Thèse Étude des Systèmes de Refroidissement des Machines Électriques In Situ en Vue de l'Établissement de Modèles Multiphysiques Rapides Réduits H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Technologie de Compiègne École doctorale : Sciences pour l'ingénieur Laboratoire de recherche : Mécanique, énergie et électricité Direction de la thèse : Stéphane VIVIER Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 Le but de cette thèse est de mettre en place une méthode de génération de modèles rapides décrivant le comportement multiphysique (électromagnétique, mécanique et surtout thermique) de machines électriques diverses dans des engins off-roads.

Les travaux de thèse sont centrés sur la modélisation multiphysique de machines électriques disponibles dans le commerce, et particulièrement, des machines synchrones à aimants permanents. Les modèles utilisés pour décrire les phénomènes physiques peuvent être numériques (méthode des éléments finis typiquement) ou bien semi-numériques (modélisation par constantes localisées ou par réseaux), choisis en fonction de leur domaine d'application (électromagnétique ou thermique). De plus, leur choix peut être réalisé relativement à leur précision et leur coût d'évaluation, mais aussi en fonction de leur facilité de mise en place et de potentielle simplification.

Il est prévu de confronter ces modèles à des mesures. En conséquence, il est d'ores et déjà prévu de réaliser des campagnes de mesures (notamment thermiques) sur des bancs dédiés et dans des engins off-roads déjà électrifiés ou en cours d'instrumentation, disponibles au CETIM. De ce fait, ces machines disponibles aux tests sont naturellement considérées prioritairement, pour la construction de leur modélisation multiphysique et dans la définition des procédures d'essais permettant leur recalage.

Dans le contexte des véhicules off-roads, les machines électriques sont installées dans des environnements potentiellement critiques sur le plan thermique (sources de chaleur importantes à proximité, espaces d'installation restreints et mal refroidis...). Ainsi, l'environnement de ces machines doit être pris en compte et les échanges thermiques complexes par convection correctement modélisés. Pour cela, l'expertise du CETIM concernant les calculs CFD peut être sollicitée, ainsi que celle d'autres partenaires académiques en fonction de leur expérience sur ce sujet. De manière connexe, les conditions thermiques imposées aux moteurs peuvent être fortement améliorées si des solutions de refroidissement performantes sont mises en place. De là, ces travaux vont s'intéresser aux multiples solutions existantes dédiées au refroidissement des machines électriques, tant sur le plan technique que celui de leur modélisation physique (i.e. thermique). Ces modèles de solutions de refroidissement doivent s'intégrer aux modélisations multiphysiques des machines, avant réduction.

L'étape suivante concerne la génération des modèles rapides associés. Typiquement ces modèles multiphysiques rapides sont obtenus par réduction (mathématique ou physique) des modèles initiaux. La diminution des temps d'évaluation doit être réalisée en maintenant une qualité de prédiction satisfaisante des grandeurs modélisées les plus importantes. Le choix des techniques de réduction doit être adapté aux types de modélisations initiales. Suivant la configuration rencontrée, des ressources et expertises scientifiques (à l'UTC notamment) peuvent être sollicitées.
In fine, les modèles rapides multiphysiques mis en place par cette thèse doivent permettre d'établir des règles d'implantation in situ des actionneurs électriques en fonction des solutions disponibles pour leur refroidissement. Également, pour un moteur donné, la modélisation multiphysique rapide établie doit permettre de déduire les conditions limites d'utilisation de ces actionneurs en fonction de tout système de refroidissement possible, au cours d'utilisations dans des cycles de fonctionnement prédéfinis.
Le secteur agricole est un des principaux contributeurs en termes d'émissions de gaz à effet de serre (GES). La plus grande partie de ces émissions est imputable à l'élevage des animaux et au travail du sol. Ce dernier nécessite une forte utilisation des engins agricoles qui sont motorisés par des machines à combustion interne, notamment des moteurs diesel. Afin de limiter les émissions GES produites par ces engins, des alternatives ont été proposées. Celle qui est actuellement la plus utilisée consiste à remplacer les machines à combustion par des machines électriques.
Le même type d'évolution technologique se produit pour les engins de chantiers comme les pelleteuses et les grues. On parle alors d'électrification des systèmes mécaniques appliquée aux engins off-roads.

Cette électrification oblige à repenser l'agencement interne des engins. Dans ce contexte, la modélisation des composants et de leurs interactions devient une étape clé dans la conception générale de ces engins mais aussi dans le choix de leurs composants. Les modèles utilisés doivent restituer le caractère multiphysique des phénomènes en jeu et être simultanément précis et rapides. Les machines électriques tournantes étant ainsi amenées à occuper une place centrale dans le fonctionnement de ces systèmes, il est donc nécessaire de maîtriser leur comportement (couple, vitesse, rendement) ainsi que leurs interactions (thermiques, hydrauliques, pneumatiques etc.) avec les autres composants du système.
La modélisation multiphysique des machines électriques est une étape initiale incontournable pour la conception des engins électrifiés.

Connaissances attendues : Électricité, électromagnétisme, phénomènes thermiques, machines électriques, modélisation multiphysique (analytique, éléments finis, autres), outils de programmation (Matlab, Python, Amesim).
Capacités opérationnelles impliquées : Rédaction de comptes-rendus, documents techniques, articles scientifiques. Travail en équipe.