ELEC 2311 : Physique interne des convertisseurs électromécaniques
Semaines 1 : Introduction à la conception
Guidance

Choix ou mise au point d'une méthode d'analyse

Le choix de la méthodes d'analyse est intimement lié à celui du modèle. On doit parfois renoncer à un modèle intéressant en principe parce que l'on ne dispose pas de méthode de calcul adaptée à ce modèle (exemple : les logiciels commerciaux ne permettent normalement pas de considéer la perméabilité magnétique comme complexe).
Les méthodes de calcul seront traitée avec plus de détails au cours des semaines prochaines. Pour l'instant, nous nous contenterons donc de généralités, le but de cette page étant de fournir suffisamment d'information pour pouvoir tracer les grandes lignes d'une étude de dispositif.

De façon assez générale, le calcul analytique n'est possible qu'avec des modèles relativement simplifiés.

Exercice proposé S01-10 : discussion des calculs de champs du LIVRE

Caractéristiques principales des méthodes d'analyse

Il existe en général de multiples méthodes d'analyse possibles. Ces méthodes ont des caractéristiques différentes de sorte que le choix dépend du problème traité. On a pratiquement toujours intérêt à programmer ces méthodes sur ordinateur car, en électrotechnique, l'optimisation se fait en général par approximations successives, et nécessite donc d'effectuer l'analyse du dispositif un grand nombre de fois.

Nous allons énumérer quelques-unes des caractéristiques des méthodes d'analyse.

Degré de généralité

Certaines méthodes ne s'appliquent qu'à des structures très particulières, d'autres à pratiquement toutes les structures imaginables. C'est en particulier le cas des logiciels commerciaux d'usage général.

Les logiciels commerciaux de calcul de champ sont en général présentés sous le signe CAO (conception assistée par ordinateur) ou CAD (computer aided design). En fait, ils ne peuvent effectuer que l'analyse d'une structure : les autres étapes de la conception leur échappent. Une autre catégorie de logiciel sont les logiciels "experts", qui assurent une guidance. Cette guidance est forcément limitée à l'état de la technique au moment de leur écriture, voire à la gamme de matériaux que les auteurs du programme veulent promouvoir.

Durée de leur mise au point et de leur programmation

Cette durée est très variable pour les méthodes "maison" : parfois très courte pour les méthodes les plus simplifiées, parfois très longues pour les méthodes plus sophistiquées. Elle est en principe nulle pour les logiciels commerciaux puisqu'on les achète déjà mis au point.

Durée nécessaire pour appliquer la méthode au cas particulier traité

Dans le cas de méthodes "maison", cette durée se confond souvent avec celle de la mise au point de la méthode, puisque la méthode est mise au point en fonction d'un cas particulier traité. Lorsqu'une méthode "maison" " doit être adaptée à un autre cas que celui initialement traité, le temps d'adaptation peut être court ou long selon que l'adaptation ne nécessite que des adaptations de détail ou une refonte complète de l'organisation du calcul. Dans le cas d'un logiciel commercial, il faut s'assurer que le logiciel peut bien effectuer toutes les tâches que l'on attend de lui et trouver la façon de lui faire effectuer ces tâches, ce qui nécessite souvent un certain temps d'"expérimentation informatique" car la notice fournie avec le logiciel n'est pas toujours très explicite et les notions physiques utilisées par l'auteur de cette notice ne sont pas forcément celles de l'utilisateur.

Possibilité d'exécuter l'analyse sous le contrôle d'une routine d'optimisation

Cette possibilité est difficile à mettre en œuvre avec les logiciels commerciaux : un suivi manuel des opérations reste le plus souvent nécessaire !

Temps de calcul

Si la méthode d'analyse se prête à une optimisation automatique, il s'agit uniquement d'un temps d'ordinateur. Si un suivi manuel est nécessaire, il s'agit en outre d'un temps de personnel. Ce temps peut devenir très lourd si le dessin du dispositif doit être corrigé manuellement chaque fois que l'on recommence le calcul après une modification des dimensions géométriques.

Outre les frais de personnel et d'ordinateur, des temps élevés allongent le délai nécessaire avant de disposer de résultats.

