Thèse (M.A.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [136]-139. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

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 developed. Regarding hysteresis losses, an algorithm for the identification of the minor hysteresis cycles is presented. An analytical model for the estimation of the PWM losses in the stator of the permanent magnet machine, and a new method for the direct estimation of eddy current losses in the lamination material by 2D-FE analysis are also developed. The design methodology for the design of a surface mounted permanent magnet machine is briefly described. A prototype machine is designed and realised to measure the losses in a variety of operating conditions and validate the loss models. Various models for magnetic losses are compared in order to find the most appropriate method in the time or frequency domains. The method which offers the best performance is then validated in a wide range of operating conditions. The losses in two PM rotors (with or without magnet segmentation) are compared and the effect of magnet segmentation and the choice of rotor yoke material are investigated by 2D FE analysis. These results are also used to evaluate the performance of an analytical model for the prediction of eddy current losses in the rotor magnets.

Nous proposons dans ces travaux, une solution aux problèmes de longue date posés par le control sans capteur d’une machine électrique. Cette solution consiste à élaborer un contrôleur asymptotiquement stable qui régule la vitesse du moteur en mesurant uniquement les coordonnées électriques. Nous l’avons appliqué à un moteur synchrone à aimant permanent non saillant, perturbé par un couple de charge constant non connu. Le schéma proposé est un observateur non linéaire d’ordre 4, basé sur le control qui ne dépend pas d’opérations non robustes intrinsèques au système, comme l’intégration de boucle ouverte à un système dynamique et ce schéma peut être facilement intégrée en temps réel. Le contrôleur est facile à commander par l’ajustement du gain qui détermine directement le taux de convergence de la position et de la vitesse et charge le couple d’observateurs. Les simulations et les résultats expérimentaux mettent en évidences les bonnes performances ainsi que la robustesse des paramètres d’incertitudes du schéma que nous proposons. La comparaison par simulation avec un contrôleur sans capteur à champ orienté présenté récemment dans la littérature, a également été effectuée. La thèse se termine par des remarques de conclusion et des propositions de sujet de recherche s’inscrivant dans la continuité de ces travaux. / A solution to the longstanding problem of sensorless control of an electrical machine is provided in this work. That is, the construction of an asymptotically stable controller that regulates the mechanical speed of the motor, measuring only the electrical coordinates. The result is presented for a non-salient permanent magnet synchronous motor perturbed by an unknown constant load torque. The proposed scheme is a fourth order nonlinear observer-based controller that does not rely on-intrinsically nonrobust-operations like open-loop integration of the systems dynamical model nor signal differentiation, and can be easily implemented in real time. The controller is easy to commission, with the tuning gains directly determining the convergence rates of the position, speed and load torque observers. Simulation and experimental results that illustrate the good performance, as well as the robustness to parameter uncertainty, of the scheme are presented. A simulated comparison with a sensorless field-oriented controller, recently proposed in the drives literature, is also carried out. The thesis is closed with some concluding remarks and some potential research topics generated from this work.

Un nouveau concept d'onduleur courte période et fort champ a été proposé par Toru Hara à SPring-8 en 2004 : l'onduleur cryogénique à aimants permanents (CPMU). Il s'agit de refroidir des aimants Néodyme-Fer-Bore autour de 150 K. Cela permet d'utiliser ces aimants qui ont une rémanence jusqu'à 40% supérieure à celle des aimants utilisés conventionnellement dans les onduleurs. Pour évaluer les difficultés technologiques et la faisabilité de tels onduleurs, un CPMU de 2 m de long et de 18 mm de période a été lancé à l'ESRF. Ce travail présente le design et la réalisation du CPMU à l'ESRF. Un modèle magnétostatique du CPMU est présenté, il est basé sur des mesures de courbe d'aimantation à température cryogénique réalisées au laboratoire Louis Néel. Le modèle prévoit une augmentation du champ crête de l'onduleur de 8% autour de 150 K et de l'intégrale de champ de 20 Gcm. Un banc de mesure magnétique spécifique a également été développé à l'ESRF. Ce banc permet la mesure du champ local et des intégrales de champ sous vide. Son design et sa construction sont revus. Finalement les mesures magnétiques réalisées à température ambiante et à température cryogénique sont présentées. Ces mesures valident le modèle magnétostatique et les performances attendues.

