Titre de l'écran-titre (visionné le 1er février 2024) / La curiethérapie à haut débit de dose permet de faire des traitements localisés du cancer en utilisant une source radioactive placée temporairement à proximité ou dans la tumeur du patient à l'aide des implants. La source est acheminée par un projecteur de source. Le succès de ce type de traitement est en partie lié à la localisation exacte de ces implants grâce à l'imagerie médicale tridimensionnelle (3D) ; leurs coordonnées 3D sont utilisées pour optimiser la dose administrée à la tumeur tout en épargnant les tissus sains environnants. Présentement en clinique, les coordonnées sont obtenues par reconstruction manuelle par des physicien(ne)s médical(e)s, mais il peut y avoir des erreurs d'identification lorsque les cathéters se chevauchent, l'épaisseur de coupe des images est trop grande ou le contraste n'est pas suffisant. Le Centre intégré de cancérologie du CHU de Québec-Université Laval, possède l'un des trois prototypes de recherche de projecteur de source au monde qui intègre un capteur de suivi électromagnétique (EM). Celui-ci permet la reconstruction automatique de la géométrie 3D des implants, ainsi surmontant les limitations des reconstructions basées sur les images, tel que le contraste et la résolution spatiale. L'un des défis de la technologie EM est qu'elle ne partage pas intrinsèquement le même référentiel que l'imagerie médicale du patient. Ce mémoire compare des méthodologies de reconstruction des implants avec le capteur EM (statique et en mouvement continu) dans des environnements cliniquement pertinents, ainsi que des méthodes pour recaler ces mesures dans le référentiel d'un ensemble d'images de tomodensitométrie (TDM) et d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Un nouveau fantôme a été utilisé pour faire des expériences d'assurance qualité et valider une méthode de recalage novatrice basée sur la géométrie d'un applicateur gynécologique. La méthodologie d'acquisition EM en mouvement continu et la méthode de recalage avec l'applicateur ont permis d'erreurs de recalage moyennes (EM vers TDM) avec une exactitude cliniquement acceptable (< 2 mm) et un temps de reconstruction de 6 minutes dans les salles de curiethérapie avec TDM et IRM. Puisque l'applicateur est aussi visible dans l'IRM, cette méthodologie pourrait potentiellement être étendue pour la planification de curiethérapie gynécologique interstitielle utilisant seulement l'IRM, où les cathéters interstitiels sont difficiles à visualiser. Bien qu'il reste encore à faire plusieurs mesures de validation, cette approche pourrait éviter le déplacement des patientes pour faire un examen d'imagerie TDM afin de reconstruire les cathéters, gagnant ainsi du temps et évitant le rayonnement supplémentaire du TDM.

Les matériaux magnétiques sont utilisés pour la fabrication des circuits magnétiques des dispositifs électromagnétiques. Ces matériaux ont une grande influence sur les performances et les topologies possibles de ces dispositifs. La topologie de la MFT (Machine à Flux Transverse) clawpole à stator hybride requiert l'usage combiné de matériaux magnétiques laminés et de SMC (Soft Magnetic Composites) pour limiter les pertes Fer. Néanmoins, à cause de son nombre de pôles élevé et de l'utilisation des SMC, les pertes Fer dans la MFT sont généralement plus importantes que dans les autres types de machines électriques. Le travail présenté dans ce mémoire porte sur l'étude de matériaux magnétiques composites à particules lamellaires (SL-SMC) qui peuvent améliorer les performances magnétiques des dispositifs électromagnétiques utilisant des pièces magnétiques moulées. La forme des particules ferromagnétiques employées et la résistance thermique du diélectrique utilisé pour leur isolation permettent à ces matériaux anisotropes de combiner l'avantage de moulabilité des SMC et les très bonnes propriétés magnétiques des tôles laminées. Les simulations d'une MFT clawpole à stator hybride qui intègre des concentrateurs en SL-SMC montrent que l'usage de ce matériau permet d'améliorer le rendement de la machine. Ce gain de rendement est la conséquence d'une augmentation de la puissance de la machine et d'une réduction des pertes Fer dans le rotor de la machine. La valeur du gain observé dépend fortement de la géométrie de la MFT.

La conception de produits de haute qualité inclut généralement la résolution de problèmes à objectifs multiples antagonistes dans des espaces de recherche complexes. Les méthodes d'optimisation évolutionnaires multiobjectif sont considérées comme des outils appropriés pour la résolution de ces problèmes difficiles. Cette thèse présente une brève revue des concepts et méthodes d'optimisation et détaille en outre l'implémentation d'un " Algorithme Génétique MultiObjectif " (AGMO) associé à des analyses de sensibilité pour l'optimisation de dispositifs. Le but est de fournir à l'ingénieur non seulement une ample variété de solutions (ce qui facilite les négociations avec son client), mais aussi la possibilité de mieux analyser son propre problème. Ce travail comprend deux contributions principales : - Un algorithme d'optimisation qui traite les deux espaces, celui des paramètres et celui des objectifs, sans en privilégier un, ce qui rend plus facile le processus de recherche des solutions optimales ; - Le développement et l'intégration d'études de sensibilité, destinées à vérifier la stabilité des solutions obtenues, et à tester le modèle adopté par l'ingénieur pour la représentation de son problème. Plusieurs exemples concernant l'électromagnétisme ont été analysés pour évaluer la procédure proposée ; la principale application est l'optimisation des antennes à réflecteurs pour des systèmes de satellites. La performance et les caractéristiques de l'AGMO sont discutées pour chaque problème. Même si ces discussions ont été proposées pour les quelques exemples spécifiques présentés, elles sont généralisables et leurs conclusions s'appliquent à n'importe quel projet.

