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 finite element method. Reluctance elements are used for the mesh. The proposed hybrid analytical modeling is based on a strong coupling between a reluctances network generated from a mesh of the study domain and analytical models based on the formal solution of Maxwell’s equations in regions of low permeability (magnetic gap). This approach can help solve the problem of air-gap modeling in MEC method, and the consideration of the local magnetic saturation in modeling approaches involving analytical technique. The results obtained from these models are validated by the corresponding results from the finite element method and very good has been observed. To indicate the gain obtained in time, the execution times of the programs are compared to the times set by the Flux software.

Les microphones capacitifs sont des transducteurs réciproques dont les qualités (sensibilité, bande passante et tenue dans le temps) en font des instruments de mesure performants. Couramment utilisés jusqu’à présent en récepteurs dans l’air à pression atmosphérique et à température ambiante, dans la gamme de fréquences audibles, ils sont correctement caractérisés dans ce cadre depuis près de trente ans. Mais aujourd’hui, leur miniaturisation (par procédé MEMS) et leur usage nouveau en métrologie fine (en récepteurs comme en émetteurs) - qui exigent une connaissance précise de leur comportement dans des domaines de fréquences élevées (jusqu’à 100 kHz), dans des mélanges gazeux aux propriétés différentes de celles de l’air et dans des conditions de pression et de température beaucoup plus élevées ou beaucoup plus basses que les conditions standards - nécessitent une caractérisation beaucoup plus approfondie, aussi bien en terme de modélisation qu’en terme de résultats expérimentaux. C’est ainsi que ici -i/ les effets des couches limites thermiques (seules les couches limites visqueuses sont habituellement retenues) sont introduits dans le modèle, ce qui amène dans le chapitre premier à une étude analytique de la diffusion thermique en parois minces (dont la portée dépasse le cadre strict du transducteur), -ii/ l’influence des orifices de l’électrode arrière sur la déformée de la membrane est traitée au départ par une méthode analytique originale, qui permet de traduire les conditions en frontière non uniformes sur la surface de l’électrode sous forme de sources locales virtuelles, associées à des conditions de frontière rendues uniformes (chapitre second), -iii/ des solutions analytiques nouvelles, dépendant à la fois des coordonnées radiales et azimutales, sont obtenues pour le champ de déplacement de la membrane et pour les champs de pression dans les cavités du microphone par usage de théories modales compatibles avec les couplages multiples qui y prennent place (troisième chapitre), -iv/ un modèle de « circuit à constantes localisées » (reporté pour l’essentiel en annexe) est proposé, à des degrés divers de précision, qui permet en particulier d’accéder de façon simple à la sensibilité et au bruit thermique du microphone (fin du quatrième chapitre), -v/ une étude au vibromètre laser à balayage a été réalisée (début du quatrième chapitre), qui permet non seulement de mettre en évidence pour la première fois les déformées de membrane complexes qui apparaissent en hautes fréquences, mais encore de les quantifier et par-delà de valider les résultats théoriques obtenus et donc les modèles proposés (même s’ils restent perfectibles comme indiqué dans la conclusion). / Condenser microphones are reciprocal transducers whose properties (sensitivity, bandwidth and reliability) make them powerful measurement tools. So far, they have been commonly used as receivers in the audible frequency range, in air at atmospheric pressure and ambient temperature, they have been appropriately characterised in this context for nearly thirty years. But nowadays, their miniaturisation (using MEMS processes) and their new use for metrological purposes (as receivers as well as transmitters) require much deeper theoretical and experimental characterisations because they require an accurate knowledge of their behaviour in high frequency ranges (up to 100 kHz), in gas mixtures, whose properties differ from those of air, and under pressure and temperature conditions much higher or much lower than standard conditions. Thus, here, -i/ the effects of the thermal boundary layers are introduced in the model (only viscous boundary layers are usually accounted for), leading, in the first chapter, to an analysis of the thermal diffusion of thin bodies (whose scope is beyond the strict frame of capacitive transducers), ii/ the influence of the holes in the backing electrode on the dynamic behaviour of the membrane is initially handled with an original analytical method which allows expressing the non-uniform boundary conditions at the surface of the backing electrode as fictitious localised sources associated to uniform boundary conditions (second chapter), -iii/ new analytical solutions, depending both on the radial and azimuthal coordinates, for the pressure field and for the displacement field inside the cavities behind the membrane are expressed using modal theories in agreement with the strong couplings which occur between the different parts of the transducer (chapter three), -iv/ "lumped element circuits", which are more or less approximated (presented in the Appendix), more particularly result in expressing and assessing the sensitivity and the thermal noise (end of chapter three), -v/ experimental results, obtained from measurements of the displacement field of the membrane using a laser scanning vibrometer, both highlight and quantify for the first time the complex behaviour of the membrane in the highest frequency range, and finally lead to the validation of the theoretical results and therefore, the models presented here (even if the latter may still be improved as outlined in the conclusion).

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 permanent magnets axial flux machines.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der analytischen Modellierung und Optimierung synthetischer Jet-Aktuatoren, welche zur aktiven Strömungsbeeinflussung genutzt werden können. Ein in der Literatur bekanntes eindimensionales Modell wird ausführlich hergeleitet und an gemessene Geschwindigkeitsspektren verschiedener Jet-Aktuatoren angepasst. Der Einfluss jedes Modellparameters wird separat untersucht. Außerdem wird ein empirischer Zusammenhang zwischen Membranresonanzfrequenz und Luftkammervolumen angegeben, mit dessen Hilfe synthetische Jet-Aktuatoren mit größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeiten durch die Düse konstruiert werden können.:Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 2 Physikalische Grundlagen 2.1 Aufbau und Funktionsweise der betrachteten synthetischen Jet-Aktuatoren 2.2 Grundlagen aus der Mechanik 2.3 Grundlagen aus der Hydrodynamik 2.4 Analytisches Modell für synthetische Jet-Aktuatoren 3 Numerische Grundlagen 3.1 Zur Lösung von Differentialgleichungssystemen 3.2 Grundlagen der Optimierung 4 Beschreibung von Messdaten mit Hilfe des Modells 4.1 Reproduktion der Ergebnisse der Veröffentlichungen von Sharma 4.2 Anpassung des Modells an Messdaten weiterer Aktuatoren 5 Parametervariation und Optimierung 5.1 Separate Variation jedes Parameters 5.2 Brute-force-Optimierung von Luftkammervolumen und Membranresonanzfrequenz 6 Zusammenfassung und Ausblick Anhang Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung