auteur / Autrice : Abdelhakim Sahnoune
• Direction : Guillaume Krebs, Julien Guihaire, Maya Hage Hassan, Claude Marchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 03/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Noureddine Takorabet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yacine Amara, Abdelmounaïm Tounzi, Javier Ojeda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yacine Amara, Abdelmounaïm Tounzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Assistance circulatoire mécanique

Machines électriques

Organes artificiels

Mots clés libres

Convertisseur électromécanique

Couplage magnétique

Optimisation

Modèle analytique

Organe artificiel

Assistance circulatoire

Electromechanical converter

Magnetic coupling

Optimization

Analytical modeling

Artificial organ

Circulatory assistance

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception d'actionneurs électromagnétiques appliqués à une pompe centrifuge qui sera intégrée dans un poumon artificiel portatif. Ils s'inscrivent dans le cadre du projet RHU BioArtLung qui vise à miniaturiser un dispositif d'ECMO en améliorant la prise en charge des patients et les résultats de la transplantation pulmonaire. Un état de l'art des machines électriques appliquées aux dispositifs d'assistance circulatoire mécanique est réalisé et l'accent est mis sur les machines synchrones à aimants permanents à bobinage sur dents. À l'issue de l'étude bibliographique deux structures ont été retenues, une MSAP 12/8 à flux radial de référence et une machine à flux hybride innovante. Cette dernière a été brevetée durant la thèse. L'étude de la machine radiale de référence est d'abord réalisée. Son prédimensionnement est effectué à l'aide d'une étude paramétrique par plans d'expériences et une optimisation couplée à des modèles 2D EF. Un premier dimensionnement de la machine a conduit à la définition d'un prototype qui a servi à la validation expérimentale du modèle, les performances du prototype sont intéressantes et respect le cahier des charges. La pompe associée au premier moteur prototypé est caractérisée à l'aide d'un banc hydraulique et les performances hydrauliques souhaitées ont été atteintes. La suite de l'étude concerne une machine 6/4 à flux hybride à structure innovante et unique. Il s'agit d'une machine à double stator (radial et axial) et simple rotor à concentration de flux. Une approche de modélisation 3D à 2D a été proposée et validée par simulation. Finalement, une comparaison entre les deux structures, radiale et hybride est effectuée pour évaluer les performances en termes de rendement et densité de couple.

The work presented in this thesis concerns the design of electromagnetic actuators applied to a centrifugal pump that will be integrated into a portable artificial lung. They are part of the RHU BioArtLung project, which aims to miniaturize an ECMO device by improving patient care and the results of lung transplantation. A state of the art of electrical machine applied to mechanical circulatory assistance devices is carried out, and the emphasis is placed on tooth-wound permanent magnet synchronous machines. At the end of the bibliographical study, two structures were selected, a PMSM 12/8 with reference radial flow and an innovative hybrid flow machine. The latter was patented during the thesis. The study of the reference radial machine is first carried out. Its dimensioning is carried out using a parametric study by experimental plans and optimization coupled with 2D FE models. The first dimensioning of the machine led to the definition of a prototype which was used for the experimental validation of the model, the performances of the prototype are interesting and respect the specifications. The pump associated with the first prototyped motor is characterized using a hydraulic bench, and the desired hydraulic performance has been achieved. The rest of the study concerns a 6/4 hybrid flow machine with an innovative and unique structure. It is a machine with a double stator (radial and axial) and a single rotor with flux concentration. A 3D to 2D modeling approach was proposed and validated by simulation. Finally, a comparison between the two structures, radial, and hybrid, is made to evaluate the performance in terms of efficiency and torque density.