Ce travail s'intéresse à la conception sous contraintes de dispositifs électromagnétiques à l'aide de modèles analytiques. Après avoir présenté le contexte de conception en génie électrique, et les problèmes inhérents au dimensionnement sous contraintes, notamment celui des systèmes d'équations implicites, l'étude présente une nouvelle architecture orientée objet pour le dimensionnement à l'aide de modèles analytiques. L'objectif est de créer un environnement souple et modulaire pour manipuler les équations analytiques de façon à utiliser toute l'information qu'elles contiennent. On veut par exemple ré-orienter le modèle étudié ou calculer les dérivées partielles symboliques des paramètres de sortie, ceci afin d'effectuer de la propagation de contraintes, du solver ou de l'optimisation sous contraintes. Un prototype informatique implantè est présenté.

L’avènement du Génie électrique, il y a plus d’un siècle maintenant, s’est accompagné dès ses débuts, de recherche de matériaux ferromagnétiques performants pour la réalisation de l’élément central des dispositifs électromagnétiques, le circuit ou noyau magnétique. Ces matériaux, constitués initialement de fer, ont été très vite alliés au silicium, au cobalt et au nickel pour plusd’efficacité énergétique. Pour un dispositif donné, le choix d’un tel ou tel matériau passe souvent par un exercice de compromis vis-à-vis des besoins applicatifs (performances magnétiques, caractéristiques mécaniques et thermiques, etc., et bien sûr coût). La fréquence et la température de fonctionnement sont entre autres des paramètres importants. Parmi ces matériaux, les FeNi, bien qu’ils soient matures industriellement, voient toujours de nouveaux marchés s’ouvrirent à eux année après année grâce à l’attrait technique qu’ils exercent. Ce travail s'inscrit dans la continuité des recherches engagées à AMPERE sur les modèles comportementaux de matériaux magnétiques avec prise en compte des effets de la température. En effet, la recherche permanente de performances et de compacité ou intégration pour tous les dispositifs électromagnétiques soumet les circuits magnétiques à des contraintes physiques et en particulier thermiques de plus en plus sévères. Il est donc nécessaire de caractériser et modéliserprécisément les matériaux ferromagnétiques, et plus particulièrement les alliages FeNi, afin de les intégrer dans les outils de conception et d’optimisation de ces dispositifs. Pour cela, nous avons notamment dû mettre en oeuvre un dispositif expérimental adapté, et réaliser de nombreuses et longues expérimentations afin d’élaborer des modèles performants de comportement de ces matériaux. Ces modèles étudiés ou/et développés ont été ensuite testés sur une démonstrateur réel. Dans le cadre de cette thèse qui s’est déroulée en collaboration avec le Centre de Recherche du groupe APERAM, nous avons choisi une application particulièrement sensible en matière de sécurité des personnes « le système de protection différentielle » où le circuit magnétique (en alliage Fe–50%Ni ou Supra50) constitue une part très importante des performances et de la fiabilité. Enfin, de nouveaux alliages FeNi(Cr, Cu) à faible teneur en Ni (donc économiques) issus du Centre de Recherche d’APERAM ont été étudiés en vue de tester leur aptitude à remplacer le Supra50 dans ces systèmes. Le but est au final de proposer des alliages FeNi économiques aptesà la fabrication du circuit magnétique des relais de disjoncteurs différentiels à propre courant. / The advent of Electrical Engineering has been accompanied since its beginning, by the research of high performance ferromagnetic materials for the realization of the central element of electromagnetic devices, the magnetic core/circuit. These materials initially consisting of iron were alloyed with silicon, cobalt and nickel for more energy efficiency. For a given device, the material must be designed to meet the requirements of the application (magnetic performances, mechanical and thermal characteristics...and cost. The frequency and the operating temperature are, among others, important parameters to be taken into account. Among these materials, the FeNi alloys, although they are industrially mature, see new markets opened to them thanks to their certain specific characteristics and the innovations brought by the manufacturers of these materials. This work is a continuation of ongoing researches in AMPERE laboratory dealing with thebehavioral models of magnetic materials taking into account the effects of temperature. Indeed, there is a trend in a growing number of electromagnetic devices to require high performance and compactness or integration. Thus, in this context, the magnetic circuits are subjected to physical and thermal stresses that are becoming more and more stringent. It is therefore necessary to resort to the experimental characterization and modeling of the behavior of ferromagnetic materials, particularly the FeNi alloys, in order to integrate them into the design and optimization tools of these devices. To do so, we have implemented an appropriate experimental bench, andachieve many and long experiments to develop advanced behavioral models of these materials. These models were then tested on a particularly sensitive application in the field of safety of persons, the differential protection system where the magnetic circuit (of Fe-50% Ni or Supra50) is a very important part of performance and reliability. Finally, new low Ni content FeNi (Cr, Cu) alloys provided by Aperam Research Center in Imphy, were studied in order to test their ability to replace the usual Supra50 alloy in these systems. The final aim is to propose new economic FeNi alloys suitable for the manufacture of the magnetic circuit of industrial ground fault circuit-breaker relay.