IRN Maxwell : Méthodes et outils multi-échelles pour la modélisation et la conception des composants et systèmes électriques

IRN Maxwell entre le Laboratoire en énergie électrique, matériaux, procédés et systèmes innovants, modélisation et conception. (G2Elab ,UMR 5269) et l’Université Fédérale de Santa Catarina (UFSC, Florianopolis, Brésil), Dep. Engenharia Elétrica (EEL)

Partenaires français du projet

Nom du coordinateur : Olivier Chadebec

Laboratoire de rattachement du coordinateur : G2Elab (UMR 5269) – 21 avenue des martyrs, 38031 Grenoble

Institut CNRS : INSIS

Autres organismes et laboratoires :

  • Laboratoire Ampère (UMR 5005) – 36 Avenue Guy de Collongue 69134 Ecully
  • Laboratoire Geeps (UMR 8507) –  11 Rue Joliot Curie, 91192 Gif-sur-Yvette
  • Laboratoire Laplace (UMR 5213) – 2 rue Charles Camichel, 31071 Toulouse

Partenaire(s) étranger(s)

Pays concerné : Brésil

Nom du coordinateur : Patrick Kuo-Peng

Organisme et laboratoire de rattachement du coordinateur : Université Fédérale de Santa Catarina (UFSC, Florianopolis, Brésil), Dep. Engenharia Elétrica (EEL)

Autres organismes et laboratoires :

  • Université Fédérale du Minas Gerais (UFMG, Belo Horizonte, Brésil), Dep. Engenharia Elétrica (DEE)
  • Centre Fédéral Technologique du Minas Gerais (CEFET-MG, Belo Horizonte, Brésil), Dep. Engenharia Elétrica
  • Université de Sao Paulo (USP, Sao Paulo, Brésil), Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas

Programme scientifique concis :

La complexité croissante des systèmes électriques implique aujourd’hui de développer un ensemble de méthodes afin de répondre de manière pertinente et efficace aux nouveaux enjeux sociétaux de la transition énergétique. Actuellement, la conception en ingénierie électrique est basée sur un usage important de méthodes et d’outils numériques spécifiques, développés souvent par et pour des ingénieurs et dédiés à des applicatifs précis. Si des outils généraux et commerciaux de modélisation ont vu le jour ces dernières décennies (par exemple les outils éléments finis pour la conception de composants électromagnétiques ou les outils d’analyse des flux d’énergie ou des transitoires électromagnétiques pour les réseaux électriques), ceux-ci ne couvrent pas tous les besoins. Il est donc nécessaire d’étendre les capacités de modélisation des dispositifs électromagnétiques et systèmes électriques, d’aider à leur expertise, à leur conception et à leur gestion énergétique optimale. Cependant, les méthodes actuelles possèdent plusieurs limitations :

  • Les modèles des composants ou des systèmes ne sont pas assez performants car ils possèdent des hypothèses trop restrictives ou des temps de calcul prohibitifs.
  • Les modèles sont souvent uniquement électromagnétiques, limités à une seule échelle de temps ou/et d’espace et peu couplés avec d’autres physiques.
  • Les méthodes ne prennent peu ou pas en compte les incertitudes liées à la physique, les géométries, les défaillances ou même les évènements externes qui peuvent parfois être extrêmes.
  • La mise en œuvre des couplages avec des méthodes d’optimisation mériterait d’être mieux formalisée et adaptée aux spécificités du génie électrique.

Les outils sont trop orientés vers les concepteurs et pas assez vers les gestionnaires et les usagers.

L’objectif de l’IRN « Maxwell» est d’initier une réflexion méthodologique transverse et pilotée par les méthodes numériques en proposant des méthodes efficaces et en rupture qui irrigueront les domaines applicatifs du génie électrique et permettront de lever progressivement les verrous précédents. Il s’agit ainsi de développer des méthodes et des outils généraux et en rupture pour la modélisation, l’analyse, la conception, la supervision des systèmes d’énergie électrique avec une dimension multi-échelles. L’enjeu à long terme est de proposer des méthodes générales

  • Couvrant un large spectre d’échelles (de l’échelle microscopique pour les lois comportementales des matériaux à l’échelle continentale pour les réseaux électriques)
  • Intégrant les incertitudes et les évènements incertains
  • Pouvant se recaler à partir de données externes mesurées ou simulées
  • Pouvant être intégrées dans des boucles d’optimisation performantes
  • Pouvant être appliquées à des composants et systèmes du génie électrique tels que les machines tournantes, les actionneurs, les dispositifs d’électronique de puissance ou les réseaux.

Complémentarité des équipes :

Les quatre laboratoires français sont reconnus dans le domaine de la modélisation et de la conception en génie électrique et couvrent largement les recherches qui y sont portées par le CNRS. Côté Brésilien, parmi les quatre universités qui vont participer à ce projet, trois sont d’un excellent niveau (USP, UFMG, UFSC) car elles figurent régulièrement dans le top 10 des classements internationaux des meilleures universités d’Amérique Latine. Elles sont des partenaires historiques de notre communauté. Le CEFET-MG est moins connu mais sa présence dans l’IRN est justifiée par une collaboration historique et dynamique avec certains partenaires français.

