Laboratoire Ampère Modélisation 3D de dispositifs

Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1
Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Modélisation 3D de dispositifs électrotechniques avec des modèles
de matériaux adaptés pour les hautes fréquences / températures
(MoDiMaHaut)
Laboratoire :
Ampère, UMR CNRS 5005
Domaine scientifique principal :
Energie, Modélisation
Mots clés (5 max) :
Matériaux, Électronique de puissance, Éléments Finis
Directeurs de thèse et comité d’encadrement
Directeur de thèse (Ampère)
Sixdenier Fabien - [email protected] (31 %) (Ampère)
Comité d’encadrement
Geuzaine Christophe - [email protected] (31%) (Institut Montefiore)
Scorretti Riccardo - [email protected] (31%) (Ampère)
Krahënbühl Laurent - [email protected] (7%) (Ampère)
Départements concernés
- MIS, EE , Bioingénierie
Groupes concernés
- Matériaux, MMC, BMS
Collaboration(s)/partenariat(s) extérieurs
- ACE (Applied Computational Electromagnetism), Institut Montefiore, Université de Liège
(Belgique).
Contexte Scientifique (5 lignes max)
Les systèmes électriques travaillent à des fréquences de plus en plus élevées et/ou avec des signaux
riches en harmoniques [1,2]. Dans certains contextes ces composants et les matériaux les
constituants doivent travailler dans des conditions sévères (haute température, haute tension...). Il est
donc très important d’intégrer dans une démarche de modélisation 3D des modèles « fins » des
matériaux constituant ces composants du génie électrique. Ce projet s'inscrit dans deux des futures
propriétés du laboratoire : « Conversion sous contraintes sévères » et « Analyse de systèmes et
exploitation de modèles »
Objectif de la thèse, verrous scientifiques et contribution originale attendue (1 page max)
De plus en plus, les systèmes du génie électrique doivent travailler dans des conditions de haute
température, et à des fréquences élevées : ceci pose de nouveaux problèmes liés au
comportement « fin » des matériaux magnétiques (en particulier mais pas seulement), pour
lesquels les modèles existants sont incomplets ou ne sont pas adaptés. Parmi les questions
ouvertes, nous pouvons mentionner :
- effet de la température et/ou des contraintes mécaniques sur les propriétés magnétiques
des matériaux,
- calcul précis des pertes : phénomènes d’hystérésis, avec prise en compte de l’aspect
vectoriel et/ou de l’anisotropie des matériaux (matériaux à grains orientés pour les
transformateurs),
- effets inductifs et capacitifs (fils de Litz)
- matériaux intrinsèquement hétérogènes (multicouche, tôles, circuits roulés laminées…)
Outre l'intérêt académique : il est très important d’intégrer dans une démarche de modélisation
3D des modèles « fins » des matériaux du génie électrique afin de permettre l’utilisation des
MoDiMaHaut
outils de conceptions dans un contexte industriel. Ceci est d’autant plus vrai qu’une mauvaise
prise en compte des pertes, par exemple, pourrait conduire à des échauffements localisés, qui
peuvent faire baisser la durée de vie des systèmes électriques, voire être destructeurs dans le pire
des cas.
L’état des connaissances scientifiques sur ces problèmes est encore très insuffisant, et
l’application à des cas d’application industrielle n’est pas encore possible. A tout cela viennent
s’ajouter des problèmes liés à l’estimation expérimentale des paramètres des modèles, et à
l’intégration dans des codes de calcul 3D. L’objectif de la thèse est le développement et
l’intégration dans un code Eléments Finis de modèles des matériaux permettant de répondre à
certaines des interrogations soulevés.
Programme de recherche et démarche scientifique proposée (1/2 page max)
Le doctorant devra mener à la fois des travaux de modélisation numérique et des mesures pour
valider et renseigner les modèles en cours de développement :
- recensement et prise en main des modèles existants, amélioration de ces modèles
permettant la prise en compte de la température et, pour les matériaux concernés, de
l’anisotropie.
- Intégration des modèles théoriques dans un code Eléments Finis, et essais numériques des
modèles (= aptitude à représenter correctement des cycles d’hystérésis en fonction de la
forme d'onde, de la fréquence, de la température,...).
- Conception et réalisation d'expériences permettant de renseigner ou/et de valider les
modèles.
La thèse se fera en coencadrement avec l’Université de Liège, dont l’ACE, institut Montefiore, est
l’un des centres mondialement reconnus pour les recherches en modélisation numérique en
électromagnétisme. Des demandes de co-financements complémentaires (missions à Liège) sont en
cours (programme Tournesol, …).
Profil du candidat recherché (prérequis) : une forte compétence en analyse numérique et
programmation informatique est demandée. Des connaissances en mathématiques, physique et un
intérêt pour le travail numérique et expérimental sont également demandés au candidat.
Compétences développées au cours de la thèse et perspective professionnelle (5 lignes max)
Le candidat développera des compétences dans le domaine de l’analyse numérique (modélisation
par Eléments Finis, identification de paramètres, techniques d’homogénéisation).Il aura également
une connaissance aigue de l'utilisation des matériaux pour le génie électrique, et de la
caractérisation de ceux-ci (instrumentation, acquisition et traitement de mesures physiques).
Bibliographie sur le sujet de thèse
[1] C. J. Cass, Y. Wang, R. Burgos, T. P. Chow, F. Wang, and D. Boroyevich. Evaluation of SiC
JFets for a three-phase current-source rectifier with high switching frequency. Twenty Second
Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) (2007).
[2] T. Friedli, S. D. Round, D. Hassler, and J. W.Kolar. Design and performance of a 200-khz allSiC JFet current dc-link back-to-back converter. IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 45, No 5, 18681878 (2009).