Les avantages que présentent les systèmes électriques par rapport aux autres systèmes (mécaniques, hydrauliques et pneumatiques) ont permis d’intensifier l’électrification des systèmes embarqués à bord des aéronefs : c’est le concept d’avion plus électrique. Dans ce contexte, l’approche de conception intégrée par optimisation (CIO) de ces systèmes s’avère aujourd’hui une nécessité pour pouvoir répondre aux exigences en termes d’efficacité énergique, de fiabilité et de masse... Dans cette thèse, nous avons appliqué la CIO à une chaine de conversion électromécanique utilisée dans le système de conditionnement d’air d’un avion. Deux objectifs sont ciblés : la minimisation de la masse du système et l’augmentation de son efficacité énergétique. Ces objectifs sont intégrés à diverses contraintes hétérogènes, allant de la qualité réseau au respect de la mission de vol dans le plan couple – vitesse, en passant par la thermique,… Compte tenu de la complexité du système étudié et de son caractère multidisciplinaire, des approches de conception par optimisation dites « MDO » (pour Multidisciplinary Design Optimization) sont étudiées. En effet, au delà des compétences physiques et techniques, la conception intégrée par optimisation des systèmes complexes nécessite des efforts supplémentaires en termes de méthodologies de conception. Nous avons présenté dans cette thèse trois approches : Approches mono-niveau : séquentielle et globale ; Approche multi-niveaux, couplant niveaux système et niveau constituants (filtre, onduleur, machine) ; des formulations adaptées à notre problème de conception sont présentées afin de résoudre les problèmes liés aux optimisations mono-niveau. Les performances des différentes approches de conception sont présentées analysées et comparées. Les résultats obtenus montrent clairement les avantages que présente la formulation multi-niveaux par rapport aux approches classiques de conception. / The benefits of electrical systems compared to other systems (mechanical, hydraulic and pneumatic) are a serious motivation for the electrification of embedded systems in “more electric aircraft”. In this framework, the integrated optimal design of these systems appears necessary to meet requirements in terms of efficiency, reliability and weight reduction. In this thesis, we have applied the integrated optimal design to an electromechanical system used in the air conditioning system of a more electric aircraft. Two objectives are targeted: the minimization of the system weight and the increase of its efficiency. Both objectives are integrated with several heterogeneous constraints, from network quality till flight mission fulfilment in the torque vs speed plan. Because of the complexity of the studied system and its multidisciplinary nature, "MDO" approaches (for multidisciplinary Design Optimization) are studied. In fact, beyond physical and technical skills, integrated optimal design of complex systems requires additional efforts in terms of design methodologies. Three approaches are presented in this thesis: One-level Approaches: sequential and global; Multilevel approach, coupling “system” level with “device” level (filter, inverter, electric machine); a set of formulations adapted to our design problem are presented to solve the issues associated to the one-level approaches. The performance of these design approaches are presented, analyzed and compared. The results clearly show the advantages that involves multilevel formulation compared to conventional design approaches.

Dans le contexte de l'avion plus électrique, de nouveaux défis technologiques apparaissent dans le développement des systèmes embarqués afin d'augmenter leur puissance électrique. Une optimisation visant la sécurité, l'efficacité énergétique et une diminution du volume et de la masse est ainsi nécessaire. A cet effet, les dispositifs doivent être considérés dans leur ensemble et non par éléments séparés. Pour faciliter l'intégration des systèmes de puissance et assurer la qualité du réseau de bord avion, cette thèse propose de tenir compte de la mission de vol et d'étudier la CIO « Conception Intégrée Optimale » du système complet comprenant le filtre d'entrée et l’onduleur de tension alimentant l'actionneur synchrone à aimants permanents haute vitesse « HSPMSM ». L'application est dédiée au système de conditionnement d'air cabine « ECS – Environmental Conditioning Systems » comprenant le compresseur d'air étudié, d'une puissance nominale de 70 kW. La thèse est structurée en trois parties principales: le dimensionnement des composants de la chaîne de conversion électromécanique ; la conception locale et séquentielle de chacun des composants du système (boucle d'optimisation actionneur puis boucle d'optimisation « onduleur de tension + filtre d'entrée » ; la conception simultanée de tous les composants du système (boucle d'optimisation globale). Les fronts « Pareto-optimaux » des solutions obtenues à partir des méthodes de conception séquentielles et simultanées sont présentés, analysés et comparés. Les résultats mettent clairement en évidence l'avantage d'utiliser une boucle d'optimisation unique pour l'amélioration de la masse et de l'efficacité énergétique du système. / The concept of More Electric Aircraft (MEA) implies new challenges especially due to the increase of the electrical embedded power. By this way, necessary improvements in terms of safety, energy efficiency and weight reduction are required. For this reason, the design of devices should be more approached with a view to the whole system than as separated elements. In order to facilitate power system integration and to ensure power quality aboard, this dissertation proposes an Integrated Optimal Design (IOD) of the input filter and the inverter feeding the High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor (HSPMSM) by taking the flight mission into account. The Environmental Conditioning System (ECS) is equipped of the studied cabin air compressor with a rated power of 70 kW: a Multiobjective Genetic Algorithm (MOGA) is applied to achieve the CIO process. Considering the ECS as a whole, this thesis can be divided into three main parts: components sizing of the electromechanical conversion chain; local and sequential design of each system components (HSPMSM optimization loop followed by “voltage source inverter + input filter” optimization loop); simultaneous design of all system components (global optimization loop). Pareto-optimal solutions obtained from sequential and simultaneous design approaches are presented, analyzed and compared. Results clearly highlight the advantage of using a single optimization loop for the whole system in order to improve mass and efficiency.