Le développement d’aéronefs « plus » voire « tout » électriques a pour conséquence la conception d’architectures électriques embarquées de plus en plus complexes entraînant une très nette augmentation du nombre de câbles électriques à déployer au sein des véhicules. Parmi les contraintes rencontrées lors des phases de définition et d’intégration des réseaux de câblages, les aspects de compatibilité électromagnétique et de gestion des échauffements thermiques deviennent de plus en plus critiques. Ainsi, ces travaux de thèse sont dédiés au développement d’une méthodologie permettant la prédiction d’une part, des courants induits par et sur les réseaux de câblages et d’autre part, de leur niveaux d’échauffement. En particulier, l’analyse bibliographique effectuée à cette occasion montre que les phénomènes électrostatiques (à la base de la théorie des lignes de transmission) et de conduction stationnaire de la chaleur sont strictement analogues, ce qui autorise une résolution simultanée de ces deux problèmes pour les réseaux de câblages considérés. Les présents travaux démontrent que le calcul des paramètres électriques primaires (p.u.l) du réseau et de la distribution de température dans le plan transverse peut se faire de manière totalement couplé à l’aide d’un schéma numérique basé sur la Méthode des Moments(MoM). Le choix de l’utilisation des équations intégrales pour la résolution de ce problème de potentiel se fonde sur plusieurs avantages tels qu’une utilisation optimisée des ressources de calcul et l’utilisation d’algorithmes efficaces de résolution, de surcroît naturellement parallélisables pour de futurs développements. Les outils de calculs thermiques développés dans le cadre de cette thèse, et qui ont vocation à être intégrés dans la suite logicielle CRIPTE de l’ONERA, ont fait l’objet d’une validation expérimentale pour plusieurs configurations de harnais électriques. Les comparaisons simulations-mesures présentent de bons accords bien que les expérimentations menées aient montré la difficulté d’obtenir précisément des valeurs du coefficient d’échange thermique,même dans des conditions parfaitement maîtrisées. Les travaux ouvrent enfin des perspectives nouvelles sur l’optimisation en terme de masse des réseaux de câblage (EWIS). / The on-going development of “more” or “all” electrical aircraft leads to the design of ever-complex embeddedelectrical networks, which causes a significant increase of electrical cables to be used within these innovativevehicles. Among the constraints encountered during the definition and integration phases of the network, thoserelated to the electromagnetic compatibility between equipment as well as the management of thermal heatingby Joule’s effect become more and more stringent. Thus, this thesis is dedicated to the development of anoriginal methodology enabling the prediction of both induced and crosstalk currents as well as the heating upstate in complex bundles of cables. Indeed, literature review explicitly shows that electrostatic and stationaryheat transfer phenomena are, from a mathematical standpoint, strictly the same which allows the simultaneouscomputation of these two problems for an arbitrary network. This research work demonstrates that the determinationof primary electrical parameters (per unit length) and the temperature distribution within a givencross-section can be handled with the numerical Method Of Moment (MoM). This choice is motivated by theseveral inherent advantages of the method like an optimized use of the computer resource and the naturalparallelization of the algorithms. The developed numerical tools, intended to be fully integrated in the in-housesoftware suite CRIPTE, has been validated during an experimental campaign that has involved several typesof bundles. Although the comparisons between experimental and simulated results comply with each other,experiments reveal the hard task of getting a precise estimation of the heat transfer coefficients, even in awell-controlled environment. Finally, these works open new and very promising perspectives for future EWIS(Electrical Wiring Interconnection System) in term of mass optimization.

