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Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans le cadre de différents programmes de recherches sur la modélisation et la conception des machines synchrones à aimants permanents, pour des applications de transports terrestres. En effet, la tendance actuelle, que ce soit dans la traction ferroviaire, ou dans les véhicules électriques et/ou hybrides électriques, est d’utiliser de tels moteurs pour leurs grandes performances massiques et leur bon rendement. Cette tendance est également observable dans les grandes éoliennes à attaque directe. Toutefois, un inconvénient de ces machines est l’existence de pertes pouvant être importantes dans les aimants permanents. Ces pertes sont d’une part à l’origine d’une dégradation du rendement, mais elles peuvent aussi être à l’origine d’échauffements excessifs des aimants, avec des risques de désaimantation d’une part et des risques de décollement d’autre part. Dans ce contexte, l’objectif de notre travail de thèse a été d’établir de nouveaux modèles, plus précis, des pertes par courants de Foucault dans les aimants. Les modèles utilisés actuellement sont généralement des modèles bidimensionnels qui ignorent donc le fait que les courants de Foucault ont une répartition tridimensionnelle dans les aimants. Afin de valider le modèle développé, une maquette expérimentale a été mise en place. Dans un premier temps, le modèle de calcul des pertes par courants induits dans les pièces massives a été validé en utilisant une approche qui combine les résultats expérimentaux et ceux calculés analytiquement et numériquement. Ensuite différentes grandeurs globales et locales issues du modèle analytique ont été comparées aux éléments finis aussi bien en 2D qu'en 3D de même qu'aux mesures expérimentales. Les modèles et méthodes de calcul et de mesures proposés pourront être efficacement utilisés ultérieurement pour estimer les pertes par courants induits dans les aimants permanents de moteurs synchrone à aimants.

The work presented in this thesis is part of various research programs on the modeling and design of permanent magnet synchronous machines for land transport applications. Indeed, the current trend, whether in railway traction, or in electric and / or hybrid electric vehicles, is to use such engines for their high mass performance and good efficiency. This trend is also observable in large direct-attack wind turbines. However, one disadvantage of these machines is the existence of significant losses in the permanent magnets. These losses can cause a deterioration in efficiency, and also be the cause of excessive heating of the magnets, with risks of demagnetization and risks of. In this context, the aim of our thesis work was to establish new, more accurate models of eddy current losses in magnets. The models currently used are generally two-dimensional models which therefore ignore the three-dimensional distribution of eddy currents in the magnets. In order to validate the model developed, we set up an experimental test bench. In a first step, the calculation of induced current…

Advisors/Committee Members: Espanet, Christophe (thesis director), Vianou, Antoine (thesis director).

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Pour certaines applications de positionnement dans les systèmes embarqués la puissance ou les couples mis jeu en peuvent être faibles. Les actionneurs utilisés pour ces applications sont équipés de machines pas à pas telles que les machines réluctance variable excitées ou non, ou encore des machines synchrones à aimants permanents. En aéronautique, ces actionneurs doivent être les plus compacts possibles et la continuité de service est exigée. La redondance partielle ou totale de l'actionneur est solution permettant d'assurer la continuité de service. Nous avons étudiés plusieurs structures de machines notamment les machines à deux voies d'enroulement pour leurs compacité telles les machines à reluctance variable à excitation homopolaire (MRVH-2C) et les machines synchrones à aimants permanent (MSAP-DE). Dans le but faciliter ou motiver le choix de l'une ou l'autre des structures, nous avons développé des modèles de machines capables de fournir des informations sur les grandeurs mesurables ou non, et sur le comportement des actionneurs. Ainsi à partir d'un calcul éléments finis 2D nous avons mis au point plusieurs modèles couplés EF 2D réseau de perméances de la MRVH-2C qui tiennent compte de l'état de saturation magnétique et du caractère tridimensionnel de cette machine. Ceux-ci ont été utilisés pour simuler le comportement de l'actionneur dans différents situations. Toujours pour une application de positionnement à faibles puissance et basse vitesse, nous avons dimensionné, modélisé et simulé une MSAP-DE commandée en boucle fermée et qui, de façon intrinsèque tolère le défaut de court-circuit triphasé grâce à sa résistance de phase qui est élevée

For certain applications of positioning in embedded systems power or torque needed can be low. Actuators used for these applications can be equipped with stepper machinery such as variable reluctance machines excited (or not) or permanent magnets synchronous machine. In aeronautic these actuators should be as compact as possible and continuity of service is required. Partial or total redundancy of the actuator can ensure the continuity of service. We have studied various structures of machines particularly double channel machines for their compactness such as two channels hybrid variable reluctance machines (2C-HVRM) and double channel permanent magnets synchronous machines (DC-PMSM). In the aim of facilitating or of justifying the choice of one or the other of these structures, we have developed models of able to provide information on measurable (or non measurable) features, and the behavior of the actuators. So from a 2D finite element calculation we have developed several coupled 2D FE permeances network models of a 2C-HVRM tacking account of the magnetic saturation state of this machine and its three-dimensional character. These models were used to simulate the behavior of the actuator in different situations. Always for positioning application with low power and low speed, we sized, modeled and simulated a DC-PMSM close loop controlled. That machine is…

Advisors/Committee Members: Sargos, François-Michel (thesis director), Takorabet, Noureddine (thesis director).

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Cette thèse s’inscrit dans une thématique de recherche prioritaire développée par le laboratoire GREAH et portant sur l’optimisation de l'efficacité énergétique des systèmes de gestion et de production de l’énergie électrique. Dans ce cadre, les performances de convertisseurs d’énergie (machines électriques pour la conversion de l'énergie électromécanique) ont un impact déterminant sur l'efficacité énergétique de la conversion et sur la qualité de gestion de l'énergie électrique en termes de rendement, de maximisation de la puissance massique, de réduction des émissions, de réduction des coûts, ce qui nécessite, par conséquent, un effort particulier de conception et de dimensionnement. L’objectif principal de cette thèse vise à développer un modèle léger permettant d’exploiter assez rapidement l’espace des solutions potentiellement optimales dans la première phase de la conception des machines synchrones à aimants permanents. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur la modélisation électromagnétique pour le pré-dimensionnement et la conception des machines synchrones à aimants permanents intégrées dans l’éolien de fort puissance. Dans ce manuscrit, deux approches de modélisation des machines électriques ont été proposées. La modélisation par réseau de réluctances présentée consiste à découper le domaine d’étude en un certain nombre d’éléments volumiques dont chacun est décomposé en tubes de flux. La modélisation analytique hybride proposée est basée sur un couplage fort entre un réseau de réluctances généré à partir d’un maillage du domaine d’étude et une solution formelle des équations de Maxwell dans les régions de faible perméabilité (entrefer magnétique). Les résultats obtenus à partir de ces modèles sont validés par les résultats correspondants issus de la méthode des éléments finis. Pour montrer le gain obtenu en temps de calcul, les temps d’exécutions des codes de calcul sont comparés aux temps mis par le logiciel Flux.

This subject of the thesis is part of a priority research theme developed by the GREAH laboratory on the optimization of the energy efficiency of electrical energy management and production systems. In this context, the performance of energy converters (electrical machines for the conversion of electromechanical energy) have a decisive impact on the energy efficiency of the conversion and on the quality of electrical energy management in terms of efficiency, reduction of emissions, reduction of costs, which therefore requires a special effort to design. The main objective of this thesis is to develop a light model allowing to exploit fairly quickly the space of potentially optimal solutions in the first phase of machine design. The work presented in this thesis focuses on electromagnetic modeling for the pre-design of permanent magnets synchronous machines integrated into high power wind turbines. In this manuscript, two modeling approaches of electric machines have been proposed. The presented reluctance network modeling is generated from the mesh of studied domain as the…

Advisors/Committee Members: Amara, Yacine (thesis director), Barakat, Georges (thesis director).

