Article

1 - DU BESOIN AU PROTOTYPE PV0 (PROTOTYPE VIRTUEL 0)

2 - DE PV0 À SA VERSION FINALE PVF : PROTOTYPAGE VIRTUEL

3 - CONCEPTION OPTIMALE

4 - PROTOTYPE RÉEL VERSUS PROTOTYPE VIRTUEL

5 - TENDANCES FUTURES DE LA CAO

  • 5.1 - Optimisation topologique
  • 5.2 - Application de l’intelligence artificielle (IA)
  • 5.3 - Machine intelligente
  • 5.4 - Jumeau numérique

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D3585 v2

CAO en génie électrique

Auteur(s) : Abdelmounaïm TOUNZI, Abdelkader BENABOU, Frédéric GILLON

Date de publication : 10 août 2021

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Présentation

RÉSUMÉ

Cet article brosse un panorama de la CAO en génie électrique. Une vision globale de la conception est d’abord introduite avant de présenter le processus itératif du prototypage virtuel avec quelques-unes des approches de modélisation classiquement utilisées pour évaluer les performances des convertisseurs électriques. L’accent est mis sur la nécessité de tenir compte de l’environnement d’utilisation du dispositif à concevoir et des différentes physiques mises en jeu ainsi que sur les stratégies d’optimisation types dans le processus de conception. Un éclairage est apporté sur les effets des procédés de fabrication, notamment pour distinguer le prototype virtuel du prototype réel. Enfin, la présentation de quelques axes de développements futurs dans le domaine de la CAO clôture l’article.

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ABSTRACT

CAD in electrical engineering

This article provides an overview of CAD in electrical engineering. An overview of the design process is first introduced before presenting the iterative process of virtual prototyping with common modeling approaches used to evaluate the performance of electric converters. Emphasis is put on the need to take into account the environment of the device to be designed and the different physics involved, as well as the typical optimization strategies in the design process. An insight of the effects of manufacturing processes is also presented, in particular to distinguish the virtual prototype from the real prototype. Finally, the presentation of some axes of future developments in the field of CAD concludes the article.

Auteur(s)

  • Abdelmounaïm TOUNZI : Université de Lille - Professeur - L2EP (Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance, Lille, France)

  • Abdelkader BENABOU : Université de Lille - Maître de Conférences HDR - L2EP (Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance, Lille, France)

  • Frédéric GILLON : Centrale Lille - Maître de Conférences HDR - L2EP (Laboratoire d’Électrotechnique et d’Électronique de Puissance, Lille, France)

INTRODUCTION

Concevoir un objet est généralement assimilé à sa création, ce qui sous-entend un cheminement qui va de l’imagination de l’objet jusqu’à sa réalisation. Dans le domaine technologique, la démarche de conception d’un produit industriel peut se définir comme l’ensemble des actions allant de l’expression du besoin jusqu’à la fourniture des données techniques permettant sa fabrication, voire sa réalisation concrète.

Déclinée aux spécificités du domaine électrique, cette définition générique s’applique bien évidemment à la démarche de conception d’un dispositif de conversion électrique. Elle peut s’expliciter de manière synthétique sous la forme suivante.

En réponse à un besoin, une première étape consiste à formaliser ce dernier sous la forme d’un cahier des charges technique qui englobe les objectifs visés et les contraintes globales de l’application. À partir de ce cahier des charges démarre alors la conception au sens commun du terme avec, pour première action, celle de la définition de la structure la plus adéquate pour répondre au besoin. Elle peut être issue de dispositifs similaires antérieurs ou représenter une topologie innovante. À ce jour, ce choix, qui constitue la partie ‘créative’ du processus, revient au concepteur sur la base de son expertise en termes de connaissances dans le domaine d’application du dispositif mais également dans des domaines connexes relatifs à son environnement d’utilisation. Il est à noter que ce choix n’est jamais totalement définitif et que la structure retenue peut être remise en cause si, à l’issue du travail de conception, les résultats du prototype final ne remplissent pas le cahier des charges.

Une fois la structure choisie, la seconde étape porte sur son dimensionnement au sens des grandeurs géométriques et des matériaux à utiliser. Cela passe généralement par l’utilisation de relations analytiques et/ou d’abaques reliant les grandeurs dimensionnantes aux performances visées ou encore en faisant appel à des dimensionnements antérieurs de structures similaires. Basée souvent sur des hypothèses simplificatrices, parfois relativement fortes, cette phase aboutit à un premier jet des dimensions du dispositif.

