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N° d'ordre : 954 Année 2006

Université Paris Sud XI - UFR Scientifique d'Orsay

Rapport de synthèse

présenté en vue d'obtenir L'Habilitation à Diriger les Recherches en Sciences Physiques Par

Hamid BEN AHMED

Maître de conférences à l'ENS Cachan-Antenne de Bretagne

Chercheur au SATIE (UMR CNRS 8029)

Titre :

DDeess pp

rr oo cc dd ss dd ee cc oo nn vv ee rr ss ii oo nn ll ee cc tt rr oo mm aa gg nn tt oo mm cc aa nn ii qq uu ee ss n n oo nn cc oo nn vv ee nn tt ii oo nn nn ee ll ss aa uu xx ss yy ss tt mm ee ss mm cc aa tt rr oo nn ii qq uu ee ss Conception - Modélisation - Optimisation Rapport présenté à l'ENSC Ker Lann, le 22 juin 2006 devant le jury composé de : F. BOUILLAULT Prof. Univ. Paris XI, LGEP Président

B. NOGAREDE Prof. INPT, LEEI rapporteur

P H. VIAROUGE Prof. LEEPCI, Univ. Laval (Quebec, Canada) rapporteur

J.P. YONNET DR CNRS, LEG rapporteur

C. MARCHAND Prof. Univ. Paris XI, LGEP examinateur B. MULTON Prof. ENS Cachan-Antenne de Bretagne, SATIE examinateur B. LEQUESNE DR, Delphi Research Labs (MI, USA) Invité M. PIERRE Prof. ENS Cachan-Antenne de Bretagne, IRMAR Invité

EECCOOLLEE NNOORRMMAALLEE

SS UU PP EE RR II EE UU RR EE DD EE CC AA CC HH AA NN

Antenne de Bretagne

SATIE UMR CNRS 8029

H. BEN AHMED HDR - 2006

H. BEN AHMED HDR - 2006

A

AVVAANNTT PPRROOPPOOSS

Une HDR : un phénomène anti-causal ?

Rédiger un mémoire d'Habilitation à Diriger les Recherches est synonyme d'un volume de travail

conséquent et d'une maturité intellectuelle suffisante. C'est synonyme également de l'aboutissement d'une

histoire scientifique, bien que perpétuellement redéfinie. Cette histoire devra donc obéir, comme pour toute

histoire humaine, fût-elle scientifique et cartésienne d'apparence, à une cohérence dans la démarche et dans

la démonstration. Cependant, dans la pratique d'un jeune chercheur post-doctorat et pré-HDR, ceci ne peut

s'imposer a priori (phénomène anti-causal !) sauf si la dimension aventurière de notre activité est bannie au

profit d'une vie professionnelle mise entièrement au service d'une sacro-sainte ... HDR. La rédaction du

mémoire d'HDR est, par conséquent, un exercice en soi, une activité supplémentaire et complémentaire qui

vient préciser, voir apporter a posteriori une cohérence à l'activité de recherche à proprement parler.

L'exercice peut s'avérer difficile (et pour ma part il l'est) d'autant que l'aventure, qu'est censée analyser

et synthétiser l'impétrant que je suis, est souvent le fruit de rencontres humaines, industrielles et

scientifiques. Elle n'est pas nécessairement la conséquence d'une stratégie précise finement élaborée au

lendemain de son couronnement docteur de l'université ....

Stéphan ASTIER, dans son mémoire de HDR

1 , qualifiait cette nouvelle étape, dans l'avancement de

carrière d'un jeune chercheur, de nécessaire et incontournable " rite de passage ». Il y indiquait en particulier

" qu'ils soient mineurs ou majeurs, les rites sont en fait indispensables à la structuration de tout corps

social : il y a donc lieu, sinon de les suivre, du moins de les respecter ».

Bien que le principe de rite soit effectivement imposé par le système auquel nous appartenons et dans

lequel nombre d'entre nous souhaitons rester, les formes sont, quant à elles, beaucoup moins contraignantes.