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La mise en place d’un nouveau canal d’alimentation électrique incorporant un générateur à aimants permanents PMG (Permanent Magnet Generator) en remplacement de l’actuel canal de génération hydraulique est l’un des sujets de recherche en cours dans le secteur aéronautique. Le choix de cette solution est motivé par de nombreux avantages : réduction de masse, meilleure disponibilité du réseau hydraulique et maintenance plus aisée. Cependant, l’utilisation d’un PMG en tant que générateur électrique au sein d’un avion implique de nouvelles problématiques, notamment en ce qui concerne la sûreté de fonctionnement lors de défaillances internes au PMG. En effet, tant que le rotor est en rotation, la présence d’une excitation permanente due aux aimants entretient la présence du défaut même si le stator n’est plus alimenté, ce qui complexifie la mise en sécurité du PMG. Il est ainsi nécessaire de connaître précisément l’état de santé du PMG afin d’assurer une bonne continuité de service en évitant d’ordonner la mise en sécurité du PMG sur des défaillances externes au générateur. C’est pourquoi les travaux de cette thèse portent sur la détection des courts-circuits inter-spires dans les PMG, ces défauts ayant été identifiés comme les plus critiques pour ce type de machine. Compte tenu du contexte aéronautique, il a été choisi de travailler sur les méthodes de détection basées sur l’estimation de paramètres via un modèle mathématique de la machine en utilisant le Filtre de Kalman Etendu (FKE). En effet, s’il est correctement paramétré, le FKE permet d’obtenir une bonne dynamique de détection et s’avère être très robuste aux variations du réseau électrique (vitesse, déséquilibre, …), critère important pour garantir un canal de génération fiable. Deux types de modèle mathématique sont présentés pour la construction d’un indicateur de défaut utilisant les estimations fournies par le FKE. Le premier est basé sur une représentation saine du PMG où l’indicateur de défaut est construit à partir de l’estimation de certains paramètres de la machine (résistance, inductance, constante de fem ou pulsation électrique). Le second modèle utilise une formulation d’un PMG défaillant qui permet d’estimer le pourcentage de spires en court-circuit. Après avoir comparé et validé expérimentalement le comportement des différents indicateurs sur un banc de test à puissance réduite, la mise en place d’un indicateur de court-circuit inter-spires au sein d’un réseau électrique aéronautique et son interaction avec les protections existantes sur avion sont étudiées dans la dernière partie de ce mémoire.

The establishment of an electrical power supply channel including a Permanent Magnet Generator (PMG) to replace an hydraulic power channel is one of the current topics of research in the aeronautic field. This choice is motivated by several benefits : weight reduction, improvement of the hydraulic network avaibility and easier maintenance. However, the use of PMG as an electrical generator in an aircraft implies new issues, particularly as regards safety…

Advisors/Committee Members: Caux, Stéphane (thesis director), Régnier, Jérémi (thesis director).

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La révolution technologique majeure des nouveaux aéronefs repose sur une électrification intensive de nombreux constituants de l'appareil et le fait que la vitesse des génératrices électriques n'est plus fixe mais variable. Cette nouvelle manière de générer la puissance électrique engendre des variations de tension sur les réseaux DC. De plus, pour accroître la compacité des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) à puissance donnée, on augmente autant que possible leur vitesse d'entrainement, en les associant pour certaines applications à des réducteurs mécaniques. La variation du niveau de tension du bus DC alimentant une MSAP haute vitesse implique son dimensionnement afin d'assurer sa contrôlabilité sur toute la plage de vitesse reportant d'importantes contraintes sur l'onduleur de tension. Pour pallier ce problème, une solution consiste à intercaler un convertisseur DC/DC entre le filtre d'entrée et l'onduleur de tension pour maintenir la tension DC d'entrée de l'onduleur à une valeur adaptée au fonctionnement de la MSAP et optimiser son dimensionnement. Cependant, cette solution augmente l'ordre du système, ce qui accroît la complexité de son contrôle, accentuée par les contraintes liées à la nature haute-fréquence des MSAP considérées.Les travaux menés dans cette thèse concernent l'étude, l'optimisation et le contrôle des structures d'alimentation des actionneurs haute vitesse connectés aux réseaux DC avioniques à tension variable. Il en résulte que pour les applications avioniques considérées, ces architectures d'alimentation intégrant un convertisseur DC/DC supplémentaire permettent de réduire sa masse et son volume sans dégrader le rendement global de la chaîne de conversion notamment avec les convertisseurs à source impédante qui permettent de supprimer structurellement les ondulations de courant en entrée du convertisseur. De plus, des stratégies de commande Pulse Amplitude Modulation employées avec des architectures de contrôle non-linéaires (platitude, passivité) permettent d'assurer le contrôle de ces MSAP haute-vitesse tout en assurant leur stabilité sur toute la plage de fonctionnement

The main technological revolution of the new aircrafts is based on intensive electrification of many components of the aircraft. Moreover, the speed of electrical generators is no longer fixed but variable. This new way of generating electrical power generates voltage variations on DC networks. Besides, to increase the compactness of the Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) at a given power, their mechanical speed is increased as much as possible by combining them with mechanical reducers for certain applications. The variation of the voltage level of the DC bus supplying a high-speed PMSM implies its sizing in order to ensure its controllability over the entire speed range which carries significant stresses on the Voltage Source Inverter (VSI). To solve this problem, one solution consists in adding an extra DC / DC converter between the input filter and the VSI to maintain the inverter input voltage…

Advisors/Committee Members: Meibody-Tabar, Farid (thesis director), Monmasson, Éric (thesis director).

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Le travail présenté dans ce mémoire traite de la problématique de recherche de structures innovantes de génératrices pour les turbines de l’éolien offshore atteignant la dizaine de mégawatts et du dimensionnement de ces structures. À cet effet, les machines synchrones à aimants permanents, à flux axial, à entraînement direct sont celles qui ont plus de potentiel énergétique pour répondre aux besoins de ces futures turbines éoliennes offshore de grande puissance. L’étude de ces structures a rendu nécessaire le développement d’un outil de dimensionnement analytique multiphysique « léger » et suffisamment précis servant à l’analyse et l’exploration de l’espace de solutions. Une nouvelle approche de modélisation analytique magnétique quasi-3D qui prend compte des effets 3D (variations des formes d’aimants permanents au rotor et les effets de bords aux extrémités radiales), est développée à cet effet pour ces structures tridimensionnelles et confirmée par une modélisation tridimensionnelle par éléments finis. La modélisation magnétique est basée sur l’approche mathématique permettant la résolution formelle des équations de Maxwell par la méthode de séparation des variables dans les différentes régions à faible perméabilité de la machine. Couplé à une modélisation thermique nodale ainsi qu’une modélisation des pertes, ce travail aboutit à un modèle dimensionnant multiphysique des machines à flux axial avec un excellent rapport « temps de calcul/précision » servant pendant les phases préliminaires du dimensionnement.

This work deals with the search for innovative structures of generators for the offshore wind turbines reaching about ten megawatts and their design. The direct drive, axial flux, permanent magnet synchronous machines are the ones which have more energy potential for these future high power offshore wind turbines. The study of these axial flux machines required the development of a fast analytical design help tool with a good accuracy for their analysis and their design. To do so, a new approach of quasi-3D magnetic analytical modeling, which takes into account 3D effects (end effects and variations of magnets forms in the rotor) is then developed and confirmed by a 3D finite elements method. Its mathematical approach is based on the formal solution of Maxwell’s equations, in low permeability regions of the machine, by the separation of variables method. Coupled with a nodal thermal modelling and the evaluation of losses, this work succeeds in a multi-physical design tool for axial flux machines with an excellent computation time to accuracy ratio.

Advisors/Committee Members: Barakat, Georges (thesis director).

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Ce travail de recherche présente la mise au point d’une méthodologie de conception par optimisation globale des machines synchrones sans encoches à aimants permanents à haute vitesse utilisant des matériaux magnétiques composites doux (SMC) au stator et des frettes au rotor éventuellement conductrices. Cette méthodologie tient compte des différentes contraintes imposées par la haute vitesse, notamment les courants de Foucault induits dans les pièces massives, les pertes, l’alimentation en commutation électronique et les efforts mécaniques sur le rotor. Un outil de dimensionnement générique est développé pour différentes structures de machines sans encoches fonctionnant en moteur ou en générateur et alimentées par divers types de convertisseurs statiques à commutation de tension ou de courant. Il utilise un modèle de dimensionnement analytique basé sur la prédiction du champ magnétique 2D par une résolution harmonique des équations de Maxwell en magnétodynamique en tenant compte des courants de Foucault induits dans les parties conductrices. Ce modèle intègre un modèle électrique équivalent global de l’ensemble convertisseur-machine et un modèle détaillé de calcul des pertes validés par un calcul numérique du champ en 2D. Une validation expérimentale des pertes magnétiques dans le stator en SMC est effectuée. Le modèle de dimensionnement est associé à une procédure d’optimisation et à un mécanisme de correction itératif, basé sur le calcul numérique du champ en 3D, pour tenir compte des effets de bord sur les pertes par courants de Foucault dans le stator. Lorsque la machine est couplée à un convertisseur à commutation de courant, un autre mécanisme de correction, permettant la résolution du couplage fort entre la machine et son convertisseur, est utilisé. Les différents outils de modélisation et de conception réalisés sont utilisés pour dimensionner et comparer plusieurs topologies de machines sans encoches pour des cahiers des charges spécifiques. Différentes études de faisabilité et de sensibilité sont aussi effectuées.

This research work presents the development of a design methodology with global optimization of high-speed permanent-magnet slotless synchronous machines using soft magnetic composite materials (SMC) in the stator and retaining sleeves in the rotor that can be conductive. This methodology takes into account the different constraints imposed by the high speed such as the eddy currents induced in the massive parts, the losses, the converter-machine interactions and the mechanical stress in rotor. A generic design tool is developed for different slotless machines structures used as motors or generators and coupled to different kind of static power converters with voltage or current commutation. It uses a design model based on analytical prediction of the two-dimensional magnetic field by a harmonic resolution of Maxwell equations taking into account the eddy currents induced in the conductive parts. This model includes an equivalent electric model of the converter-machine system and a detailed…

Advisors/Committee Members: Viarouge, Philippe.

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Les travaux présentés concernent la modélisation analytique et l’optimisation des machines synchrones à aimants devant fonctionner à haute vitesse dans le cadre de la traction partiellement ou totalement hybrides.Toutefois, une telle application cumule des difficultés d’ordre électromagnétique, thermique et mécanique. D’où l’intérêt de la première partie qui s’intéresse à établir un état de l’art des particularités du fonctionnement à haute vitesse. Ensuite, une modélisation analytique multi-physique simplifiée a été mise en œuvre afin de mener une première comparaison entre quatre types de rotors à aimants. Celle-ci a été basée sur une optimisation multi-objectifs de manière à optimiser la vitesse de base tout en améliorant le rendement sur un cycle. Dans l’optique d’atteindre les performances souhaitées, une modélisation fine des interactions multi-physiques a été réalisée. Les verrous s’opposant à cette amélioration sont bien connus et sont principalement liés à la compacité des structures recherchées.Le cœur de la modélisation interactive que nous avons proposée réside dans la modélisation électromagnétique qui, à l’aide d’un calcul par des schémas réluctants maillés, permet de faire un choix entre deux types de commandes : en courant ou en tension. L'augmentation de la vitesse nécessite de s'intéresser sérieusement aux pertes fer et aux pertes mécaniques. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à développer un modèle mécanique qui estime la vitesse maximale de rotation pouvant s’intégrer aisément dans une procédure d’optimisation. La modélisation est ensuite couplée à un algorithme par essaims particulaires selon une méthodologie de conception faisant intervenir l’approche du dimensionnement optimal.Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet ANR AAP TTD « e-MECA » (électromécanique Embarquée à Compacité Améliorée) dont les partenaires sont : Valeo (porteur), SKF, IFPEn, TEMPO, Dynfluid et le SATIE.

The work presented concern the analytical modeling and optimization of high speed permanent magnet synchronous machines for Hybrid Electric traction motor.However, such an application accumulates difficulties of electromagnetic, thermal and mechanical order. The first part is interested in establishing a state of the art of the high-speed applications’ particularities. Then, a simplified multiphysic and analytic modeling was implemented to conduct a first comparison between four kinds of PM rotors. This was based on a multi-objective optimization in order to optimize the delivery speed while improving the cycle efficiency. In order to achieve the desired performance, precise multiphysics interactions’ modeling was performed. Bolts opposing this improvement are well known and are mainly related to the compactness of the desired structures.The core of the proposed interactive modeling is the electromagnetic modeling which, using a reluctance network, allows to choose between two kinds of control: current control or voltage control. The high speed constraint requires serious interest to iron and mechanical…

Advisors/Committee Members: Ben Ahmed, Abdel Hamid (thesis director).

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ACette thèse s’inscrit dans la continuité des travaux menés sur les problématiques des énergies renouvelables par le laboratoire GREAH. Elle est financée par la communauté de l’agglomération havraise (CODAH). Les taux de fluctuation de la puissance sont réglementés dans des codes de réseaux établis par des gestionnaires de réseau électrique dans le but de minimiser l’impact de ces fluctuations sur la fréquence et la tension du réseau. Comme l’énergie éolienne est de nature fluctuante, nous proposons dans ce rapport des solutions dans le cas où les taux de fluctuations de la production éolienne offshore dépassent ces limites. Parmi ces solutions, la capacité du parc éolien à lisser sa propre puissance ou par intégrations des unités de stockage; dans le premier cas l’utilisation d’une réserve de puissance dans les éoliennes est possible, pour créer cette réserve deux méthodes sont proposées et leurs performances évaluées. Pour deuxième solutions, une méthodologie sera proposée pour déterminer la technologie du stockage. Des propositions pour construire des parcs éoliens offshore avec des technologies en courant continu sont apparues. Pour permettre un couplage répondant et une bonne fiabilité des dispositifs d’électroniques de puissance utilisés dans la conception de ces nouveaux parcs, nous proposons dans ce rapport des convertisseurs adéquats et des stratégies de commandes qui assurent leurs stabilités.

The research work performed in this thesis is in the framework of issues related of renewable energies led by GREAH laboratory. The research work has been funded by Le Havre Municipality Assembly (CODAH). The requirements of power fluctuations in the grid are given by the grid code established by the electricity utilities companies in order to mitigate the impact of the wind power fluctuation on frequency and voltage in electrical grid. As wind energy has a fluctuating behavior, solutions have been proposed in this thesis for the situation where the power produced by an offshore wind power plant exceeds the threshold given by the grid code. Among the solutions, we can quote the ability of the wind power plant to smooth its own power production or integrate storage units. In the first case, the use of power reserve in wind turbines is possible and two methods have been proposed, and their performance evaluated. For the second solution, a methodology to find and to choose out the storage technology has been discussed. Proposals to build offshore wind farms with technologies using direct current (DC) have emerged. To get a coupling which fulfills the requirement of good reliability of power electronic devices used for the design of new wind farms, it has been proposed in this thesis adequate converters and control strategies that ensure their stability.

Advisors/Committee Members: Dakyo, Brayima (thesis director).

▼ La thèse porte sur la caractérisation expérimentale des pertes singulières dans les matériaux magnétiques au sein d’actionneurs électromécaniques conçus pour le développement du programme « avion plus électrique », où la maîtrise des pertes d’énergie est un enjeu absolument majeur. Ce programme, de portée mondiale, vise, entre autre, à remplacer, dans l’avion, les actionneurs hydrauliques par des actionneurs électromécaniques, quand c’est possible.Par pertes singulières on entend toutes les pertes liées aux contraintes magnéto-mécano-thermiques liées d’une part à la mise en œuvre (découpe, assemblage contraint, isolation, traitement thermique...) des matériaux et d’autre part aux conditions réelles de fonctionnement (champ tournant, haute fréquence, saturations locales...) au sein des machines électriques (HV/HF), et qui sont très difficiles à estimer précisément de façon analytique ou via les dispositifs conventionnels de tests. Ces sollicitations influencent les caractéristiques de tôles qui peuvent s’éloigner significativement des données du fabricant (donc fausser le calcul des performances).Au début de cette thèse on s’est focalisé sur le montage d’un banc d’essai évolutif équipé de moyens de mesure directe du couple et d’une machine d’entraînement (8 ktr/min ; 42 kW) tarée par nos soins. Sur cette dernière une longue campagne d’essais a été menée pour isoler les différentes composantes de pertes, dont, par exemple, les pertes mécaniques (par frottement dans les roulements + aérodynamiques) qui ont été quantifiées via un rotor neutre. Les pertes dans les aimants sont indissociables des pertes fer, donc, elles ont été estimées par le biais d’une modélisation par éléments finis tridimensionnelle. Les pertes dans la frette de maintien sont nulles du fait qu’elle est isolante (thermo-rétractable). Le bobinage utilisé dans ce moteur est très particulier, à barres massives (remplissage de cuivre dans l’encoche jusqu’à 90%), développé dans notre laboratoire IES. Les pertes atypiques au sein de ce bobinage spécial ont été profondément abordées dans ces travaux (effet de refoulement de courants, pertes aux extrémités de la machine...).Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons exploré le fonctionnement des machines synchrones à aimants à haute fréquence afin d’accroître la densité de puissance de nos moteurs (pour franchir la barre de 2.5 kW/kg). Pour ce faire, après une étude détaillée, nous avons proposé en premier lieu un prototype avec des matériaux standard (stator FeCo Vacodur49 0.2mm, rotor FeSi, aimants NdFeB nuance N35EH, bobinage à barres cuivre) fonctionnant à 1666 Hz, tournant à 5000 tr/min, avec une densité de puissance de 4.5 kW/kg et un rendement de 94%. En second lieu, nous avons proposé un deuxième prototype de rendement plus faible (93%) mais qui a une densité de puissance proche de 6 kW/kg avec un rotor sans fer et un bobinage en Aluminium.Avant le montage final de ce prototype modulaire, nous avons effectué des mesures de pertes magnétiques, en conditions réelles de fonctionnement d’un moteur… Advisors/Committee Members: Matt, Daniel (thesis director).

