Les composants à grille isolée, omniprésents dans les structures de conversion d'énergie, sont soumis à des exigences de plus en plus poussées : performances électriques, intégrabilité, fiabilité... Nous avons modélisé le comportement électrique dynamique de MOSFETs de puissance à partir de leurs caractéristiques physiques et géométriques. Cette modélisation, validée par la réalisation de prototypes, permet un dimensionnement des besoins énergétiques du composant en commutation, autorisant ainsi l'étude de solutions permettant l'intégration de l'alimentation de l'étage de commande. Deux structures d'auto-alimentation, compatibles avec la filière technologique du composant principal, ont été développées. Enfin, des travaux d'optimisation, portant sur la géométrie du composant, montrent qu'il est possible de dimensionner ce dernier de manière à minimiser ses besoins énergétiques en commutation, perspective intéressante pour l'intégration.

Optimization is a scientific discipline that lies at the boundary<br />between pure and applied mathematics. Indeed, while on the one hand<br />some of its developments involve rather theoretical concepts, its<br />most successful algorithms are on the other hand heavily used by<br />numerous companies to solve scheduling and design problems on a<br />daily basis.<br /><br />Our research started with the study of the conic formulation for<br />convex optimization problems. This approach was already studied in<br />the seventies but has recently gained a lot of interest due to<br />development of a new class of algorithms called interior-point<br />methods. This setting is able to exploit the two most important<br />characteristics of convexity:<br /><br />- a very rich duality theory (existence of a dual problem that is<br />strongly related to the primal problem, with a very symmetric<br />formulation),<br />- the ability to solve these problems efficiently,<br />both from the theoretical (polynomial algorithmic complexity) and<br />practical (implementations allowing the resolution of large-scale<br />problems) points of view.<br /><br />Most of the research in this area involved so-called self-dual<br />cones, where the dual problem has exactly the same structure as the<br />primal: the most famous classes of convex optimization problems<br />(linear optimization, convex quadratic optimization and semidefinite<br />optimization) belong to this category. We brought some contributions <br />in this field:<br />- a survey of interior-point methods for linear optimization, with <br />an emphasis on the fundamental principles that lie behind the design <br />of these algorithms,<br />- a computational study of a method of linear approximation of convex <br />quadratic optimization (more precisely, the second-order cone that <br />can be used in the formulation of quadratic problems is replaced by a <br />polyhedral approximation whose accuracy can be guaranteed a priori),<br />- an application of semidefinite optimization to classification, <br />whose principle consists in separating different classes of patterns <br />using ellipsoids defined in the feature space (this approach was <br />successfully applied to the prediction of student grades).<br /><br />However, our research focussed on a much less studied category of<br />convex problems which does not rely on self-dual cones, i.e.<br />structured problems whose dual is formulated very differently from<br />the primal. We studied in particular<br />- geometric optimization, developed in the late sixties, which<br />possesses numerous application in the field of engineering<br />(entropy optimization, used in information theory, also belongs to<br />this class of problems)<br />- l_p-norm optimization, a generalization of linear and convex<br />quadratic optimization, which allows the formulation of constraints<br />built around expressions of the form |ax+b|^p (where p is a fixed<br />exponent strictly greater than 1).<br /><br />For each of these classes of problems, we introduced a new type of<br />convex cone that made their formulation as standard conic problems<br />possible. This allowed us to derive very simplified proofs of the<br />classical duality results pertaining to these problems, notably weak<br />duality (a mere consequence of convexity) and the absence of a<br />duality gap (strong duality property without any constraint<br />qualification, which does not hold in the general convex case). We<br />also uncovered a very surprising result that stipulates that<br />geometric optimization can be viewed as a limit case of l_p-norm<br />optimization. Encouraged by the similarities we observed, we<br />developed a general framework that encompasses these two classes of<br />problems and unifies all the previously obtained conic formulations.<br /><br />We also brought our attention to the design of interior-point<br />methods to solve these problems. The theory of polynomial algorithms<br />for convex optimization developed by Nesterov and Nemirovski asserts<br />that the main ingredient for these methods is a computable<br />self-concordant barrier function for the corresponding cones. We<br />were able to define such a barrier function in the case of<br />l_p-norm optimization (whose parameter, which is the main<br />determining factor in the algorithmic complexity of the method, is<br />proportional to the number of variables in the formulation and<br />independent from p) as well as in the case of the general<br />framework mentioned above.