Ce premier prototype initie le processus itératif qui permettra d’aboutir aux dimensions géométriques et électriques du prototype final ainsi qu’aux matériaux qui le constituent. Il s’articule autour d’une boucle « Évaluation des performances – Modification des dimensions/matériaux » conjuguée le plus souvent à des procédures d’optimisation. Afin de converger vers ces dimensions, les évaluations sont idéalement menées avec le degré de précision le plus élevé tout en tenant compte de l’environnement de fonctionnement. Cela nécessite de mettre en œuvre des approches fines d’analyse multiphysique qui peuvent être analytiques, avec des hypothèses moins restrictives, ou numériques. Leur utilisation permet d’aboutir à une quantification des performances du prototype dimensionné proches de celles qu’aurait un dispositif réel. On parle alors de prototypage virtuel. Toutefois, même si les moyens de calcul sont de plus en plus performants, cela requiert des temps de calcul qui peuvent être incompatibles avec les nécessités industrielles. Par conséquent, cette étape peut être menée avec une modélisation moins fine, et donc avec un temps d’exécution réduit, mais qui demeure suffisamment précise pour quantifier de manière acceptable les performances du dispositif.

Une fois le prototype final obtenu, des indications sur les possibilités et/ou moyens de fabrication peuvent être fournies. Il est à noter que tout le processus décrit ci-dessus est effectué sur la base de modèles mathématiques avec des grandeurs nominales et une métrique déterministes. Les procédés de fabrication qui sont mis en œuvre pour la réalisation du dispositif s’accompagneront inévitablement de divers effets indésirables (incertitudes dues aux tolérances, effets sur les caractéristiques des matériaux…) qui affecteront inévitablement les performances du dispositif réel par rapport à celles prévues par le prototype virtuel. Par ailleurs, les conditions d’utilisation du dispositif, couplées au facteur temps, peuvent conduire à une évolution des propriétés des matériaux lesquelles peuvent également affecter les performances du dispositif : on parle alors de vieillissement des matériaux. Ces aspects, conjugués à des visions d’écoconception, font de plus en plus l’objet de travaux pour pouvoir les intégrer dans le processus global de la conception.

Dans cette démarche générique, la terminologie de « Conception assistée par ordinateur » (CAO) a été adoptée dans les années 1980 pour mettre en exergue l’aide de l’outil informatique dans un processus de conception, majoritairement basé sur des approches analytiques, auxquelles les calculs par ordinateur permettaient d’apporter une meilleure précision et rapidité de calcul. Aujourd’hui, cette terminologie est toujours d’usage même si le terme d’assistance ne revêt plus la même portée. En effet, hormis la première étape de la conception qui est, encore pour le moment, totalement dévolue au concepteur, la majorité des étapes de conception repose désormais sur l’utilisation d’outils numériques. Il faut toutefois garder à l’esprit que le concepteur demeure le maître d’œuvre des diverses étapes et utilise idéalement les outils numériques avec une parfaite connaissance de leurs potentialités et de leurs limites.

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KEYWORDS

computer aided design   |   electrical energy conversion   |   optimal design   |   impact of manufacturing processes

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d3585


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) -    -  https://www.ansys.com/products/electronics/ansys-maxwell

  • (2) - VIVIER (S.), GILLON (F.), BROCHET (P.) -   Optimization techniques derived from experimental design method and their application to the design of a brushless direct current motor.  -  IEEE Transactions on Magnetics, 37, (5), 3622-3626 (2001), doi: 10.1109/20.952676.

  • (3) - MARAULT (J.) -   Conception de machines asynchrones triphasées à bobinages statoriques dentaires.  -  Thèse Université de Lille (2021).

  • (4) - LUBIN (Th.) -   Contribution à la modélisation analytique ses actionneurs électromécaniques.  -  Rapport HDR, Université de Lorraine (2016).

  • (5) - CHILLET (C.), VOYANT (J.) -   Design-oriented analytical study of a linear electromagnetic actuator by means of a reluctance network.  -  IEEE Transactions on Magnetics, 37(4), 3004-3011, (2001), doi: 10.1109/20.947053.

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