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Dans un contexte automobile électrique et hybride, la part des machines synchrones à aimants permanents s'est accrue exponentiellement. Cette évolution s'accompagne d'exigences en termes d'émissions vibro-acoustiques. En termes de dimensionnement de la chaîne de traction, l'analyse multiphysique du moteur s'avère être un enjeu crucial pour son développement. La nécessité de disposer de codes informatiques de conception possédant des temps de calcul faibles pour une précision maximale se fait ressentir pour l'exploration de solutions potentiellement performantes dans les premières étapes du processus de dimensionnement. A ce titre, les aspects vibratoires et acoustiques sont modélisés analytiquement et par éléments finis dans la présente thèse. Ainsi, au moyen du modèle magnétique, l'analyse magnéto-vibro-acoustique faiblement couplée (résolution itérative des différentes physiques) peut être réalisée.La thèse est découpée en quatre parties. La première expose un état de l’art sur les émissions vibro-acoustiques des machines et notamment la modélisation du bruit d’origine magnétique. Les problématiques de la modélisation sont détaillées. Dans une deuxième partie, les modèles sont largement décrits. Les modèles éléments finis sont validés expérimentalement. Une troisième partie se propose de valider les modèles analytiques par éléments finis, en complexifiant progressivement la géométrie d’une machine à aimants montés en surface à flux radial. Enfin, la dernière partie utilise les modèles éléments finis pour étudier des machines non-conventionnelles comme les machines à commutation de flux et les machines à aimants en surface à flux axial.

The proportion of permanent magnets synchronous motors used for electric and hybrid automotive traction has exponentially increased during the past decade. This evolution comes with ever-demanding low noise and vibrations requirements. Multi-physics analysis of the motor is a decisive issue for the development of the powertrain. For the exploration of potentially efficient motor solutions in first design steps, it is thus a necessity to have at disposal fast and accurate computer codes. In this respect, acoustic and vibratory aspects are modeled using finite element and analytical models in this thesis. As a result, using an electromagnetic model, the weakly-coupled magneto-vibro-acoustic analysis (iterative solving of each physic) can be performed.The thesis is divided into four parts. The first part states the art on machine vibro-acoustic emissions and focuses on noise of magnetic origins modeling. Issues of modeling are detailed. Then, models are described to a great extent in the second part. Finite element models are favorably compared to experimental measures. A third part validates analytical models in comparison to finite element analysis, by gradually complicating the geometry of a surface permanent magnets radial flux machine. Finally, a fourth part uses finite element models to study non-conventional machines such as flux switching radial flux machines and surface…

Advisors/Committee Members: Barakat, Georges (thesis director), Hoblos, Ghaleb (thesis director).

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Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet TRAX. Il s’agit là du développement de moteurs électriques destinés à la traction des petits véhicules électriques urbains. Les caractéristiques clés d’une machine électrique pour une application de traction sont le couple, le rendement, la fiabilité, l’encombrement et la plage de vitesse à puissance maximale (dé-fluxage). Les machines électriques à aimants permanents répondent à ces exigences. C’est pourquoi ce travail de thèse s’est intéressé à l’étude des performances de machines à aimants permanents en proposant une étude comparative. Un état de l’art basé sur l’étude des brevets des machines électriques dans les applications automobiles est réalisé. Une description des dernières avancées des moteurs électriques principalement des structures à aimants permanents est fournit. Nous avons modélisé une première machine avec une méthode ana-lytique simplifiée basée sur la résolution des équations de Maxwell en 2D. Cette méthode est confrontée à une méthode numérique. Trois nouvelles machines sont définies à partir de la première en modifiant la configuration du rotor. La comparaison de quatre structures à aimants permanents est réalisée par des modèles numériques. Les performances à vide et en charge ainsi que le calcul des inductances dans l’axe direct et en quadrature sont évaluées. Les résultats théoriques sont comparés aux essais expérimentaux.

The thesis is part of the TRAX project. It deals with development of electric motors used for traction of small urban electric vehicles. The key characteristics of an electric machine for traction application are the torque, efficiency, reliability, size and flux-weakening. The permanents magnets electric machines meet these requirements. That’s why this thesis takes interest in the performances of permanents magnets machines by proposing a comparative study. A study of patents for electrical machines in automotive applications is realized. A description of the latest advances in electrical motors, mainly in permanent magnet structures, is provided. We started to model a first machine with a simplified analytical method based on the resolution of Maxwell's equations in 2D. This method is compared with a numerical method. Three new machines are defined from the first one by changing the configuration of the rotor. The comparison of four structures with permanent magnets is realized by numerical models. No load and load performances, as well as the calculation of inductances in the direct and quadrature axis, are evaluated. The theoretical results are compared with experimental tests.

Advisors/Committee Members: Chamagne, Didier (thesis director), Dubas, Frédéric (thesis director), Espanet, Christophe (thesis director).

▼ Cette Thèse présente une méthodologie pour la conception optimale multidisciplinaire des générateurs synchrones à aimants permanents appliqués à l'énergie éolienne. Telle méthodologie prend en compte les comportements électriques, géométriques, thermiques, électroniques, mécaniques et économiques de l'éolienne. La courbe d'occurrence du vent, modélisée par une fonction de densité statistique, est également prise en compte par la méthodologie de conception proposée. Considérer cette courbe dans la conception optimale permet de calculer la quantité d'énergie produite par l'éolienne, qui fonctionne sous vitesse et puissance variables par l'influence de la vitesse du vent. La proposition d'utiliser l'optimisation dans la conception est d'améliorer la compétitivité de l'énergie éolienne en concevant un générateur avec une bonne relation entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Plusieurs études portent sur la conception optimale des machines électriques liées à l'énergie éolienne, mais peu ont présenté une méthode permettant d'estimer la production d'énergie éolienne, ce qui est obligatoire pour obtenir un générateur rentable. De plus, les aspects multidisciplinaires approfondis du générateur électrique ont été considérés par la méthode proposée plus en détail que d'autres études trouvées dans la littérature. Prendre en compte tous ces aspects entraîne un grand problème d'optimisation qui compte environ 2000 variables, dont environ 250 ont des contraintes imposées. Un algorithme d'optimisation déterministe a été choisi pour traiter ce problème. Un tel algorithme est capable de trouver la solution en quelques itérations et un court laps de temps grâce au calcul de la matrice jacobienne, contenant les gradients exacts du modèle (utilisé pour décrire le comportement de l'éolienne). Les résultats présentés explorent le potentiel méthodologique proposé. La première conception optimale réalisée minimise le coût du matériau actif du générateur, ce qui présente une réduction significative des coûts par rapport à un générateur non optimal. Ensuite, la contradiction entre le coût du générateur et son efficacité est analysée et l'importance d'inclure la production d'énergie éolienne dans la conception du générateur devient évidente. En utilisant l'énergie éolienne estimée générée par l'éolienne, le générateur avec un bénéfice net maximal (égal au produit de l'énergie éolienne moins le coût du générateur) a été obtenu. Ce générateur a un bon rapport entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Ensuite, des analyses de sensibilité ont été effectuées pour vérifier comment le prix de l'électricité et la vitesse moyenne annuelle du vent influencent la conception. Enfin, deux éoliennes de différents diamètres et différents vitesses nominales du vent ont été utilisées, compte tenu de trois profils de vent distincts. Ces résultats fournissent les générateurs plus adaptés à chaque éolienne appliquée à chaque profil de vent, montrant que la méthodologie de conception proposée a la capacité de faciliter le choix de… Advisors/Committee Members: Wurtz, Frédéric (thesis director), Carlson, Renato (thesis director).