C'est donc avec une certaine liberté et une subjectivité formelle quasi-totale que j'aborde la rédaction de ce

mémoire, sachant néanmoins qu'il est plus facile de résoudre un problème fortement contraint que le même

problème sans contrainte. Cette souplesse de forme ne préjuge donc nullement de la facilité pour le

rédacteur, ni peut-être pour ... le lecteur !

H. BEN AHMED HDR - 2006

H. BEN AHMED HDR - 2006

RREEMMEERRCCIIEEMMEENNTTSS

Les travaux consignés dans ce mémoire se sont déroulés au Laboratoire SATIE (ex. LESIR), UMR-CNRS

8029 de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan. Pour m'avoir accueilli au sein du laboratoire en tant que

doctorant puis en tant que chercheur permanent, je tiens tout d'abord à présenter mes chaleureux

remerciements à ses directeurs successifs, MM. Charles SOL (son fondateur), Jean Paul LOUIS et Sylvain

ALLANO (actuel directeur).

Que MM. C. RIOUX, ancien Directeur du Laboratoire d'Electrotechnique d'Orsay où j'ai fait mes premiers pas de chercheur, et J. LUCIDARME, Ingénieur de recherche CNRS, en retraite depuis 1998, trouvent ici l'expression de ma profonde gratitude et ma reconnaissance pour la qualité de leur enseignement, pour avoir su partager avec enthousiasme leurs connaissances et pour leurs approches novatrices dans le domaine de l'électrotechnique.

Je tiens également à présenter mes plus vifs remerciements aux membres de jury qui m'ont fait l'honneur

de juger ce modeste travail : - M. Bertrand NOGAREDE, Professeur à l'INP de Toulouse et Responsable de l'équipe " Machines, Mécanismes et Matériaux Electrodynamiques » du LEEI ; - M. Philippe VIAROUGE, Professeur à l'Université Laval (Québec, Canada) et chercheur au Laboratoire d'Electrotechnique, Electronique de Puissance et Commande Industrielle ; - M. Jean Paul YONNET, Directeur de Recherche au CNRS, chercheur au LEG/INP Grenoble. - M. Frédéric BOUILLAULT, Professeur à l'Université Paris-Sud et Directeur du LGEP ;

- Claude MARCHAND, Professeur à l'Université Paris-Sud et Responsable de l'équipe " Conception,

Commande et Diagnostic » du LGEP ;

- M. Bruno LEQUESNE, Responsable de Recherche au Delphi Research Labs (Michigan, USA) ; - M. Michel PIERRE, Professeur de mathématiques à l'ENS Cachan - antenne de Bretagne et chercheur au Laboratoire IRMAR. Mes remerciements et mon immense reconnaissance à Bernard MULTON, Professeur à l'ENS Cachan,

Directeur du Dpt. Mécatronique, pour ses qualités scientifiques et humaines, pour ses conseils toujours

pertinents et pour les conditions idéales de travail qu'il a su créer au sein de l'équipe. Qu'il trouve ici

l'expression de mon admiration et de ma sincère et profonde amitié.

Que Mohamed GABSI, Maître de Conférences - HDR à l'Université Paris-Sud, trouve également ici le

témoignage de ma gratitude et de mon amitié. Qu'il sache que ses avis souvent à contre-courant sont pour

moi source d'enrichissement indéniable aussi bien sur le plan scientifique que personnel. Je le remercie

aussi pour ses encouragements constants et son soutien sans faille durant toutes ces années.

Mes remerciements vont également à tous les membres de l'équipe. Qu'ils sachent que sans leur aide ce

travail n'aurait simplement pas pu avoir lieu : M. LECRIVAIN, E. HOANG, L. PREVOND, E. SANTANDER,

M. BESBES.

Je ne saurais oublier de remercier chaleureusement P.F. DESESQUELLES, ancien chercheur au SATIE, actuellement responsable chez VALEO-Mexique, pour m'avoir initié au passionnant domaine de la modélisation électromagnétique.

