Nous avons abordé, dans ce travail, la problématique posée par la conception des machines synchrones à aimants permanents à flux axial (MSAPFA) intégrées dans un système éolien de petite puissance. Les objectifs ont été de mettre au point une méthodologie générale de dimensionnement et le développement d'une méthode de modélisation de MSAPFAs par le calcul analytique des champs à partir du formalisme de Maxwell. Le défi de cette modélisation demeure toujours le compromis à faire entre temps de calcul et précision des résultats. