Thèse Conception Innovante des Machines Électriques Tournantes Analyse Basée sur l'Optimisation Topologique Multiphysique et les Approches Génératives H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris Direction de la thèse : Maya HAGE-HASSAN ORCID 0000000309237875 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59 Le secteur des transports, notamment l'aéronautique et l'automobile, connaît une transformation majeure avec l'essor de l'électrification des systèmes de motorisation, motivée par la réduction des émissions de CO et de la consommation énergétique. Cette transition implique une refonte globale des chaînes de conversion d'énergie, de l'alimentation aux actionneurs, en passant par l'électronique de puissance. Pour rendre ces solutions compétitives, il est essentiel d'améliorer les machines électriques, en réduisant leur masse et leur volume, en augmentant leur rendement et en limitant les nuisances vibratoires et acoustiques.Dans une perspective de durabilité, l'analyse du cycle de vie (ACV) devient un outil clé pour évaluer les impacts environnementaux. Les études montrent que certaines architectures, comme les machines synchrones à réluctance assistée par aimants (PMSynRM), présentent un coût environnemental de production élevé mais offrent de meilleures performances globales en phase d'utilisation. Cela justifie leur étude approfondie, notamment selon des critères de couple, de rendement et de bruit.

L'optimisation de ces machines peut être abordée selon trois niveaux : paramétrique (ajustement de dimensions existantes), géométrique (modification des formes) et topologique (définition libre de la structure). Les progrès récents en fabrication additive métallique et en moulage de matériaux composites (SMC) ouvrent la voie à des géométries innovantes, moins contraintes par les procédés traditionnels. Cela nécessite le développement de méthodes d'optimisation adaptées pour exploiter pleinement ces nouvelles possibilités.

La thèse proposée s'inscrit dans la continuité de travaux antérieurs sur l'optimisation couplée magnéto-mécanique. Elle vise à intégrer des aspects vibratoires et acoustiques dans une approche d'optimisation topologique, ainsi qu'à introduire des méthodes de conception générative. Le travail débutera par la prise en main de modèles éléments finis sous Matlab, suivie de la définition d'objectifs liés au comportement vibro-acoustique. Une réduction du nombre de points de fonctionnement sera réalisée via des techniques de clustering.

Dans un second temps, une approche de conception générative sera développée, s'appuyant sur des modèles d'intelligence artificielle (réseaux de neurones, krigeage) capables de prédire rapidement les performances de différentes géométries. Ces modèles permettront d'explorer efficacement l'espace de conception et de mettre en place des stratégies hybrides combinant génération et optimisation, tout en intégrant les contraintes industrielles et les incertitudes de fabrication.

Le projet prévoit également une validation expérimentale : fabrication des pièces (impression 3D ou moulage), assemblage de la machine, puis tests de performance (rendement, comportement électromagnétique et acoustique). Les résultats seront comparés à ceux de machines conventionnelles afin d'évaluer les gains apportés.

Enfin, une ouverture vers une analyse complète du cycle de vie du berceau à la tombe sera menée, intégrant l'extraction des matériaux, la fabrication, l'utilisation et la fin de vie. L'objectif global est de démontrer la pertinence des nouvelles architectures optimisées, tant sur le plan énergétique qu'industriel, et d'évaluer leur potentiel de déploiement à grande échelle.
Le monde des transports, en particulier dans les secteurs de l'aéronautique et de l'automobile, connait actuellement de profonds changements, avec en particulier une forte croissance dans l'électrification des systèmes de motorisation. Ces choix sont bien entendu liés à la volonté de réduire la production de CO2 ou d'un point de vue plus pragmatique, de réduire la consommation de ces systèmes. Suivant l'application visée, cette révolution électrique conduit à une réflexion sur tout ou partie de la conversion de l'énergie, allant de l'alimentation à l'actionneur en passant par la chaîne de puissance électrique.
Pour rendre le passage à une solution électrique viable, il est donc nécessaire de progresser dans la technologie des équipements électriques, et en particulier au niveau des machines tournantes, afin de réduire leurs rapports masse/volume, d'améliorer leur efficacité énergétique et de limiter les perturbations vibratoires ou acoustiques que peuvent émettre certaines structures.