Ce mémoire est également (et surtout) le fruit de collaborations avec les doctorants et stagiaires de

grande qualité que j'ai eu le plaisir de co-encadrer. Je garde d'eux un très bon souvenir et une amitié

sincère. Ces quelques lignes sont insuffisantes mais qu'ils sachent que ce mémoire est aussi le leur : L.

PREVOND, A. LESOBRE, N. BERNARD, Y. AMARA, P.E. CAVAREC, O. GERGAUD, G. ROBIN, P. FRANCOIS, C. BERNEZ, M. RUELLAN, J. SEIGNEURBIEUX, V. DEBUSSCHERE, M. ATTMANI, E. DECECCO, X. MININGER, H. ALLIOUI, F. BOUMENDIL, F. NEMOUCHI, E. BERTONCINI, C. LINET, E. AUFAUVRE, T. BRAY, C. GRACZYK, J. DELOR, M. ANTUNES.

H. BEN AHMED HDR - 2006

J'ai beaucoup apprécié les nombreux échanges que j'ai eu avec les membres des autres équipes ainsi

qu'avec les personnes extérieures au laboratoire. Je remercie tout particulièrement Monsieur M.E.H. ZAIM

de l'Université de Nantes pour qui j'ai beaucoup d'affection et avec qui j'ai beaucoup appris. Que D. MATT

de l'Université de Montpellier, A. CLEMENT et A. BABARIT de l'Ecole Centrale de Nantes, J.

DELAMARRE du LEG, B. DEHEZ de l'Université Catholique de Louvain (Belgique) soient également et

amicalement remercier.

Mes remerciements vont également aux nombreux collaborateurs industriels, notamment des sociétés

D2T, PSA, VALEO, ACMEL, RADIO-ENERGIE, SIMU, SAGEM, MAGNETI-MARELLI. Je remercie également tous les techniciens de SATIE et des Départements d'enseignement EEA et

Mécatronique sans qui l'indispensable travail expérimental serait impossible : J. PARATGE, J.P.

MADRANGE, S. HAMONIC, R. LEMERCIER, J.M. DESAGLLIER.

Que mes collègues enseignants du département Mécatronique de l'ENS Cachan - antenne de Bretagne,

pour qui seul l'intérêt des élèves compte, soient ici remerciés : D. MILLER, B. LE PIOUFLE, D. GRENIER,

J.Y. COGNARD, S. GARDETTE, C. KERZREHO, P. MOGNOL, G. DUMONT, C. JULIEN et bien sûr B. MULTON. Que G. FELD du département EEA soit également remercier pour les nombreuses et enrichissantes discussions pédagogiques que nous avons eu.

Je tiens également à adresser mes remerciements aux Directeurs successifs de l'antenne de Bretagne,

MM. NUSIMOVICI et P. QUINTON, pour avoir su favoriser l'émergence d'une recherche " locale » et pour

les conditions optimales de travail à l'antenne.

Aux élèves de l'ENS Cachan et d'ailleurs avec qui j'ai eu le plaisir de partager ma passion pour

l'enseignement. Qu'ils sachent qu'auprès d'eux j'ai beaucoup appris !

Je n'oublierai pas de citer l'assistance informatique efficace (Eh oui cela existe !) fournie durant toutes

ces années par : F. MONTEIL, P. DENUEL, D. BACH, G. ROBIN, S. STEPHAN. Je les remercie vivement

ainsi que le personnel administratif du SATIE et de l'antenne de l'ENS toujours disponible : S. DUMAST, S.

STEPHAN, J. FONTAINE, M.E. HAMEL,, N. GICQIAUX,, L. LEGER, G. VALERO, M. GRELOT,C.

BARDET, M. DESBOIS.

