Approaches and tools for the optimal design of electrical machines. Démarches et outils pour la conception optimale des machines électriques

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Brisset, Stephane

Edité par HAL CCSD

In the increased competition that characterizes today's society, the mastery of time of study and quality is going through a process of instrumentation of the design process. The acceleration of product renewal and implementation of innovative technology, the introduction of new constraints related to sustainable development and definition of design objectives at the system level challenge old strategies for design process. Faced with the complexity of new concepts, instrumentation of the design process is done through the use of optimization techniques and modeling tools within rational strategies.
An optimal design is a result of a good fit between the models, optimization algorithms, the mathematical formulations and the design approaches. This dissertation presents each of these elements and highlights their interactions. The formulations are many and the designer has to choose the one that suits its application. The transformations can switch from one to another and provide greater flexibility in the design process. The models most commonly used for the design of electrical devices are classified into three categories: analytical models, finite element models, and the semi-numerical models. Their properties are complementary and no class dominates another, but each is an optimal compromise between accuracy and calculation time. Finally, the characteristics of the algorithms are often complementary and hybridization is an effective solution to reduce the time and increase the accuracy.
Optimization runs with several algorithms and models confirm the strong interactions between the choice of a model, an algorithm and a formulation. Beyond the intrinsic characteristics of algorithms, implementation for the optimization of electrical devices remains a litmus test and brings a few surprises. Proficiency in a variety of models, algorithms and formulas guarantee the designer in order to arrive at an optimal device.
The outlook for medium-term research is related to deterministic global optimization algorithms with mixed variable such as models and algorithms able of making choices in structural and materials. Long-term prospects focused on systemic multi-level and multi-scale optimization. . Dans la concurrence accrue qui caractérise la société actuelle, la maîtrise des délais d'étude et de la qualité passe par une instrumentation de la démarche de conception. L'accélération du renouvellement des produits et de la mise en œuvre des technologies innovantes, l'introduction de nouvelles contraintes liées au développement durable et la définition des objectifs de conception non plus au niveau des actionneurs mais davantage au niveau du système remettent en cause les anciennes stratégies heuristiques de conception. Face à la complexité des nouvelles conceptions, une instrumentation de la démarche est faite par l'emploi des techniques d'optimisation et d'outils de modélisation au sein de stratégies rationnelles.
Une conception optimale résulte ainsi de la bonne adéquation entre les modèles, les algorithmes d'optimisation, les formulations mathématiques et les démarches de conception les mettant en œuvre. Ce mémoire présente chacun de ces éléments et met en exergue leurs interactions. Les formulations sont multiples et il revient au concepteur de choisir celle qui convient à son application. Des transformations permettent de passer d'un formalisme à un autre et apportent une plus grande souplesse dans la démarche de conception. Les modèles les plus utilisés pour la conception des dispositifs électrotechniques sont classés en trois catégories : les modèles analytiques, les modèles éléments finis, et les modèles semi-numériques. Leurs propriétés sont complémentaires et aucune catégorie ne domine une autre mais chacune réalise un compromis optimal entre la précision et le temps de calcul. Enfin, les caractéristiques des algorithmes sont souvent complémentaires et l'hybridation est une solution efficace pour réduire le temps d'optimisation et augmenter la précision.
Des optimisations menées avec plusieurs algorithmes et modèles confirment les fortes interactions qui existent entre les choix d'un modèle, d'un algorithme et d'une formulation. Au-delà des caractéristiques intrinsèques des algorithmes, leur mise en œuvre pour l'optimisation des dispositifs électrotechniques reste l'épreuve de vérité et apporte quelques surprises. La maîtrise d'une diversité de modèles, d'algorithmes et de formulations garantit au concepteur d'arriver de façon rationnelle à un dispositif optimal.
Les perspectives de recherche à moyen terme concernent les algorithmes d'optimisation déterministes globaux à variables mixtes et les modèles et algorithmes capables de faire des choix structurels et de matériaux. Les perspectives à long terme portent sur l'optimisation systémique multi-niveau et multi-échelle.

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