Modélisation de couplages électromagnétiques par approche systémique pour l'efficacité énergétique des convertisseurs statiques

Modelling of electromagnetic couplings by a systemic approach for the energy efficiency of static converters

• Auteur / Autrice : Majid Khalili Dermani
• Direction : Baptiste Trajin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 12/11/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-2025)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie de Production (Tarbes ; 1989-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national polytechnique (Toulouse ; 1969-....)
• Jury : Président / Présidente : Carole Hénaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Baptiste Trajin, Bruno Allard, Lionel Pichon, Bruno Sareni, Hamid Ben Ahmed
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Allard, Lionel Pichon
• DOI : 10.70675/72b8cf23z8decz495dz9ee4ze16b1d8a1929

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromagnétisme

Graphes de lien

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Électromagnétisme

Bond graph

Modélisation

Electromagnetism

Bond graph

Modelling

Résumé

Améliorer l'efficacité énergétique des systèmes multiphysiques complexes nécessite une compréhension approfondie de la modélisation de leurs composants. En fonction de l'échelle dimensionnelle ou temporelle considérée, les études vont des chaînes de conversion complètent comme les locomotives ferroviaires jusqu'à l'étude des composants semi-conducteurs. Les études antérieures ont prouvé l'efficacité des approches énergétiques pour modéliser, simuler et commander les différents systèmes et sous-systèmes d'un dispositif de conversion d'énergie. Les éléments de couplage électromagnétique (EM) omniprésents dans les convertisseurs d'énergie électrique sont souvent abordés de manière macroscopique avec des éléments équivalent discrets. Dans une approche plus locale, ils sont abordés sous l'angle phénoménologique incluant l'interaction de flux magnétiques et de chemins réluctants. Cependant, ils ne sont que rarement étudiés avec une démarche énergétique couplée avec une analyse locale spatio-temporelle. De manière évidente, le comportement de ces couplages est régie par les équations de Maxwell. Les géométries complexes interdisent de résoudre analytiquement ces équations aux dérivées partielles. Des solutions précises requièrent l'utilisation de méthodes numériques, impliquant des logiciels commerciaux spécialisés. Ces logiciels fournissent des résultats souvent à partir d'hypothèses simplificatrices comme la quasi stationnarité. Par nature, les résultats ainsi obtenus sont inadaptés à l'échelle macrocopique du système, ce qui pose des défis d'interopérabilité. Cette thèse vise donc à intégrer dans une approche systémique, l'analyse locale spatio-temporelle des champs électromagnétiques. Dans un premier temps, les travaux de thèse se concentreront sur les méthodes numériques classiques utilisées dans la simulation des phénomènes EM. En dehors des approximations de quasi-stationnarité, le cadre théorique de l'analyse locale des champs EM sera posé. Dans un second temps, les travaux de thèse se concentreront sur les méthodes de modélisation énergétique et en particulier sur le bond graph. Cet outil typique de l'analyse systémique sera alors employé pour modéliser les champs EM dans le cadre précédemment décrit. Ces travaux permettront de démontrer la faisabilité de la représentation des phénomènes EM au moyen d'un outil systémique. Corollairement, les travaux de thèse montreront la faisabilité de l'intégration de simulation EM local au sein des simulations systèmes. Enfin, les travaux de thèse porteront sur une validation des résultats précédents au travers de systèmes expérimentaux simplifiés mais aussi en comparant les résultats obtenus avec des logiciels commerciaux classiques. Par ailleurs, du fait de l'utilisation de schémas de simulation numériques, une attention particulière sera portée sur la complexité algorithmique des méthodes développées et sur la maîtrise des temps de calcul afin de fournir des schémas de simulation réalistes en termes d'exécution numérique.

Improving the energy efficiency of complex multiphysics systems requires a deep understanding of the modeling of their components. Depending on the spatial or temporal scale considered, studies range from complete conversion chains such as railway locomotives to the study of semiconductor components. Previous research has demonstrated the effectiveness of energy-based approaches for modeling, simulating, and controlling the various systems and subsystems within an energy conversion device. Electromagnetic (EM) coupling elements, which are ubiquitous in electrical energy converters, are often addressed macroscopically using discrete equivalent elements. In a more localized approach, they are examined from a phenomenological perspective, incorporating the interaction of magnetic fluxes and reluctance paths. However, they are rarely studied through an energy-based approach combined with a localized spatio-temporal analysis. Evidently, the behavior of these couplings is governed by Maxwell's equations. The complexity of the geometries makes it impossible to analytically solve these partial differential equations. Accurate solutions require the use of numerical methods, typically involving specialized commercial software. These tools often produce results based on simplifying assumptions such as quasi-stationarity. By nature, the results obtained in this way are poorly suited to the macroscopic scale of the system, creating interoperability challenges. This thesis therefore aims to integrate local spatio-temporal electromagnetic field analysis into a systemic approach. In the first stage, the thesis work will focus on classical numerical methods used for simulating EM phenomena. Beyond quasi-stationary approximations, the theoretical framework for the local analysis of EM fields will be established. In the second stage, the thesis will focus on energy-based modeling methods, particularly the bond graph. This tool, typical of systemic analysis, will then be used to model EM fields within the previously defined framework. This work will demonstrate the feasibility of representing EM phenomena using a systemic tool. As a corollary, the thesis will also show the feasibility of integrating localized EM simulations within system-level simulations. Finally, the research will include validation of the previous results through simplified experimental systems, as well as by comparing the outcomes with those obtained using standard commercial software. Furthermore, given the reliance on numerical simulation schemes, particular attention will be paid to the algorithmic complexity of the developed methods and the control of computation times, in order to provide simulation schemes that are realistic in terms of numerical execution.