<br /><br />Finally, we contributed a survey of the self-concordancy property,<br />improving some useful results about the value of the complexity<br />parameter for certain categories of barrier functions and providing<br />some insight on the reason why the most commonly adopted definition<br />for self-concordant functions is the best possible.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent les petites machines à aimants permanents, à flux axial et à auto-commutation électronique ayant la topologie d'un rotor intérieur discoïdal avec des aimants Nd-Fe-B montés en surface et de deux stators extérieurs identiques, chacun avec enroulement triphasé distribué dans des encoches. Après l'examen des topologies candidates pour applications d'entraînement direct basse-vitesse, une modélisation électromagnétique analytique de pré-dimensionnement d'un prototype de telles machines est réalisée. Ensuite, une approche numérique originale est développée et couplée à l'optimisation géométrique des aimants rotoriques en vue de réduire les harmoniques d'espace de l'induction magnétique dans l'entrefer et aussi les ondulations du couple électromagnétique. Des nombreux tests expérimentaux sont effectués sur le prototype de machine pour vérifier son dimensionnement ainsi que pour valider la stratégie d'auto-commutation électronique et de contrôle de base

La réalisation de gestes percutanés dans l'IRM ouvre la voie à des pratiques médicales prometteuses. En revanche, l'utilisation de l'IRM reste à ce jour limitée, et ce malgré l'intérêt en terme de qualité d'image. Cela est dû principalement à l'étroitesse du tunnel et à la complexité des gestes réalisés. Pour rendre accessibles de telles pratiques, une assistance robotique semble très pertinente. Pour le concepteur, la réalisation d'un système robotisé compatible IRM n'est pas une tâche facile, étant donné l'espace disponible et la présence d'un champ magnétique intense. C'est dans ce contexte que nous avons développé un assistant robotique, MRGuide, dédié aux traitements du cancer de la prostate dans l'IRM. Il s'agit d'un manipulateur à câbles avec un actionnement déporté. Dans ce travail, de nombreuses contributions menant à la réalisation de ce prototypes ont présentées. Parmi celles‐ci, une instrumentation originale pour estimer la tension des câbles est proposée. Cette instrumentation est basée sur l'utilisation d'une structure en treillis, de mécanismes compliants et de capteurs de déplacement à technologie optique pour assurer la compatibilité avec le scanner. Pour optimiser la géométrie du robot et faciliter son intégration dans l'IRM, une démarche de conception des robots à câbles instrumentés est développée. Cette démarche est basée sur une approche par intervalles. D'autres contributions relatives à la caractérisation de l'espace de travail des robots à câbles instrumentés, à l'étalonnage des capteurs de tension et au développement d'une stratégie de commande adaptée au dispositif sont décrites.

Dans cette thèse nous développons une technique de déformation pour l'optimisation de formes. Les formes sont représentées par leur frontière, paramétrée par des courbes de Bézier par morceaux. En tant que courbes polynomiales, elles sont définies par leurs coefficients que l'on appelle plutôt points de contrôle. Bouger les points de contrôle revient à modifier la courbe et donc déplacer la frontière des formes. Dans un contexte d'optimisation de formes, ce sont alors les points de contrôle qui sont les variables du problème et l'on a transformé ce dernier en un problème d'optimisation paramétrique. Notre méthode de déformation consiste en un premier temps à paramétrer les frontières par des courbes de Bézier comme indiqué plus haut et dans un second temps à calculer une déformation des points de contrôle à partir d'une direction de descente de la fonction objectif. Notre méthode est de nature géométrique mais l'on propose un moyen de changer la topologie des formes en mesurant la distance entre les points de contrôle : on peut scinder une forme en deux ou inversement en réunir deux en une. Nous avons testé la méthode sur trois problèmes qui sont la conception d'un filtre micro-ondes, la détection d'inclusions et les trajectoires optimales. / We develop a deformation technique for shape optimization problems. The shapes are described only by their boundary, parameterized by piecewise Bézier curves. They are polynomial curves hence entirely defined by their coefficients which are called control points. By moving these control points the curves change and so is the boundary of the shape. Used in a shape optimization problem, the control points become the optimization variables meaning that the problem is a parametric optimization problem. Our method consists in first parameterizing the boundary of a shape by Bézier curves as stated above and then compute a deformation of the control points from a descent direction for the objective function. The method is almost purely geometric but we add a way to include topological changes by diving a shape into two or conversly merging two shapes into one. We tested our method on three particular shape optimization problems which are microwave filter design, inclusions detection and optimal trajectories.