La fiabilité des résultats

Certains logiciels commerciaux bénéficient de certifications de qualité et leur usage peut être imposé pour cette raison. On verra cependant que signification exacte des grandeurs calculées est souvent mal décrit dans la notice et que leur utilisation par une personne qui n'est pas au courant de cette signification peut entraîner des erreurs importantes.

Par exemple, pour calculer l'énergie, les logiciels offrent souvent le choix entre plusieurs méthodes. En fait, les grandeurs calculées par les différentes méthodes n'ont pas la même signification : les résultats numériques sont donc différents, non pas à cause d'imprécisions de calcul, mais parce qu'il s'agit de grandeurs différentes. Toutes portent cependant le nom d'énergie afin de complaire à un maximum d'utilisateur, chacun pouvant retrouver la notion qui lui est familière (sans que le logiciel vérifie sa pertinence dans le cadre du problème traité).

Une comparaison entre des résultats obtenus à l'aide de plusieurs méthodes différentes dans une situation proche de celle considérée est dans tous les cas une précaution utile, surtout si l'on n'a pas une grande expérience du logiciel utilisé.

Précision des résultats

Les méthodes "maison" nécessitent souvent pour être appliquées une simplification des structures. Elles occasionnent alors une erreur de modélisation.

Les méthodes d'usage général fractionnent la structure à analyser en "petits morceaux". Elles occasionnent des erreurs de discrétisation si les "morceaux" sont trop grands, des erreurs d'arrondi numérique si les morceaux sont trop nombreux. Réduire ces erreurs en utilisant des variables à plus grand nombre de décimales est possible, mais conduit rapidement à des temps de calcul prohibitifs. Lors d'une étude paramétrique, ces erreurs évoluent de façon aléatoire, ce qui peut mettre à mal une procédure automatique d'optimisation.

Ajoutons que les méthodes de calcul utilisées par les logiciels commerciaux sont souvent des méthodes qui ont été mises au point dans un cadre plus large que l'électromagnétisme (notamment la mécanique des milieux continus). Elles ne sont donc pas les mieux adaptées au calcul des champs magnétiques et certains résultats, comme les forces calculées par la méthode de Maxwell, sont pour cette raison entachés d'erreurs qui auraient pu être évitées par un meilleur choix de la méthode.

Possibilité de calculer toutes les grandeurs souhaitables

Les logiciels commerciaux ne prévoient pas certaines possibilités de calcul, du moins dans leur version standard. Une des raisons en est de ne pas perturber l'utilisateur.

Par exemple, lors de l'introduction d'une perméabilité magnétique, un logiciel qui demanderait à la fois la partie réelle et une partie imaginaire plongerait l'utilisateur moyen dans l'embarras parce que les catalogues de matériaux magnétiques ne fournissent pas cette information.

La possibilité de calculer avec une perméabilité complexe est donc rejetée par les logiciels commerciaux, alors qu'elle serait utile pour tenir compte des pertes d'énergie dans les matériaux magnétiques.

Facilités graphiques

Alors que munir un logiciel "maison" de facilités graphiques nécessite un temps souvent prohibitif, les logiciels commerciaux d'usage général comportent de multiples facilités graphiques.

Le succès des logiciels commerciaux s'explique en grande partie par la facilité avec laquelle les résultats de calcul peuvent être présentés sous forme graphique (tracé des équipotentielles, des lignes de champ, cartes en couleur pour indiquer la valeur de grandeurs ou de paramètres...).

Ces facilités graphiques sont utiles non seulement pour la manipulation du logiciel (entrée des données et exploitation des résultats), mais aussi

Ces possibilités sont très utilisées pour enjoliver un rapport ou un prospectus publicitaire, et donner ainsi au lecteur non averti une bonne opinion du sérieux des auteurs. Vous éviterez dans vos rapports d'APP de faire de ces figures un tel usage décoratif.

Possibilité de sophistication ultérieure

Lors du choix d'une méthode, il est intéressant de tenir compte des extensions qui pourraient s'avérer nécessaire pour la suite de l'étude.

Ainsi, lors de l'écriture d'un programme maison utilisant un modèle à matériaux linéaires, il est bon d'organiser les calculs de façon à pouvoir étendre le programme facilement aux modèles à matériaux non linéaires : le travail supplémentaire est pratiquement nul (encore faut-il avoir des idées claires sur ce sujet).

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Dernière mise à jour le 16-09-2004