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Les machines électriques jouent un rôle très important dans la conversion d'énergie dans plusieurs applications et domaines. Les contraintes thermiques jouent ainsi un rôle indispensable dans la conception des machines électriques de plus en plus petites et performantes. En effet, la performance des machines électriques est limitée par les températures maximales admissibles dans certaines zones critiques telles que le bobinage, les aimants permanents et les roulements. Deux approches principales peuvent être utilisées pour étudier le comportement thermique de la machine: la méthode nodale ou le circuit à constantes localisées ou les modèles numériques. Dans notre étude, nous proposons d'appliquer la méthode nodale sur une machine électrique intégrée dans un environnement mécatronique complexe. Le modèle thermique développé de la machine est ainsi présenté avec ses différents éléments. En effet, un modèle précis dépend fortement de plusieurs paramètres thermiques tels que les coefficients d'échange convectif, les conductances de contact, les conductivités équivalentes du bobinage, et autres paramètres. En conséquence, des techniques d'analyse de sensibilité sont ensuite appliquées sur le modèle thermique pour identifier les paramètres d'influence significative sur les températures de la machine ainsi que pour la réduction de ce modèle. Ensuite, nous appliquons deux méthodologies d'identification des paramètres thermiques incertains sont développées et appliquées afin de recaler le modèle thermique de la machine. Cette étape permet la validation de ce modèle par rapport à des mesures thermiques sur une machine synchrone à aimants permanents internes installée sur un banc de caractérisation de machine électriques. Finalement, nous intégrons le modèle recalé dans une approche système mécatronique comportant les lois de commande de la machine ainsi que son convertisseur. Ceci permettra ainsi d'étudier l'influence de la température d'une machine électrique sur le système mécatronique complet.

Electric machines play an important role in power conversion in several applications and fields. With the increasing demand for designing lighter and more efficient machines and optimizing the existing structures, thermal analysis becomes a necessary; in fact, the performance of electric machines islimited by the allowable temperatures in many critical components like windings, permanent magnetsand bearings. Two main approaches can be employed in order to study the machine thermal behavior : the lumped parameter thermal network (LPTN) or numerical models. Considering low-computationtime-consuming and the possibility to be integrated in a mechatronics system design, the LPTN method is considered in our study. The latter is mainly applied on electric machine integrated in a complex mechatronics environment. The thermal network is presented along with the definition of the principal elements constituting this network. In fact, an accurate and reliable network strongly depends on many critical parameters like heat transfer…

Advisors/Committee Members: El Kadri Benkara, Khadija (thesis director), Friedrich, Guy (thesis director).

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La conception d'un microsystème de conversion d'énergie éolienne représente le cœur de cette étude. L'attention est dérivée vers le générateur sans balais à aimant permanent et auto-commutation, avec la configuration de rotor externe et des tensions électromotrices de forme trapézoïdale. L'objectif global de la thèse est représentée par la tentative de déterminer les paramètres optimaux de conception géométriques et électriques du générateur qui donne les plus faibles pertes totales dans le système, en fonctionnant sous un cycle du vent à long terme et ainsi en augmentant l'efficacité globale du système. En avance à l'optimisation, un modèle de simulation adapté doit être développé en termes de précision des résultats et du temps de simulation. Cela se fait dans la première partie de la thèse en déterminant le niveau de modélisation, ainsi que les variables de conception de chacun des composants du système. Comme l'optimisation fait appel à un algorithme pour le processus de conception, la réduction du temps de simulation a été étudiée dans la troisième et la quatrième partie de la thèse, en développant une méthode appropriée qui permet l'intégration et l'exploitation des données provenant du profil de vitesse du vent lors la détermination de la totalité des pertes de puissance du système. Par la suite, la méthode d'optimisation est présentée, même les résultats optimaux obtenus, ainsi que la comparaison de plusieurs paramètres d'entrée / sortie. Enfin, des essais expérimentaux sont également effectués sur un générateur de référence afin de vérifier la technique de commutation et de contrôle électronique.

The design of a micro-wind energy conversion system represents the core of this study. The attention is derived towards the brushless DC permanent magnet generator with outer rotor configuration and trapezoidal induced back-EMF voltages. The global aim of the thesis is represented by the attempt of determining the optimal geometrical and electrical design parameters of the BLDCPM generator that give the minimum total power losses in the system, over long-term wind speed cycle operation and thereby increasing the efficiency of the overall system. In advance to the optimization, an adapted simulation model needs to be developed in terms of results accuracy and simulation time. This is done in the first part of the thesis by determining the modeling level, as well as the design variables of each component of the system. As the optimization appeals to an algorithm for the design process, the reduction of the simulation time has been investigated in the third and fourth part of the thesis by developing a suitable method that allows the integration and exploitation of the available data from the wind-speed profile when determining the totality of the power losses in the system. Afterwards, the optimization methodology is presented along with the optimum results obtained, as well as comparison of several input/output parameters. Finally, experimental tests are also carried out on a reference BLDCPM machine prototype in…

Advisors/Committee Members: Brisset, Stéphane (thesis director), Radulescu, Mircea M. (thesis director).

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Cette thèse porte sur l'étude de machines polyentrefers et leurs limitations, dans le contexte d'avion plus électrique et du projet de déplacement des avions au sol. Ces moteurs, basés sur l'utilisation de plusieurs éléments mobiles et fixes mis en parallèle, permettent d'obtenir de hautes performances. Une étude sur les tolérances des dimensions des éléments actifs montre que les performances peuvent être dégradées si des précautions lors de la réalisation ne sont pas prises et si les entrefers utilisés ne sont pas faibles. Ce manuscrit présente un système totalement innovant permettant d'utiliser un entrefer réduit à son minimum sans que les performances ne soient dégradées par de la friction. Ce système est appelé système de compensation des efforts de plaquage. Afin de développer un moteur tournant à entraînement direct dans le cadre du taxiage des avions, deux topologies différentes de machines discoïdes sont étudiées et dimensionnées. Les résultats favorisent l'utilisation d'une des deux structures, à entrefer réduit, pour réaliser un maximum de couple dans le volume donné. Afin de prouver la faisabilité du système innovant sur un moteur discoïde, la réalisation d'un prototype laboratoire complet est proposée. Des simulations thermiques et du comportement du système innovant permettront de valider ces études.

This thesis focuses on the study of multi-air gap machines and their limitations, in the framework of more electric aircraft and the project of moving aircrafts on the ground without the main engines. These motors, based on the use of mobile and fixed parts disposed in parallel, induce high performance. A study concerning the tolerance for the dimensions of active parts shows that performance can decrease if precautions are not taken during manufacturing and if the air gaps are not small. This manuscript presents a totally innovative system that permits the use of an air gap reduced to its minimum without reducing performance by friction. This system is called system of attraction control. In order to develop a direct-drive motor for aircraft taxiing, two different topologies of disc-type machines are studied and sized. The obtained results encourage the use of one of the two structures with reduced air gap to realize maximum torque in the fixed volume. To prove the feasibility of the innovative system on a disc-type motor, the conception of an entire laboratory prototype is proposed. Thermal modelling and simulations on the innovative system behaviour will validate the presented work.

Advisors/Committee Members: Matt, Daniel (thesis director).

▼ Un pont à diodes ne peut pas être utilisé avec une génératrice à flux trans verse en raison de sa grande inductance statorique. Le but de cette étude est d'examiner différentes solutions pour des redresseurs utilisés avec une génératrice à flux transverse fonctionnant à vitesse variable en regardant leurs avantages et inconvénients. Comme solutions conventionnelles, des ponts à diodes avec compensation passive et des redresseurs à MLI sont étudiés. Aussi, une nouvelle topologie de redresseur à haut rendement sera présentée qui peut être utilisée avec des sources à fréquence variable ayant une inductance très élevée et saturable incluant les machines à flux transverse Advisors/Committee Members: Dubois, Maxime.

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Cette thèse porte sur la conception silencieuse par démarches inverses de machines synchrones à aimants permanents dotées de bobinages dentaires. Notre travail se focalise sur l’analyse des raies de forces radiales à l’origine du bruit magnétique. En premier lieu, un modèle direct électromagnétique, nous a permis de déterminer le spectre spatio-temporel de la force radiale dans l’entrefer. Ce dernier nous offre la possibilité d’obtenir pas à pas et de manière analytique l’induction radiale dans l’entrefer, résultat du produit de la force magnétomotrice totale et de la perméance d’entrefer globale. Plusieurs machines dotées d’un bobinage dentaire et distribué ont été évaluées, comparées à des simulations par éléments finis et corroborés par une analyse modale opérationnelle sur un prototype existant au laboratoire. Puis la démarche inverse de conception est abordée par le biais de deux outils « analytiques prédictifs » donnant les origines des ordres faibles spatio-temporels de la force radiale dans l’entrefer. Enfin, la résolution du problème inverse est conduite au moyen d’une boucle itérative d’optimisation donnant parmi un échantillon de solutions, une fonction de bobinage, visant à atténuer ou supprimer une raie potentiellement risquée en termes de nuisances acoustiques

This thesis deals the quiet design by inverses approaches of synchronous machines with permanent magnets concentrated windings. Our work focuses on the analysis of magnetic noise origin of air gap radial force orders. Firstly a direct electromagnetic model allowed us to determine the spatio-temporal spectrum of air gap radial pressure. The latter offers us the possibility of obtaining step by step and in an analytical way the radial induction in the gap, result of the product of the total magnetomotive force and global air gap permeance. Several machines equipped with a concentrated winding and distributed were evaluated, compared to simulations by finite elements and corroborated by an operational deflection shape on an existing prototype in the laboratory. In the second time two inverse approaches named predictive methodology identified the radial pressure low order origin. Finally, the resolution of the inverse problem is carried out by means of an iterative optimization loop giving among a sample of solutions, a winding function, aimed at attenuating or eliminating a potential risky line in terms of acoustic nuisances.