La réalisation de gestes percutanés dans l’IRM ouvre la voie à des pratiques médicales prometteuses. En revanche, l’utilisation de l’IRM reste à ce jour limitée, et ce malgré l’intérêt en terme de qualité d’image. Cela est dû principalement à l’étroitesse du tunnel et à la complexité des gestes réalisés. Pour rendre accessibles de telles pratiques, une assistance robotique semble très pertinente. Pour le concepteur, la réalisation d’un système robotisé compatible IRM n’est pas une tâche facile, étant donné l’espace disponible et la présence d’un champ magnétique intense. C'est dans ce contexte que nous avons développé un assistant robotique, MRGuide, dédié aux traitements du cancer de la prostate dans l’IRM. Il s'agit d'un manipulateur à câbles avec un actionnement déporté. Dans ce travail, de nombreuses contributions menant à la réalisation de ce prototypes ont présentées. Parmi celles‐ci, une instrumentation originale pour estimer la tension des câbles est proposée. Cette instrumentation est basée sur l’utilisation d’une structure en treillis, de mécanismes compliants et de capteurs de déplacement à technologie optique pour assurer la compatibilité avec le scanner. Pour optimiser la géométrie du robot et faciliter son intégration dans l'IRM, une démarche de conception des robots à câbles instrumentés est développée. Cette démarche est basée sur une approche par intervalles. D'autres contributions relatives à la caractérisation de l'espace de travail des robots à câbles instrumentés, à l'étalonnage des capteurs de tension et au développement d'une stratégie de commande adaptée au dispositif sont décrites. / Performing medical gestures under MRI is a promising medical approach. Todate, using MRI for interventions is still limited, despite the quality of the provided images. This limitation is mainly due to the confined physical space inside the tunnel and the complexity of the gestures. To make accessible such practices, a robotic assistance seems very relevant. However, it’s a challenge for the designer, given the limited space and the strong magnetic field inside the bore. In this context, we have developed an MR-‐compatible robotic assistant, named MRGuide, for prostate interventions. The robot is based on an original cable-­‐ driven manipulator with a remote actuation. In this work, many contributions leading to the development of MRGuide are presented. One of these contributions lies in the use of an original instrumented structure to evaluate the cables tensions. This instrumentation is based on the use of a truss structure, compliant mechanisms and optical displacement sensors for MRcompatibility. In order to optimize the size of the robot and facilitate its integration in the scanner, a new design methodology using interval analysis has been developed. Other contributions related to the workspace characterization of instrumented cable-­‐driven robots, the tension sensor calibration and the development of a new control strategy adapted to the device are described.

Optimization is a scientific discipline that lies at the boundary between pure and applied mathematics. Indeed, while on the one hand some of its developments involve rather theoretical concepts, its most successful algorithms are on the other hand heavily used by numerous companies to solve scheduling and design problems on a daily basis. Our research started with the study of the conic formulation for convex optimization problems. This approach was already studied in the seventies but has recently gained a lot of interest due to development of a new class of algorithms called interior-point methods. This setting is able to exploit the two most important characteristics of convexity: - a very rich duality theory (existence of a dual problem that is strongly related to the primal problem, with a very symmetric formulation), - the ability to solve these problems efficiently, both from the theoretical (polynomial algorithmic complexity) and practical (implementations allowing the resolution of large-scale problems) point of views. Most of the research in this area involved so-called self-dual cones, where the dual problem has exactly the same structure as the primal: the most famous classes of convex optimization problems (linear optimization, convex quadratic optimization and semidefinite optimization) belong to this category. We brought some contributions in this field: - a survey of interior-point methods for linear optimization, with an emphasis on the fundamental principles that lie behind the design of these algorithms, - a computational study of a method of linear approximation of convex quadratic optimization (more precisely, the second-order cone that can be used in the formulation of quadratic problems is replaced by a polyhedral approximation whose accuracy that can be guaranteed a priori), - an application of semidefinite optimization to classification, whose principle consists in separating different classes of patterns using ellipsoids defined in the feature space (this approach was successfully applied to the prediction of student grades). However, our research focussed on a much less studied category of convex problems which does not rely on self-dual cones, i.e. structured problems whose dual is formulated very differently from the primal. We studied in particular - geometric optimization, developed in the late sixties, which possesses numerous application in the field of engineering (entropy optimization, used in information theory, also belongs to this class of problems) - l_p-norm optimization, a generalization of linear and convex quadratic optimization, which allows the formulation of constraints built around expressions of the form |ax+b|^p (where p is a fixed exponent strictly greater than 1). For each of these classes of problems, we introduced a new type of convex cone that made their formulation as standard conic problems possible. This allowed us to derive very simplified proofs of the classical duality results pertaining to these problems, notably weak duality (a mere consequence of convexity) and the absence of a duality gap (strong duality property without any constraint qualification, which does not hold in the general convex case). We also uncovered a very surprising result that stipulates that geometric optimization can be viewed as a limit case of l_p-norm optimization. Encouraged by the similarities we observed, we developed a general framework that encompasses these two classes of problems and unifies all the previously obtained conic formulations. We also brought our attention to the design of interior-point methods to solve these problems. The theory of polynomial algorithms for convex optimization developed by Nesterov and Nemirovsky asserts that the main ingredient for these methods is a computable self-concordant barrier function for the corresponding cones. We were able to define such a barrier function in the case of l_p-norm optimization (whose parameter, which is the main determining factor in the algorithmic complexity of the method, is proportional to the number of variables in the formulation and independent from p) as well as in the case of the general framework mentioned above. Finally, we contributed a survey of the self-concordancy property, improving some useful results about the value of the complexity parameter for certain categories of barrier functions and providing some insight on the reason why the most commonly adopted definition for self-concordant functions is the best possible.

