Optimisation strategies using the Experimental Design Method and Application to electrotechnical devices modelled by finite elements. Stratégies d'optimisation par la méthode des Plans d'Expériences, et Application aux dispositifs électrotechniques modélisés par Eléments Finis

Archive ouverte : Thèse

Vivier, Stéphane

Edité par HAL CCSD

The work presented in this memoir deals with the application of the Experimental Design Method (EDM) to the study and the optimisation of electrotechnical devices. The finite element modelling stands as the privileged analysis tool, giving the virtual prototypes of the studied devices. The EDM, introduced in the first chapter, is an homogenous set of tools and algebraic statistical methods, aiming to establish and analyse the relations between the studied variables (responses) and their supposed variation sources (factors). This analysis can be qualitative to determine the influent factors, or quantitative in order to establish the response variations according to the significant factors. The modelling operation is always fundamental. It is deduced at the end of series of simulations, defined by experimental designs (ED). The second chapter presents several algorithms using exclusively designs of experiments, for the modelling of the responses and for the research of optimal conditions. Particular aspects appear then, like the possibility to reuse experiments between designs. The virtual nature of each experiment justifies the creation and the development of an optimisation manager, in order to automate, and to make easier, the application of the EDM as well as the optimisation strategies using ED, from computer simulations. The third chapter presents the main characteristics of this new tool: Sophemis. Finally, the fourth chapter applies the different developments shown in the precedent parts, by the application of the optimisation algorithms to the study of three electrotechnical systems. The first one is a brushless permanent magnet motor, the second one deals with the 22th benchmark of the T.E.A.M. Workshop, and the last one is related to a linear eddy current braking system, designed for railway applications. . Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'application de la Méthode des Plans d'Expériences (MPE) à l'étude et à l'optimisation de dispositifs électrotechniques. La modélisation éléments finis est l'outil d'analyse privilégié, fournissant les prototypes virtuels des dispositifs étudiés. La MPE, introduite dans le premier chapitre, est un ensemble homogène d'outils et de méthodes algébro-statistiques visant à établir et à analyser les relations existant entre les grandeurs étudiées (réponses) et leurs sources de variations supposées (facteurs). Cette analyse peut être qualitative afin de déterminer des facteurs influents, ou bien quantitative pour établir les variations des réponses en fonction des facteurs significatifs. L'opération de modélisation est toujours fondamentale. Elle est opérée à l'issue de séries de simulations définies par les plans d'expériences (PE). Le deuxième chapitre présente plusieurs algorithmes utilisant les PE de façon exclusive, pour la modélisation des réponses ainsi que pour la recherche des conditions optimales. Des particularités apparaissent alors, telle que la possibilité de partager certaines expériences par plusieurs plans. Le caractère virtuel des expériences justifie la création et la mise au point d'un superviseur d'optimisation, afin d'automatiser et de faciliter l'application de la MPE et celle des stratégies d'optimisation par PE à partir de simulations informatiques. Le troisième chapitre présente les principales caractéristiques de ce nouvel outil : Sophemis. Enfin, le quatrième chapitre met en œuvre l'ensemble de ces développements, en appliquant les algorithmes d'optimisation présentés, à l'étude de trois systèmes électrotechniques. Le premier est un moteur brushless à aimants permanents, le second correspond au cas test n°22 du T.E.A.M. Workshop, et le dernier se rapporte à un frein linéaire à courants de Foucault pour usage ferroviaire.

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