Du point de vue de la durabilité, l'analyse du cycle de vie est de plus en plus utilisée pour évaluer les impacts environnementaux des machines électriques, en mettant particulièrement l'accent sur l'efficacité énergétique en phase d'utilisation et sur le rôle des aimants à terres rares. En ce qui concerne
l'ACV des machines électriques, dans [6-7], différentes configurations de machines électriques et des techniques de fabrication ont été analysées pour : IM, SynRM et PMSynRM, ont été analysées pour des applications de moteurs de traction. Les résultats ont révélé que les PMSynRM entraînent les coûts les plus élevés en phase de production parmi les topologies comparées ; cependant, en phase d'utilisation, ils présentent une empreinte environnementale globale plus faible [6-7]

En se basant sur cette analyse, ce type de structure sera étudiée et optimisée sur des critères de couple moyen, ondulations de couple, rendement, émissions acoustiques... Trois différentes classes de problème d'optimisation peuvent être établies et se distinguent par la nature de la variable de conception [1] :
- l'optimisation paramétrique pour laquelle on cherche à travailler sur des paramètres d'une géométrie prédéfinie, en particulier pour des raisons liées à la fabrication des tôles, ce qui limite les possibilités de trouver une solution optimale ;
- l'optimisation de forme (optimisation géométrique), qui introduit des variables de conception qui permettent des variations de la position des frontières de la forme, ces variables pouvant être les éléments constitutifs d'un maillage ;
- l'optimisation topologique qui permet quant à elle de modifier la nature de la structure : la géométrie et la topologie ne sont alors pas connues a priori.

Les récents développements concernant les possibilités d'impression 3D « métalliques » ou de moulage avec des SMC permettent d'envisager une réflexion sur des géométries plus innovantes, non contraintes par les processus de fabrication classiques (cf. exemples pour des bobinages en Fig. 1 [2] ou pour un moteur en Fig. 2 [3]). Une démarche d'optimisation adaptée doit alors être mise en place pour converger vers le design optimal de la machine, dont les performances en termes d'efficacité énergétique et d'émissions acoustiques doivent être validés. - S'approprier un logiciel éléments-finis développé en interne au laboratoire et des algorithmes d'optimisation pour mettre en place des démarches d'optimisation paramétrique/géométrique et/ou paramétrique/topologique multi-matériaux sur la géométrie de la machine, en partant d'un cahier des charges adapté à une machine « conventionnelle ». Plusieurs verrous sont à lever, en particulier la possibilité d'intégrer des contraintes acoustiques, calcul sur cycle de conduite dans la procédure, et l'application de la démarche d'optimisation sur une partie d'une structure complexe du type stator/rotor.

- Proposition d'un couplage optimisation/modélisation par modèle de substituant via la structuration de l'espace de conception paramétrique pour permettre une exploration pertinente et contrôlée, le développement de modèles d'IA (Réseaux de neurones, Krigeage, etc.) capables de prédire avec précision le comportement multi-physique (electromagnétique-mécanique-vibratoire).

- Mener une réflexion sur les possibilités de réaliser tout ou partie d'une machine électrique tournante (comme par exemple le bobinage, ou des aimants dont les formes et direction d'aimantation ne sont pas connues a priori [9]) à l'aide d'une imprimante 3D et/ou moulage SMC, et définir les contraintes liées à la réalisation de différentes pièces par cette méthode.

- Réaliser les pièces de la machine tournante en s'appuyant sur les systèmes d'impression, disponibles soit au sein de l'Université Paris Saclay soit chez des partenaires extérieurs tel que le Cirimat, ou par moulage, gérer l'assemblage de la machine et valider son fonctionnement global.

- Réaliser des mesures de rendement et des performances électromagnétiques et acoustiques de la machine obtenue, afin de les comparer à des celles des solutions conventionnelles. Pour cette partie, le doctorant pourra s'appuyer sur le banc machine disponible au laboratoire, ainsi que sur les possibilités de mesures des vibrations et des émissions sonores (accéléromètres, microphone, enceinte acoustique...).
- Définir les objectifs liés à la dépense énergétique sur cycle de vie de la machine électrique ainsi que les méthodes d'optimisation topologique adaptées à ce problème combinatoire.

Le/La candidat.e doit idéalement présenter les compétences suivantes :
- fortes compétences en modélisation numérique type méthode des éléments-finis et en mathématiques appliquées
- bonnes compétences des méthodes d'optimisation
- des bases solides en physique (électromagnétique et mécanique)
- des bases en Machine learning
- des connaissances en commande de machines électriques seraient un plus, mais ne sont pas prioritaires pour ce sujet.