Le véhicule aérien a connu de nombreuses révolutions durant les dernières décennies afin d’être plus économe en énergie et plus respectueux de l’environnement. Dans cet objectif, l’électricité est apparue comme le vecteur énergétique le plus adapté associé aux sources conventionnelles d’énergie. C’est dans ce contexte que nos recherches se sont portées sur ce mode de transport qui va voir des bouleversements structurels importants et de plus en plus d’équipements électriques installés à bord. Ce travail de recherche s’intéresse à une brique de conversion DC/DC nécessaire au transfert d’énergie entre les bus HVDC et LVDC présents sur les avions actuels, pour cela nous avons étudié la structure et le contrôle de la topologie Dual Active Bridge qui apparaît comme le meilleur candidat pour atteindre les objectifs techniques, de rendement et compacité. Un dimensionnement ainsi que des résultats expérimentaux sont présentés pour valider nos choix avec un démonstrateur de 3,75kW. Des pistes de réflexions sont enfin proposées pour poursuivre et étendre certaine assertions vers une structure tri-ports pour l’interfaçage de multiples réseaux et moyen de stockage. L’originalité de ses travaux réside dans la volonté de concevoir un produit industrialisable dans le domaine de l’aéronautique en favorisant plusieurs ruptures technologiques jusqu’alors rédhibitoire chez les avionneurs. / Avionics is intended to become more and more efficient in terms of energy saving thanks to increased efficiency of embedded system. Today, electricity is presented as the best energy vector compared to hydraulic or pneumatic. This is why current researches aim to focus on power electronic converters in order to meet the future electrical power demand in aircraft networks. This research project presents a DC/DC dual active bridge converter which is expected as the best candidate to meet the complex requirements of an aircraft environment, especially the high voltage dynamics. This persuaded us to study the structure and modulations which are explained and brought face to face with a 3,75kW demonstrator in order to validate the theoretical assumptions. Some food for thought is proposed to extend this work toward a three-port converter to interface multiple network as well as storage systems. The originality of this work is to build a new kind of active conversion system promoting break through technologies to prove it suits to aircraft specifications.

Le développement d’avions plus électriques se traduit par une plus grande utilisation d'actionneurs électriques qui remplacent des systèmes hydrauliques et pneumatiques existants ou répondent à de nouveaux besoins. La distribution de l'énergie à bord est basée sur un réseau continu 540V connecté à des convertisseurs électroniques de puissance. Les composants électroniques de puissance à grands gaps (SiC, GaN) améliorent les performances des convertisseurs mais les fronts de tension très raides sont imposés aux bobinages des actionneurs électriques. Chaque front excite un régime transitoire comportant une surtension importante et donc des champs électriques intenses dans l’isolation inter-spires des bobines. Lorsque cette contrainte électrique répétitive dépasse le seuil d'apparition des décharges partielles (PDIV), la durée de vie des couches organiques qui isolent les spires est fortement réduite. L'étude détaillée des décharges partielles (DP) dans l'espace qui sépare les fils émaillés des bobinages permet de situer les zones dans lesquelles les DP se produisent. Elle montre que le thermocollage, avec des surépaisseurs adaptées de thermocolle, permet d'élever le PDIV au-delà des pointes répétitives de tension pour les actionneurs qui fonctionnent dans les parties pressurisées des avions. Des solutions ordonnées de bobinages ont été expérimentées sur des bobines cylindriques imprégnées. Cette analyse montre que l'imprégnation augmente légèrement le PDIV de l'isolation inter-spires dans des proportions qui ne correspondent pas totalement aux caractéristiques intrinsèques du vernis utilisé. Par conséquent, les bobines imprégnées doivent être conçues sur la base des performances de l'isolation primaire du fil émaillé. L’arrangement des spires dans une bobine ordonnée permet de répartir les contraintes et donc de concevoir des bobines qui résistent aux pointes de tension répétitives imposées par l'onduleur aux basses pressions correspondant aux zones non pressurisées d'un avion en vol. Un modèle, basé sur un schéma équivalent HF prenant en considération les deux premières résonances des bobines élémentaires, permet d'analyser la répartition des contraintes entre les bobines connectées en série d'une phase. / The More Electric Aircraft development is reflected by a bigger use of the electrical actuators, which replace the hydraulic or pneumatic system existing or they can also answer to new needs. The energy distribution on board is based on a high voltage continuous bus of 540V connected to electrical power converter. The electric power wide band gap components (SiC, GaN) improve the converters performances but very steep of voltage edge is imposed on the windings of the electric actuators. Each edge excites a transitory regime including an important surge which corresponds to intense electric fields in the inter-turns insulation of coils. When this repetitive electrical constraint exceeds the partial discharges inception voltage (PDIV), the life time of the organic layer between the turns is strongly reduced. The detailed study of the partial discharges (PD) in the area which separate the enamel wire of the windings allows to locate the area where the PD appears. The use of thermo-bonding, with a bonding thickness adapted, allows to raise PDIV beyond the repetitive edge of voltage for the actuators which work in the pressurized parts of the planes. The orderly windings solutions were tested on impregnated cylindrical coils. This analysis shows that the impregnation increases slightly the PDIV from the inter-turns insulation in proportions that do not totally correspond to the intrinsic characteristics of the used varnish. Therefore, the impregnated coils must be conceived on the basis of the primary insulation performance of the enamelled wire. The turn’s arrangement in an orderly coil allows to distribute the constraints and so to conceive the windings which can resist the compulsory repetitive of voltage spikes by the inverter in low pressures corresponding to not pressurized zones in a plane during the flight. A model, based on HF equivalent schema taking in consideration the first two resonances of the elementary coils, allows to analyse the constraints distribution between the coils connected in series of a machine phase.