Le mémoire traite de la machine à réluctance variable en proposant d'une manière simultanée et du point de vue conception des solutions à ses deux inconvénients majeurs à savoir les ondulations de couple et les efforts radiaux. Les premières se propagent le long de la chaine de transmission diminuant ainsi le confort des usagers et les deuxièmes sont à l’origine d’une nuisance sonore. Dans une première partie et en s’intéressant à une structure axiale caractérisée par une faible force radiale, un bilan sur cette structure est donc établi. En effet, une configuration à deux stators et un rotor est la plus adéquate pour éventuellement remplacer la machine radiale de référence. Cette structure axiale est comparée à cette machine de référence après avoir établi des règles de passage d’une structure à une autre. Un premier passage est effectué en gardant le même encombrement et un deuxième passage en dimensionnant la machine axiale pour satisfaire le même cahier des charges que la machine radiale. Dans une deuxième partie, le travail s’oriente vers la modification de la structure radiale de la machine de référence et son optimisation. Plusieurs modifications sont proposées dont une structure avec une cale magnétique qui est la plus performante. Des optimisations géométriques à l’aide de l’algorithme génétique sur un point de fonctionnement sont ensuite effectuées pour remédier aux deux problèmes. A la fin, un récapitulatif de plusieurs structures optimisées est proposé pour servir de référence. Le choix de la machine la plus adéquate pourra donc être effectué en faisant un compromis entre la maximisation du couple, la réduction de ses ondulations et la réduction des efforts radiaux. / This report deals with switched reluctance motor by offering design solutions to the drawbacks of torque ripples and radial forces in the same time. Torque ripples reduce the user comfort and radial forces are the origin of noise. In the first part, an axial structure characterized by low radial force is analysed. Indeed, an axial configuration with two stators and one rotor is the most appropriate to replace the reference radial machine. Ones the rules of passage from one structure to another are established, the axial structure is then compared to the reference one. A first passage is made by keeping the same volume and a second one by sizing the axial machine with the same specifications as the radial one. In the second part, the work concerns the modification of radial structure of the reference machine and its optimization. Several modifications are proposed including a structure with a magnetic wedge which is the most efficient. Geometric optimization using genetic algorithm are then performed on operating points to remedy the both problems. In the end, several optimized structures are proposed. The choice of the most suitable machine can be done by making a compromise between the torque maximization, reducing its ripples and reducing radial forces.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent les petites machines à aimants permanents, à flux axial et à auto-commutation électronique ayant la topologie d’un rotor intérieur discoïdal avec des aimants Nd-Fe-B montés en surface et de deux stators extérieurs identiques, chacun avec enroulement triphasé distribué dans des encoches. Après l’examen des topologies candidates pour applications d’entraînement direct basse-vitesse, une modélisation électromagnétique analytique de pré-dimensionnement d’un prototype de telles machines est réalisée. Ensuite, une approche numérique originale est développée et couplée à l’optimisation géométrique des aimants rotoriques en vue de réduire les harmoniques d’espace de l’induction magnétique dans l’entrefer et aussi les ondulations du couple électromagnétique. Des nombreux tests expérimentaux sont effectués sur le prototype de machine pour vérifier son dimensionnement ainsi que pour valider la stratégie d’auto-commutation électronique et de contrôle de base / The research work presented in this thesis is concerned with small electronically-commutated axial-flux permanent-magnet (AFPM) machines having the double-sided topology of an inner rotor with surface-mounted Nd-Fe-B magnets, sandwiched between two outer slotted stators with distributed three-phase windings. After reviewing the small double-sided AFPM machine candidate topologies for low-speed direct-drive applications, the thesis hinges on the size equations and the analytical electromagnetic design of the inner-rotor AFPM (AFIPM) machine topology under study. Original methods of modelling and design optimization of a small prototype AFIPM machine are then proposed with the view to reducing the airgap flux density space-harmonics and the torque ripple by rotor-PM shape modification. Extensive experimental tests are carried out on the small three-phase AFIPM machine prototype in order to validate its proper design and to check its electronic commutation and basic control technique