Advisors/Committee Members: Hecquet, Michel (thesis director), Gillon, Frédéric (thesis director).

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Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016

Ce mémoire porte sur le développement d’une modélisation thermique avec des modèles analytiques, pour la conception de machines électriques. Il concerne plus particulièrement les structures de machines cylindriques à aimants permanents. Nous discutons ensuite du modèle thermique complet de type circuit thermique qui a été réalisé et confronté à des résultats expérimentaux. Ce modèle a une très bonne précision et il nous a permis d’étudier l’effet de différentes variations topologiques sur le comportement thermique ainsi que différentes stratégies de refroidissement. Ce modèle peut facilement être intégré dans un processus d’optimisation. En nous basant sur les mêmes principes, nous avons proposé un nouveau modèle à résistances thermiques combinées pour modéliser les échanges thermiques entre les conducteurs dans les encoches. Ce modèle permet d’apprécier le caractère aléatoire de la disposition des conducteurs dans la bobine et peut être jumelé à un modèle plus global.

This thesis focuses on the development of a thermal modeling with analytical models for the design of electrical machines. It concerns more particularly cylindrical machine with permanent magnets. The methods used to determine the critical parameters of thermal modeling are presented first. We then present the complete thermal model that has been developed and confronted with experimental results. This model has very good accuracy and has allowed us to study the effect of different topological variations on the thermal behavior. It was also possible to analyze and compare different cooling strategies. This model can easily be integrated into an optimization process to determine the maximum permissible losses of a given configuration, or to define the cooling method to use. Based on the same principles, we proposed a new model to simulate the thermal exchanges between the conductors in the slots. This model allows us to appreciate the randomness of the arrangement of the conductors in the coil. It can be paired with a more comprehensive model of the machine in order to refine the resolution of the latter and ensure a more accurate analysis of the thermal behavior of the coils.

Advisors/Committee Members: Cros, Jérôme.

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De nos jours, les systèmes embarqués sont de plus en plus nombreux ce qui impacte fortement les systèmes de conversion de l’énergie. Les contraintes associées se traduisent par une réduction des masses et des pertes afin d’améliorer l’efficacité énergétique de la chaine de conversion. C’est le cas dans le domaine de l’aéronautique où le concept ″d’avion plus électrique″ devient aujourd’hui une réalité. C’est ainsi que la machine synchrone à aimants permanents devient un actionneur d’excellence de par sa puissance massique importante, son faible coût de maintenance et ses qualités dynamiques. Lorsque ces machines sont associées pour remplir des fonctions coopératives (surfaces de vol par exemple) on peut encore réduire la masse embarquée en mutualisant l’électronique de puissance. C’est précisément dans ce cadre que se situe notre travail, en proposant des structures d’alimentation réduites, à base d’électronique de puissance, permettant d’alimenter deux ou plusieurs machines électriques en parallèle et en proposant des lois de commande visant à améliorer le rendement énergétique. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à la Commande Prédictive de deux Machines Synchrones alimentées en parallèle par un Onduleur de Tension Triphasé. Ces machines ont des caractéristiques identiques et doivent suivre un même profil de vitesse avec un couple de charge différent et en tout cas indépendant. L’approche commande prédictive nous conduit à considérer l’onduleur de tension comme un dispositif ayant un nombre fini d’états de commande. Nous devons sélectionner à chaque instant la meilleure solution de commande permettant de minimiser une fonction coût. Cette fonction coût, relative à une ou deux machines, est composée d’une partie représentant la qualité du couple produit (courant IRqR) et d’une autre partie représentant la qualité de la conversion via les pertes produites (courant IRdR). Cette approche opère naturellement à fréquence de découpage variable. Ainsi le document fait état de différentes solutions étudiées montrant les limites d’une telle approche tant sur le plan dynamique que sur le plan des pertes. Pour améliorer cette solution de base nous développons une approche basée sur l’utilisation de vecteurs virtuels. Ces vecteurs virtuels augmentent les possibilités de commande et conduisent à un fonctionnement à fréquence constante au travers d’une modulation de type SVM. La recherche d’un vecteur virtuel optimum est proposée et appliquée sur un dispositif composé de deux machines de faible puissance. Les différentes propositions sont validées par la voie de la simulation numérique et consolidées par des résultats expérimentaux.

Nowadays, embedded systems are more and more numerous that impacted strongly energy conversion systems. Associated constraints translates into a reduction of the masses and the losses to improve energy efficiency in the conversion chain. This is the case in the field of aeronautics or the concept of ″More Electric Aircraft″ now becomes a reality. Therefore, the permanent magnet…

Advisors/Committee Members: Fadel, Maurice (thesis director), LLor, Ana Maria (thesis director).

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Pour respecter les contraintes sur l’efficacité pour une machine électrique, il est important de faire une évaluation précise des pertes. Dans le cas des machines à aimants permanents alimentées par un onduleur à MLI, le contenu harmonique haute fréquence lié à la modulation peut rajouter des pertes additionnelles dans la machine que les modèles classiques ont tendance à négliger. Le développement de nouveaux modèles de pertes qui tiennent compte des pertes additionnelles, va permettre d’améliorer des méthodes d’analyse et de conception de machines électriques. Dans ce travail de recherche, différentes méthodes pour estimer les pertes dans les machines synchrones à aimants permanents, y compris les pertes mécaniques, les pertes magnétiques et les pertes cuivre sont présentées. Une nouvelle expression pour estimer les pertes magnétiques dans les tôles en tenant compte de l’effet de peau généré par des courants harmoniques de haute fréquence est élaborée. Concernant les pertes d’hystérésis, un algorithme pour l’identification de cycles mineurs est présenté. Un autre modèle analytique pour l’estimation des pertes MLI dans le stator de la machine à aimants permanents et une nouvelle approche pour l’estimation directe des pertes par courant de Foucault dans les tôles par calcul de champ en 2D sont aussi développés. La méthodologie pour la conception d’une machine à aimants permanents montés en surface est brièvement décrite. Un prototype a été conçu et mise en oeuvre pour mesurer les pertes dans différentes conditions de fonctionnement et valider les modèles de pertes. Différents modèles pour les pertes magnétiques sont comparés afin de sélectionner la méthode la plus appropriée dans le domaine du temps ou de la fréquence. Cette méthode est ensuite validée pour un large éventail de conditions de fonctionnement. Les pertes dans deux rotors à aimants permanents (avec et sans segmentation des aimants) sont comparés. L’effet de la segmentation des aimants et le choix du matériel pour la culasse du rotor sont aussi analysés. Les résultats sont ensuite utilisés pour valider les performances d’un modèle analytique pour estimer les pertes par courant de Foucault dans les aimants permanents.

In order to respect the constraints for efficiency in an electrical machine, losses should be accurately estimated. In the case of a permanent magnet machine fed by a PWM supply, the high frequency harmonic content of the current (associated with the modulation scheme), may generate additional losses in the machine which the conventional models tend to overlook. Development of new models which may take account of these additional losses will allow us to improve the analysis and design of the electrical machines. In this work various models for the prediction of losses in a permanent magnet machine including the mechanical losses, copper losses and magnetic losses are presented. A new loss expression for taking account of the skin effect in a laminated magnetic material due to high frequency harmonic content of the stator current is…

Advisors/Committee Members: Cros, Jérôme.

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Une nouvelle chaîne de traction dédiée à un véhicule hybride électrique de poids lourds a été développée dans ces travaux de recherche. A ce stade, la conception et l'optimisation des composants électriques de la chaîne de traction ont été étudiées, notamment les machines synchrones à aimants permanents et les onduleurs de tension associés, ainsi que le train Ravigneaux. En ce qui concerne la conception, un modèle analytique a été créé et qui permet de répondre au cahier des charges simultanément. Les différentes contraintes multiphysiques ont été prises en compte dans le modèle analytique. Ensuite, un modèle numérique via la méthode élément fini a été mise en œuvre. Le modèle numérique nous a permis de valider les performances de la machine électrique. En ce qui concerne l'optimisation, une stratégie de l'optimisation globale a été étudiée. Un exemple d'optimisation a été basé sur un système composé par deux machines électriques et deux onduleurs associés, ainsi que le train Ravigneaux. La comparaison basée sur cet exemple pour l'optimisation locale et globale nous a permis de valider l'avantage de la stratégie de l'optimisation globale. L'expérimentation a été réalisée sur un banc d'essais qui est constitué par la machine prototype et la machine de charge, les deux machines électriques ont été alimentées et pilotées par deux variateurs de fréquence. Les résultats expérimentaux nous ont permis de valider les modèles théoriques.