A l'heure où je rédige ces quelques lignes, mes pensées vont naturellement aux personnes qui me sont

chères et qui ont su accepter mes absences répétées : ma compagne Nicole et nos deux Schtroumpfs Sirina et

Nolan. Je leur adresse toute mon affection.

H. BEN AHMED HDR - 2006

OORRGGAANNIISSAATTIIOONN DDUU MMEEMMOOIIRREE

Les travaux consignés dans ce mémoire ont été ou sont réalisés au sein du pôle de compétences

" Actionneurs-Transport-Energie » de SATIE (ex. LESIR) de L'ENS de Cachan sur les deux sites cachanais

et breton. Ce mémoire est organisé en 3 parties. La première partie est consacrée au résumé des travaux

d'enseignement et de recherche. Les co-encadrements ainsi que les différentes publications scientifiques y

sont également mentionnés. Chaque publication est référencée selon une nomenclature précisée dans cette

première partie. Dans tout le mémoire, ces références sont indiquées en caractère gras

La conception : un art, une

technique ou une science ? » (deuxième partie ). Globalement cette partie traite des aspects philosophiques

et épistémologiques de l'activité de conception et ses facettes subjectives et irrationnelles, autrement dit

artistiques. Cependant, dans le dernier paragraphe intitulé " l'art au service de la science », sont décrits les

travaux concernant l'élaboration d'une méthodologie générique d'aide à la conception que représente la

" Conception par Optimisation de Distribution » et les premiers résultats que nous avons obtenus (thème

D).

Dans la troisième partie

est proposée une synthèse des travaux de recherche aux quels j'ai contribués.

L'originalité des travaux menés réside à la fois dans les configurations électromagnétiques innovantes

étudiées et dans les méthodologies de dimensionnement et d'analyse élaborées utilisant des approches

combinées numériques et analytiques. En outre, ces travaux sont guidés par une volonté de développer une

approche relativement synthétique de la conversion électro-magnéto-mécanique et d'établir des règles

" générales » de conception et de modélisation.

Cette synthèse débute avec un premier chapitre " Nomenclature et spécificité du couplage fractionné »

qui permet de situer sur le plan structurel les travaux réalisés. Des critères de classification des actionneurs

essentiellement électromagnétiques y sont proposés notamment le critère de couplage électromagnétique. Ce

dernier permet de définir deux principales classes de machines : celles à couplage fractionné et celles à

couplage polaire. Les spécificités de ces couplages sont ensuite examinées au travers d'une approche

analytique tendancielle utilisant les lois de similitude. Ensuite, trois thèmes sont développés, chacun organisé en trois chapitres.

Le premier thème concerne les configurations à couplage fractionné à bobinage global. Tout d'abord les

performances intrinsèques de différentes dispositions dites " fondamentales » à aimants et/ou à réluctance

H. BEN AHMED HDR - 2006

couplage polaire et à excitation homopolaire. De

complexité structurelle croissante, trois configurations sont étudiées. La première (chapitre B.I), adaptée aux

hautes vitesses de rotation à très forte puissance, concerne le freinage par courants induits éléments finis-analytiques-circuits réluctants originaux ont été développés. La deuxième configuration (chapitre B.II) est de type " tout fer tournant » composants mécatroniques pour l'Intelligence énergétique » concerne

l'étude de systèmes présentant un couplage fondamentalement fort entre les différents phénomènes

physiques mis en jeu. C'est le cas des récupérateurs d'énergie de la marche, de la houle ou encore thermique

(chapitre C.I). C'est également le cas des soupapes électromagnétiques (chapitre C.II). Dans chaque chapitre sont rappelés les co-encadrements, les collaborations universitaires et/ou

industrielles, les autres membres permanents de l'équipe impliqués dans le thème abordé ainsi que les

références de(s) article(s) joint(s) en annexe. En outre, un bilan critique est présenté à la fin de chaque

chapitre.

Dans la dernière partie du mémoire sont proposés un bilan global des travaux menés ainsi que quelques

perspectives et thématiques nouvelles.

Avertissement

H. BEN AHMED HDR - 2006

S

SOOMMMMAAIIRREE

Partie 1 : Notice individuelle et résumé des travaux d'enseignement et de recherche I. Notice individuelle et curriculum vitae ii - 3

II. Activités d'enseignement 4

III. Activités de recherche 5

IV. Activités de transfert technologique direct 7

V. Co-encadrements 10

VI. Productions scientifiques 13

VII. Activités et responsabilités collectives 24 Partie 2 : Préambule : La conception : un art, une technique ou une science ?

I. Eléments de réponse Préambule - 3

I. L'art au service de la science 12

II. La science au service de la l'art (thème D) 12

III. Conclusion 16

IV. Bibliographie 17

Partie 3 : Synthèse des travaux de recherche

I. Formalisme simplifié 7

II. Classification 8

III. Performances - analyse aux lois de similitude 11

IV. Conclusion 20

V. Bibliographie 20

Thème A : Structures à couplage fractionné : du motif élémentaire au convertisseur

A.I Motifs élémentaires

A.I.I Définitions 23

A.I.II Performances intrinsèques 24

A.I.III Structures 29

A.I.IV Modélisation spécifiques 31

A.II Concept polyentrefers

A.II.I Introduction et principe 33

A.II.II Etat de l'art et travaux sur les polyentrefers 40

A.II.III Bilan et perspectives 47

A.III Configurations mono-entrefers : fonctionnalités spécifiques

A.III.I Introduction 51

A.III.II Actionneur linéaire à commutation de flux (motif B) 52 A.III.III Actionneurs monophasés (motif A) 55

A.III.IV Bilan critique et perspectives 59

A.IV Bibliographie du thème A

H. BEN AHMED HDR - 2006

Thème B. Structures à couplage polaire à excitation homopolaire B.I Configuration à courants induits : frein à forte puissance

B.I.I Introduction 67

B.I.II Modélisation des matériaux 68

B.I.III Modélisation électromagnétique des freins 69 B.I.IV Validation expérimentale des modèles et étude paramétrique 76 B.I.V Adjonction de la fonction moteur : conception du moteur/frein 77

B.I.VI Bilan critique et perspectives 79

B.II Configuration " tout fer tournant » : stockage électromécanique

B.II.I Introduction 81

B.II.II Conception d'un moteur/générateur intégré 82 B.II.III Compatibilité avec les paliers 86 B.II.IV Modélisation électromagnétique 88 B.II.V Optimisation machine-convertisseur-commande 90

B.II.VI Bilan critique et perspectives 93

B.III Configuration à double excitation : optimisation pour la traction électrique

B.III.I Introduction 95

B.III.II Problème général de défluxage : cas mono-excitation 96 B.III.III Etat de l'Art sur les structures à double excitation 99 B.III.IV Optimisation machine-alimentation-commande 109

B.III.V Bilan critique et perspectives 112

B.IV Bibliographie du thème B

Thème C. Composants mécatroniques pour l'Intelligence énergétique

C.I Récupérateurs d'énergie

C.I.I Introduction 119

C.I.II Générateur portable 120

C.I.III Houlogénérateur 122

C.I.IV Co-générateur 127

C.II Soupapes électromagnétiques

C.III Bibliographie du thème C

Partie 4 : Bilan global et perspectives

Annexe : Articles joints (CDROM)

Partie 1 : Notice individuelle

PARTIE 1

NNNOOOTTTIIICCCEEE IIINNNDDDIIIVVVIIIDDDUUUEEELLLLLLEEE

H. BEN AHMED HDR - 2006

Partie 1 : Notice individuelle

I. Curriculum vitae

I.1. Notice individuelle

Nom :

BEN AHMED

Prénom :

Date de naissance :

quotesdbs_dbs32.pdfusesText_38

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