Les différents accords environnementaux interdisent l'utilisation de fluides frigorigènes usuels (protocole de Montréal : FC et HCFC et protocole de Kyoto : HFC). Il est donc pertinent de mener, parallèlement aux travaux actuels sur les nouveaux fluides frigorifiques, des recherches de nouvelles solutions de production du froid assurant une haute efficacité énergétique et un faible impact environnemental. La réfrigération magnétique constitue une des solutions. Cette technologie est basée sur l'effet magnétocalorique (EMC), une propriété intrinsèque de certains matériaux magnétiques. Compte tenu de cette activité de recherche novatrice, nous avons opté pour une approche globale dans laquelle nous avons essayé de maîtriser les différents aspects de cette technologie : du principe physique à l'application. Pour ce faire, un ensemble d'outils d'aide à la compréhension et à la conception ont été développés et exploités pour le dimensionnement d'un dispositif rotatif à aimants permanents de réfrigération magnétique.

La machine synchrone à aimants permanents, comparée aux autres machines électriques, est très présente dans les applications industrielles de type contrôle de mouvement, et ceci en raison de sa compacité, sa faible inertie, son rendement, sa robustesse, sa puissance massique élevée et sa simplicité de commande avec capteur mécanique. Cependant, la commande sans capteur de cette machine est toujours un problème difficile à cause des problèmes de perte d'observabilité. Le but de cette thèse est de proposer des lois de commande sans capteur mécanique pour la machine synchrone à aimants permanents. Plusieurs observateurs dont deux à modes glissants d'ordre un (un basé sur la F.E.M. et l'autre basé sur le modèle complet), un observateur super twisting et un observateur adaptatif interconnecté ont été élaborés. Plusieurs lois de commande non linéaire ont été conçues : de type modes glissants d'ordre supérieur à trajectoire pré-calculée, de type backstepping et de type mode glissant d'ordre supérieur quasi-continue. La stabilité globale de l'ensemble " Commande+Observateur " de chaque cas a été montrée. Chaque cas a été validé sur le benchmark "Commande sans capteur mécanique" du groupe de travail inter-GDR " Commande des Systèmes Électriques ".

Les dispositifs innovants étudiés dans cette thèse se caractérisent par les principes communs suivant : - ce sont des machines synchrones hybrides dont le champ d'excitation est créé par des aimants permanents situés sur le même ensemble que le bobinage induit. - donc l'autre partie est passive. - La variation du flux d'induction à travers les bobinages induits est obtenue par commutation du flux des aimants permanents à l'aide des pièces polaires de la partie passive. Deux autres caractéristiques sont utilisée chaque fois que possible : - Bobinage induit global, c'est-à-dire pouvant enlacer plusieurs pôles, constitué d'un simple solénoïde permettant un excellent coefficient de bobinage et une grande facilité de réalisation et de montage. - Fonctionnement possible en monophasé grâce à un pré-positionnement adéquat à l'arrêt. Parmi nos réalisations utilisant ces principes, nous pouvons distinguer les dispositifs de machines tournantes et linéaires. Les actionneurs linéaires sont modulaires, possèdent un rail entièrement passif et peuvent être économiques. L'auto pilotage peut être soit électronique avec ou sans capteur, soit électromécanique. Les machines tournantes possèdent des caractéristiques spécifiques. Elles peuvent être par exemple très rapides (> 50.000 tr/mn) ou miniatures (diamètre <10mm). Des modélisations analytiques et numériques ont permis une bonne compréhension du principe de ces structures et de leur conception. Nous avons mis au point une méthode rapide de modélisation de nos structures associant le calcul analytique et numérique par éléments finis en régime non linéaire. Les expérimentations ont montré des résultats intéressant compte tenue de la simplicité des machines.