A new powertrain for a hybrid electric vehicle of heavy duty was developed in this research work. In this case, the design and the optimization of electrical components of powertrain have been investigated involving the permanent magnet synchronous machines, the associated inverters and the Ravigneaux train. Regarding the design, an analytical model was created and that permits simultaneously answering to specification. The various multiphysic constraints have been taken into account in analytical model. And then the numerical model was carried out via finite element method has been implemented. The numerical model allowed us to valid electrical machine performances. Regarding the optimization, a global optimization strategy was investigated. An optimization example was based on a system which was composed of two electrical machines, two associated inverters and the Ravigneaux train; The comparison based on this example between the local optimization and the global optimization, which allowed us to valid the advantage of global optimization strategy. The experimentation has been performed with a test bench involving the prototype machine and the load machine, the two electrical machines were fed and controlled by two frequency drives. The experimental results permit to valid the theoretical models.

Advisors/Committee Members: Espanet, Christophe (thesis director), Pape, Olivier (thesis director).

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Cette thèse s’intéresse à l’étude d’une structure de moteur électrique à aimants permanents afin de réduire l’utilisation d’aimants à basse de terres rares et qui puisse être utilisée pour des applications industrielles. Il est montré dans la première partie de ce travail de recherche que la machine synchro-réluctante à aimants permanents est une bonne solution potentielle. Une analyse paramétrique est alors réalisée en utilisant une modélisation par éléments finis pour mettre en évidence les particularités de son comportement électromagnétique. Puis, une modélisation analytique multi-physique innovante du système convertisseur-moteur est détaillée dans le but de calculer les performances de ce dernier en un temps raisonnable. Les modèles multi-physiques présentés dans ces travaux concernent l’onduleur et le moteur. Ils intègrent les aspects électromagnétique, électrique, énergétique, thermique, mécanique et technico-économique. Le modèle multi-physique de la machine électrique est validé par comparaison à des résultats d’essais sur un prototype. Le modèle du système qui a été développé est ensuite utilisé dans une procédure de conception par optimisation de systèmes d’entrainements. Pour cela, une démarche d’optimisation originale est présentée pour le dimensionnement conjoint de deux applications en imposant la contrainte d’utiliser la même tôlerie magnétique. Il s’agit d’une part d’une application à vitesse fixe et d’autre part d’une application de type traction électrique. La méthode d’optimisation employée est à évolution différentielle. Les résultats des optimisations réalisées permettent de déterminer des conceptions optimales ou des compromis optimaux aux sens de Pareto qui répondent aux deux applications visées. Finalement, cette thèse a permis de positionner la machine synchro-réluctante à aimants permanents parmi les structures de machines à fort potentiel industriel.

This thesis focuses on the study of a structure of permanent magnet electric motor which reduces the amount used of permanent magnets composed of rare earths and which can be used in industrial applications. In the first part of the research work, it is shown that the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine is a good alternative. A parametric analyse is realised using a finite element modelling in order to highlight the peculiarities of its electromagnetic behaviour. Then, an innovative multi-physic analytical modelling for the system inverter-motor is detailed in order to evaluate its performances in a reasonable computational time. The multi-physic models presented in this work concern the inverter and motor. They integrate the electromagnetic, electric, energetic, thermal, mechanic, and techno-economic aspects. The multi-physical model of the electric machine is validated by means of tests carried out on a prototype. The model of the system which has been developed is used in a design procedure by optimization of drive systems. For this purpose, an original optimization approach is presented for the simultaneous design…

Advisors/Committee Members: Sadarnac, Daniel (thesis director).

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Les systèmes électriques embarqués dans l'aéronautique doivent satisfaire à des cahiers des charges de plus en plus exigeants portant sur le poids, les performances et la fiabilité, d'où l'utilisation des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP). Vu les contraintes imposées, les prototypes sont parfois assez éloignés d'une MSAP classique. La surveillance en ligne de ces systèmes est alors plus délicate mais représente un enjeu considérable vu l'aspect critique des applications (ailerons d'avion, freinage...) et a pour objectif d'éviter un incident majeur en le détectant puis en basculant sur un système identique redondé. Ce document propose un travail de modélisation de MSAP saine et en présence de défaut inter-spires ayant pour objectif de définir des méthodes de détections de défauts inter-spires en ligne, sans capteurs supplémentaires. Deux approches sont présentées pour modéliser les MSAP en présence de défauts inter-spires et sont comparées à des essais expérimentaux réalisés sur un prototype aéronautique. L'une d'entre elles, reposant sur une approche par Réseaux De Perméances (RDP), permet d'obtenir le meilleur compromis. La partie suivante propose de tester deux approches utilisant un indicateur de défaut basé sur un modèle d'Onduleur-MSAP sain et montre l'intérêt de ce type d'approche comparé à des approches plus classiques. L'ensemble des indicateurs développés est ensuite analysé à l'aide d'un outil utilisant la Reconnaissance de Formes (RDF)

Embedded electric systems in aircraft applications have to satisfy to specifications including weight, performances and reliability leading to the use of Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM). Due to these constraints, prototypes are often different from classical PMSM. Online monitoring of these systems is challenging but is still important regarding safety applications (electro mechanical airfoil, braking?). The main aim is to detect major incidents in order to use redundant systems. This work concerns modeling of PMSM under both healthy and inter-turn fault cases in order to defined online fault detection methods without additional sensors. Two approaches are presented and compared to experimental tests concerning PMSM under inter-turn fault conditions. One of them is based on Permeance Network (PN) modelling. It can be considered to be the best compromise. The next part deals with two fault indicators methods based on healthy models of Inverter and PMSM and shows improvements brought by these approaches compared to classical methods. The whole indicators are analyzed using Pattern Recognition (PR)

Advisors/Committee Members: Meibody-Tabar, Farid (thesis director), Clerc, Guy (thesis director).

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Cette thèse s’intéresse à l’étude d’une structure de moteur électrique à aimants permanents afin de réduire l’utilisation d’aimants à basse de terres rares et qui puisse être utilisée pour des applications industrielles. Il est montré dans la première partie de ce travail de recherche que la machine synchro-réluctante à aimants permanents est une bonne solution potentielle. Une analyse paramétrique est alors réalisée en utilisant une modélisation par éléments finis pour mettre en évidence les particularités de son comportement électromagnétique. Puis, une modélisation analytique multi-physique innovante du système convertisseur-moteur est détaillée dans le but de calculer les performances de ce dernier en un temps raisonnable. Les modèles multi-physiques présentés dans ces travaux concernent l’onduleur et le moteur. Ils intègrent les aspects électromagnétique, électrique, énergétique, thermique, mécanique et technico-économique. Le modèle multi-physique de la machine électrique est validé par comparaison à des résultats d’essais sur un prototype. Le modèle du système qui a été développé est ensuite utilisé dans une procédure de conception par optimisation de systèmes d’entrainements. Pour cela, une démarche d’optimisation originale est présentée pour le dimensionnement conjoint de deux applications en imposant la contrainte d’utiliser la même tôlerie magnétique. Il s’agit d’une part d’une application à vitesse fixe et d’autre part d’une application de type traction électrique. La méthode d’optimisation employée est à évolution différentielle. Les résultats des optimisations réalisées permettent de déterminer des conceptions optimales ou des compromis optimaux aux sens de Pareto qui répondent aux deux applications visées. Finalement, cette thèse a permis de positionner la machine synchro-réluctante à aimants permanents parmi les structures de machines à fort potentiel industriel.

This thesis focuses on the study of a structure of permanent magnet electric motor which reduces the amount used of permanent magnets composed of rare earths and which can be used in industrial applications. In the first part of the research work, it is shown that the permanent magnet assisted synchronous reluctance machine is a good alternative. A parametric analyse is realised using a finite element modelling in order to highlight the peculiarities of its electromagnetic behaviour. Then, an innovative multi-physic analytical modelling for the system inverter-motor is detailed in order to evaluate its performances in a reasonable computational time. The multi-physic models presented in this work concern the inverter and motor. They integrate the electromagnetic, electric, energetic, thermal, mechanic, and techno-economic aspects. The multi-physical model of the electric machine is validated by means of tests carried out on a prototype. The model of the system which has been developed is used in a design procedure by optimization of drive systems. For this purpose, an original optimization approach is presented for the simultaneous design…

Advisors/Committee Members: Sadarnac, Daniel (thesis director).