Rappel du contexte de la coopération et des relations existantes

Dans le domaine des méthodes numériques appliquées à l’énergie électrique, les quatre laboratoires de recherche français et les quatre universités brésiliennes partenaires ont tissé des liens étroits depuis près de trente ans. Historiquement, ces collaborations ont été initiées dans le domaine de la modélisation et de l’optimisation des composants électromagnétiques. Elles ont été concrétisées par la création en 2009 d’un laboratoire international associé nommé « James Clerk Maxwell » (LIA CNRS 817). Ce LIA regroupait deux laboratoires français (Ampère et G2Elab) et trois universités brésiliennes (USP, UFMG et UFSC). Pendant 12 ans, ce laboratoire a suscité un grand engouement de la part des membres des deux pays en contribuant à faire collaborer une nouvelle génération de jeunes chercheurs. Au fil des années, son périmètre scientifique s’est étendu en dépassant le cadre de l’étude des composants électromagnétiques et en l’ouvrant vers la problématique plus large des systèmes d’énergie électrique mais avec une vision toujours irriguée par celle des modèles et méthodes numériques. Ce LIA s’est terminé en 2020 avec la crise sanitaire. Le projet d’IRN « Maxwell » est la continuation logique du LIA « Maxwell ».

Résultats attendus du projet

L’IRN « Maxwell » sera avant tout une structure d’animation et de coordination. Il s’agit de faire circuler l’information scientifique et de la partager de manière très approfondie, pour créer des synergies : thèses partagées, jurys mixtes, échanges de moyenne ou longue durées de jeunes chercheurs (thèses sandwich, post-doc juniors) ou de chercheurs expérimentés (post-doc seniors, postes de Professeurs Invités, mutations) ; coordination de dépôts de projets (Capes-Cofecub, appel des organismes publics CNPq et CNRS) à réaliser ensuite en commun; organisation annuelle d’un meeting franco-brésilien « IRN Maxwell ». Les résultats attendus sont donc essentiellement d’ordre académique. Le lancement de ce réseau pourra aussi permettre de meilleur résultat aux différents appels à projet.

Perspectives industrielles ou attendues du projet

Comme le présente notre projet scientifique, l’IRN adresse des problématiques essentiellement méthodologiques (modélisation numérique et méthodes d’optimisation associées) dans un contexte académique.

Il est toutefois évident que nos travaux se déclinent dans des domaines applicatifs concrets touchant à l’ingénierie électrique, domaine pouvant être parfois économiquement sensible. Remarquons ici que nos recherches dans le cadre de cette collaboration restent toutefois amonts et que nous travaillons à la modélisation (et à l’amélioration par optimisation ou pilotage optimal) de dispositifs la plupart du temps déjà existants. Ainsi nos objectifs ne sont pas le développement de nouveaux composants ou systèmes mais plutôt le développement de nouvelles méthodes permettant une meilleure connaissance et donc l’amélioration de dispositifs déjà connus.  

Comme évoqué ci-dessus, une des particularités de notre projet est que nos travaux visent à développer des méthodes numériques originales. A moyen terme, ces méthodes implémentées sous forme d’algorithmes pourront être intégrées dans des codes informatiques ou plus largement dans des logiciels qui ont pour objet la modélisation et la conception des dispositifs du génie électrique. C’est certainement une des perspectives industrielles les plus immédiates de nos travaux. Mentionnons que le G2ELab est à l’origine d’un certain nombre de logiciels dont certains sont aujourd’hui commercialisés (logiciel Flux commercialisé par la société Altair, plateforme MIPSE,…). Certaines des méthodes développées dans le cadre des travaux de l’IRN Maxwell auront certainement vocation à être intégrées dans ces suites logicielles. Notons que ces logiciels sont protégés juridiquement par des dépôts APP (Agence pour la Protection des Programmes) et que leurs sources bénéficient d’accès sécurisés.

Avantages attendus de la collaboration pour le/les laboratoire(s) français :

Les équipes de recherches brésiliennes de l’IRN Maxwell sont du meilleur niveau international d’un point de vue académique. Ainsi, nos équipes françaises ont tout intérêt à collaborer avec nos collègues brésiliens (cette remarque est évidemment vraie du Brésil vers la France car l’échange et la collaboration sont la base de toute recherche scientifique). Plus pragmatiquement, il faut noter que la recherche scientifique au Brésil est très dynamique et a bénéficié ces vingt dernières années de moyens financiers importants en particulier par l’intermédiaire d’un grand nombre de bourses de mobilités. Ceci est particulièrement vrai pour le génie électrique au Brésil qui est une discipline d’excellence attirant les meilleurs étudiants. Ainsi, les laboratoires français pourront bénéficier de collaborations avec de jeunes chercheurs très bien formés et particulièrement motivés.

Apports dans le projet du/des laboratoire(s) français :

Les apports sont essentiellement méthodologiques, chaque groupe possédant ses propres champs d’expertise puisés dans le programme scientifique. Financièrement, l’apport français couvre les salaires associés aux moyens humains ainsi que le financement des mobilités.

Apports dans le projet du/des laboratoire(s) étrangers :

D’une manière tout à fait symétrique, les groupes brésiliens contribuent au projet par des apports méthodologiques ainsi que par des moyens humains (salaires et missions).

    Participants

    • Olivier Chadebec, Coordinator France
    • Patrick Kuo-Peng, Coordinator Brazil