Le nanomagnétisme est actuellement un champ d'investigation très actif grâce aux développements de méthodes de synthèse et d'investigation originales. Cette thèse s'attache à sonder le magnétisme de nanofils magnétiques synthétisés par un procédé polyol. Ce procédé présente l'avantage de fournir un large éventail d'objets magnétiques anisotropes présentant une très bonne qualité cristalline. Les nanofils ainsi synthétisés présentent des diamètres variant de 7nm à 20nm, leur conférant un mode de renversement de l'aimantation cohérent. Cette thèse montre que les nanofils ainsi synthétisés ont des coercivités élevées comparées à celles de nanofils synthétisés par d'autres voies. Par ailleurs, les effets de l'oxydation de ces nanofils sur leurs propriétés magnétiques ont été étudiés. Les mesures magnétiques ont révélé une dépendance en température des champs d'échange et coercitif non reportée jusqu'à présent dans la littérature. Cela a permis de mettre en lumière le rôle prépondérant des fluctuations superparamagnétiques des grains antiferromagnétiques d'oxyde de cobalt dans le phénomène d'Exchange Bias. Enfin, cette thèse a aussi eu pour objectif de développer la technique de Diffusion de Neutrons Polarisés aux Petits Angles pour sonder le magnétisme de nanofils. Jusqu'à présent, cette technique a été surtout réservée à l'étude d'objets magnétiques isotropes. En effet, l'alignement des nanofils est crucial pour extraire des informations quantitatives d'une telle étude. C'est pour cela, qu'outre les nanofils synthétisés par procédé polyol, des nanofils inclus dans des matrices d'alumine poreuse ont aussi été étudiés par cette technique. Cette étude a ainsi montré la nécessité de prendre en compte le champ dipolaire- habituellement négligé- dans l'analyse des figures de diffusion.

Cette thèse décrit le développement d'une nouvelle génération de moteurs électriques spécifiquement dédiés à la propulsion de drones miniatures (< 70 cm d'encombrement). L'étude expérimentale de chaque élément de la chaîne (batteries, contrôleur, moteur, hélices) a permis, d'une part, d'estimer les besoins énergétiques de chacun, et d'autre part, de mettre en évidence le besoin de concevoir un moteur léger et possédant un fort couple à basse vitesse pour entraîner une grande hélice (diamètre 50 cm) directement (sans réducteurs).Le moteur étudié est un moteur synchrone possèdant un rotor planaire à aimants permanents entre deux stators planaires à bobinages triphasés double-couche. Après avoir complété le modèle électrique de base par un modèle de pertes aérodynamiques et de pertes par courants de Foucault, le dimensionnement du moteur s'est effectué avec les logiciles Pro@Design et CDI_Optimizer qui permettent un dimensionnement pour des problèmes multi-physiques fortement contraints. Deux prototypes ont été construits (diamètres 50 mm et 70 mm), devant fournir 28 W mécanique et dimensionnés pour un entrefer de 50 µm. Pour des raisons mécaniques, leur caractérisation s'est effectuée à entrefer 500 µm. Elle a permis de valider le modèle établi en vérifiant les résultats théoriques obtenus à cet entrefer pour ces deux prototypes. Dans la perspective d'obtenir de meilleurs performances que les petits moteurs électriques actuels pour des masses globales similaires, un redimensionnement est nécessaire à des entrefers plus grands (500 µm) et avec une multiplication du nombre de conducteurs par phase et par pôle (réduction de l'effet des courants de Foucault).

Ce travail s'intéresse à l'étude des machines synchrones à double excitation (MSDE) et au dimensionnement de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dans le cadre des applications de type véhicule hybride. Celle ci se place dans le cadre général de la réduction des rejets de substances polluantes des véhicules. Le véhicule hybride, associé aux MSAP et aux MSDE constitue de ce point de vue une solution intéressante pour résoudre ces problèmes. Nous avons mis au point plusieurs modèles électromagnétiques analytiques (linéaires ou non) de MSAP basés sur la transformation de Park et sur l'utilisation de réseaux réluctants destinés à être intégré dans des structures à double excitation. Ceux ci permettent de concilier précision, rapidité et simplicité. Nous avons dimensionné et réalisé une MSDE au laboratoire SATIE répondant à un cahier des charges de véhicule hybride fourni par le groupe PSA. Celle ci a pu répondre aux contraintes des spécifications à la fois en terme d'encombrement et de performances.