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Dans les systèmes embarqués, les actionneurs électriques remplacent de plus en plus les actionneurs hydrauliques pour des raisons de compacité et de manœuvrabilité. Cependant, il est nécessaire que ces actionneurs électriques soient au moins aussi fiables ou disponibles que leurs homologues hydrauliques. Il faut donc choisir les topologies d'alimentation et d'entraînement adaptées pour ces actionneurs de sorte que le système d'actionnement puisse être reconfiguré en cas de défaillance dans la chaîne de conversion électromécanique. Pour qu'en cas d'apparition d'une panne, la continuité de service puisse être assurée, il est important que différents types de défaut d'un actionneur puisse être détectés à temps. Dans ce mémoire nous avons développé deux aspects de la continuité de service des machines synchrones à aimants permanents. Le premier concerne la commande sans capteur des actionneurs synchrones à aimants permanents, avec l’amélioration de sa robustesse, puis ensuite nous montrons comment cette commande peut-être utilisée de façon fiable pour assurer la continuité de service en cas de perte du capteur mécanique. Le deuxième aspect abordé est la détection de défaut d'isolation inter-spires des bobines statoriques des machines synchrones à aimants permanents commandées par un onduleur de tension en régulation de courant ou en régulation de vitesse. Dans un premier temps nous proposons un modèle de machine présentant le type de défaut à détecter et en déduisons deux méthodes. Ces deux méthodes exploitent le déséquilibre de la machine, elles sont vérifiées expérimentalement. Une troisième méthode basée sur l’estimation de résistance est présentée. Ces trois méthodes sont des méthodes fonctionnant « en ligne » et ne nécessitant pas de capteur supplémentaire par rapport à une commande classique

In embedded systems, electric actuators tend to replace hydraulic ones for compactness and manoeuvrability reasons. However, these electric actuators should be as reliable as hydraulic ones. For these actuators, adapted power topologies should be chosen in order to operate even if a failure occurs in the electromechanical conversion chain. To ensure the continuity of service in fault case, different kinds of actuator’s failures should be detected in time. Obviously, the detection methods should be adapted to the fault types. In this work, we developed two aspects related to the continuity of service, the first one on the sensorless control of permanent magnet synchronous machines (PMSM), its robustness and its application in mechanical sensor loss case. The second one deals with the detection of inter-turn insulation fault in stator windings of permanent magnets synchronous machines supply by voltage inverter. In a first time a PMSM model with inter-turn fault is developed, this model allows us to propose two detection methods. Both methods are based on the electric unbalance of the machine and are experimentally validated. Finally a third method based on resistance estimation is presented. These three methods are real time…

Advisors/Committee Members: Meibody-Tabar, Farid (thesis director), Nahidmobarakeh, Babak (thesis director).

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De nombreux systèmes utilisent des convertisseurs électroniques de puissance fonctionnant en modulation de largeur d'impulsions (MLI) comme organe de réglage ou de commande. On peut en particulier citer les entraînements à vitesse variable, les alimentations à découpage ou les filtres actifs. L'objectif du travail est de contribuer à l'étude en temps discret du fonctionnement de ces systèmes lorsqu'ils sont munis d'une commande numérique dont la période d'échantillonnage est synchronisée sur la période de modulation de largeur d'impulsions. Pour cela nous avons développé une méthode originale qui consiste à écrire les équations différentielles qui décrivent la dynamique du système en remplaçant sur chaque période de modulation les fonctions binaires qui représentent les états successifs (ON ou OFF) des semi-conducteurs de puissance par un développement limité en série de Fourier. En introduisant de manière judicieuse dans les équations différentielles du système, des termes harmoniques des fonctions binaires qui décrivent les états des interrupteurs, cette manière de procéder nous a permis de décomposer l'étude en deux étapes : dans une première étape en limitant le développement en série de Fourier des fonctions binaires décrivant les états des interrupteurs à leur premier terme (c'est-à-dire à leurs valeurs moyennes) nous avons construit un modèle discret d'ordre zéro qui rend compte de l'effet moyen de la découpe MLI, dans une deuxième étape nous avons construit un modèle dynamique approché de l'écart existant entre le modèle d'ordre zéro et le modèle détaillé du système. Ce modèle fournit une bonne estimation des ondulations induites par la découpe MLI dans les grandeurs du système. Pour le cas des entraînements par moteurs synchrones à aimants permanents alimentés par onduleurs de tension nous avons ainsi pu mettre en évidence que l'étude de la stabilité des boucles des courants du moteur à partir du modèle d'ordre zéro reste valable en présence des ondulations dues à la MLI pour autant qu'on utilise une MLI symétrique avec rafraîchissement des références une fois par période.

Nowadays, a large number of systems are using Pulse Width Modulation (PWM) Power Electronic Converters as control part. These systems can, for example, be variable-speed drives, switching power supplies or active filters. The goal of this work is to contribute to the study of operation of this type of system when they are equipped with a digital control part of which the sampling period is synchronized on the modulation one. After having shown how the equations of these systems can be written down and indicated how their evolution in closed loop operation can be described by using iterative maps, we have tried to develop an approach which allows simplifying this study. The iterative map method has been used in order to take into account the "sequential "character of these systems, i.e. the fact that the control signals are sequences of events which correspond to the changes of the state of the converter semiconductor switches. Therefore…

Advisors/Committee Members: UCL - FSA/ELEC - Département d'électricité, Vandendorpe, Luc, Louis, Jean-Paul, Grenier, Damien, Labrique, Francis, Dochain, Denis, Robyns, Benoît.

▼ Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L’utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l’actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l’actionneur a partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d’induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorises pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, a ce stade, la thermique de la machine n’est prise en compte qu’indirectement en fixant une densité decourant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d’optimisation de la machine. Des modèles adaptes au processus d’optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu’un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et lestêtes de bobines. Ces résultats ont été corrobores par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantes dans une modélisation multi-physique pour l’outil d’optimisation et pour l’outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhiculehybride Kangoo ou la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artemis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport a un dimensionnement établi par les règles de l’art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous… Advisors/Committee Members: Friedrich, Guy (thesis director), El Kadri Benkara, Khadija (thesis director).

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Cette thèse a eu pour objectif la préparation d’aimants nanostructurés sains terres rares à base d’un assemblage dense de nanobâtonnets de cobalt (Co NBs). Nous avons démontré la faisabilité d’un changement d’échelle du procédé polyol, avec des conditions d’agitation contrôlées, pour obtenir 5 g de NBs monodisperse. La modification de l’agent nucléant nous a permis de contrôler la taille et la forme des NBs conduisant à des valeurs élevées de champ coercitif. La réalisation d’aimants macroscopiques denses et robustes a été possible via la dispersion des bâtonnets dans du chloroforme et son évaporation sous champ magnétique à température ambiante. La valeur de (BH)max résultante a atteint dans le meilleur des cas une valeur de 165 kJ·m-3. Des résultats préliminaires sur la compaction d’assemblées de NBs montre que la fraction volumique magnétique peut être augmenté significativement (jusqu’à 30%). Cette étude prouve que l’approche « bottom-up» est très prometteuse pour obtenir des nouveaux matériaux magnétiques durs qui peuvent compléter le panorama des aimants permanents et combler le fossé entre les ferrites et les aimants NdFeB.

The objective of this thesis is the preparation of nanostructured rare earth free permanent magnets based on dense assemblies of Co nanorods. We demonstrate the up-scaling of the polyol process for the synthesis of 5 g of monodispersed cylindrical Co NR with controlled cylindrical-like shape. Modification of the nucleating agent allows optimizing further the nanorods’ shape, leading to the highest coercivity values measured. Dense and robust macroscopic magnets were obtained via the rods’ alignment under a magnetic field presenting an ideal hysteresis loop. Additional structural and magnetic characterization was accomplished via small angle neutron scattering. A quantitative assessment of the (BH)max values showed a maximum of 165 kJ·m-3. Preliminary compaction experiments resulted in the fabrication of bulk magnets with increased magnetic volume fraction (up to 30%). We prove that the bottom-up approach is very promising to get new hard magnetic materials that can compete in the permanent magnet panorama and fill the gap between the ferrites and the NdFeB magnets.

Advisors/Committee Members: Viau, Guillaume (thesis director), Lacroix, Lise-Marie (thesis director).