Cette thèse a pour objectif d’apporter un ensemble d’outils logiciels s’inscrivant dans une méthodologie globale de conception de systèmes mécatroniques. Elle arrive en complément de travaux déjà menés au sein du laboratoire sur le pré-dimensionnement d’actionneurs aéronautiques de nouvelle génération : les actionneurs électromécaniques (EMA). Cette technologie apporte de nouvelles problématiques qui forcent les ingénieurs à modifier leur processus de développement et ce dès la phase de spécification où des profils de mission devront être générés/transformés/analysés de manière à simplifier la conception et assurer leur validation. Une toolbox Simulink a donc été créée dans cette thèse pour répondre à ce besoin de transformation de l’information entre avionneur et systémier. Comme tout système embarqué, le concepteur fait face à des compromis entre performances, durée de vie et intégration, qui peuvent se résumer à un problème d’optimisation décrit par un ensemble d’équations et de contraintes. Un effort particulier de description a été mené sur le conditionnement de ces équations sous la forme d’un séquencement de calculs explicites adaptés aux algorithmes d’optimisation. La méthode et son implémentation logicielle, toutes deux basées sur la théorie des graphes, interagissent avec le concepteur de manière à l’informer des erreurs de singularité ou de bouclages algébriques apparaissant dans son problème et à lui fournir des pistes de résolution. Pour finir, des études de pré-dimensionnement d’actionneurs de train d’atterrissage et de surfaces de vol primaires (aileron et spoiler), réalisées dans le cadre de cette thèse, dresseront les possibilités offertes par cette approche innovante : conception intégrée avec une cinématique complexe, conception collaborative pluri-partenaires découplée, utilisation de surfaces de réponse pour accélérer l’optimisation / The aim of this thesis is to bring a package of software tools included in a whole methodology dealing with mechatronic systems design. It comes as an add-on to the work already carried out at the laboratory in the field of the new generation of aircraft actuation systems: electromechanical actuators (EMA). This technology triggers new problematics leading the engineers to modify their development process as early as the specification phase, when mission profiles have to be generated/transformed/analyzed in order to simplify the design and ensure the validation step. Thus a Simulink toolbox has been created to meet the need for an information translator working as an intermediate between airframer and system-supplier. As for all the embedded systems, the designer has to face some performance-lifetime-integration trade-off, which can be considered as an optimization problem described by a set of equations and constraints. Particular attention is paid here to the conditioning of those explicit equations in order to obtain a standardized calculation sequence adapted to many optimization algorithms. The method and implemented software, both based on the graph theory, interact with the designer to inform him on the possible singularity and algebraic loop issues, providing some leads for their resolution. Finally, some preliminary sizing studies of landing gear and primary flight control surfaces (aileron and spoiler) actuation systems are presented to highlight the possibilities brought out by this innovative approach: integrated design with complex kinematics, collaborative multi-partners design, use of response surfaces to speed up the optimization

Dans le domaine aéronautique, la dernière décennie a été marquée par une augmentation constante et progressive du taux d’électrification des systèmes embarqués. L’avion plus électrique est aujourd’hui vu comme un axe d’amélioration majeure pour l’industrie aéronautique permettant d’atteindre des objectifs toujours plus ambitieux : réduction de l’impact environnemental, rationalisation des coûts de maintenance… Dans ce contexte, le réseau de distribution électrique joue un rôle majeur. Les architectes doivent imaginer de nouveaux concepts architecturaux afin d’assurer le « service » de fourniture d’électricité tout en minimisant la masse et le coût. Ainsi les travaux de cette thèse proposent des méthodes d’aide à la conception pour les architectes de réseau. Le manuscrit se divise en 2 parties pouvant être vues comme 2 études distinctes et qui sont introduites dans le chapitre 1.La 1ère partie, traitée dans les chapitres 2 et 3, développe des méthodes et outils afin de résoudre de manière automatique et optimale 2 tâches de l’architecte : la définition des reconfigurations du réseau et l’identification de l’allocation des charges. La formalisation de ces 2 problématiques met en lumière une caractéristique commune : l’explosion combinatoire. Ainsi les résolutions sont réalisées à l’aide de méthodes issues de la recherche opérationnelle. Un processus général est défini afin de traiter les 2 tâches de manière consistante. Les aspects liés à la reconfiguration sont traités à l’aide de : la théorie des graphes pour modéliser la connectivité du réseau, un système expert capturant les règles métiers et la programmation linéaire sélectionnant les reconfigurations les plus performantes. La méthode a été appliquée avec succès sur des réseaux avions existants (A400M et A350) ainsi que sur des réseaux plus électriques prospectifs. La deuxième tâche consistant en l’allocation des charges a été résolue à l’aide de méthodes stochastiques. L’algorithme génétique utilisant une méthode de nichage se révèle être le plus performant en proposant à l’architecte réseau des solutions performantes et variées. La 2ème partie, traitée dans le chapitre 4, s’intéresse à un nouveau concept le « cœur électronique modulaire et mutualisé ». Cet organe de distribution, étroitement lié à l’avion plus électrique, se caractérise par la mutualisation de « m » modules électronique de puissance pour « c » charges électriques. Les méthodes développées dans le chapitre 4 vise à concevoir de manière optimale ce nouveau cœur en ayant 2 degrés de liberté : le nombre « m » de modules et les reconfigurations entre les « m » modules et les « c » charges. De nouveau, la formalisation du problème met en évidence l’explosion combinatoire à laquelle est confronté le concepteur. Le principal objectif de cette étude est de proposer un cadre méthodologique pour la résolution de ce problème de conception. Ainsi une heuristique a été développée pour résoudre ce problème combinatoire. Une attention particulière a été portée pour développer des modèles de composants simples et génériques dans une procédure générale organisée. Enfin une cartographie a été réalisée afin de dégager d’une part les formes de solutions les plus performantes et d’identifier les éléments ayant les impacts les plus significatifs sur la masse du système complet. / In the aeronautics field, the last decade has been marked by a constant and gradual increase of the electrification rate of the embedded systems. Today, the More Electric Aircraft (MEA) is seen as a major axis of improvement for the aviation industry to achieve increasingly ambitious objectives: reducing environmental impact, rationalisation of maintenance costs...In the more electrical aircraft concept, the electrical network plays a major role. Today engineers must imagine new architectural solutions to ensure the electricity supply while minimizing weight and cost. In this context, the PhD work consists in providing new methods to support the design of electrical network architectures. The PhD work is divided into 2 parts which can be seen as 2 separate studies which are introduced in the chapter 1.The 1st part, treated in the chapters 2 and 3, develops methods and tools to solve problems automatically for 2 architecture tasks: the definition of the network reconfiguration and the identification of the electrical load allocation on busbars. The formalization of these two issues highlights a common characteristic: the combinatorial explosion. As the consequence, methods from operational research area are selected to solve the 2 tasks in the frame of a general and consistent design process. The reconfiguration aspects are solved by a methodology coupling together: graph theory to model the network connectivity, an expert system capturing know-how rules and linear programming selecting the most efficient reconfiguration. The approach was successfully applied on existing aircraft electrical networks (A400M and A350) and on future architectures. The second task, related to the electrical load allocation, is solved using stochastic methods. The genetic algorithm using a niching method is the best assessed optimization method. It provides good and diversified load allocations to the electrical network architect. The 2nd part, treated in the chapter 4, focuses on a new technological concept the « modular and mutualised power electronics center ». This distribution system, closely linked to the more electrical aircraft, aims at sharing « m » power electronics modules to « c » electrical loads. The methods developed in this PhD aim at carrying out an optimal design of this new power center with 2 design variables: the number « m » of modules and the reconfigurations between the « m » modules and the « c » loads. Again, the formalization of the problem highlights that the designer must deal with a combinatorial explosion. The main objective of this study is to propose a methodological framework for solving this design problem. A heuristic-based algorithm is developed to solve this combinatorial optimization problem. A particular attention is paid to develop an organized weight estimation procedure using generic sizing models. Finally a mapping is performed to identify the best solutions and to highlight the technological elements having the most significant impact on the complete system weight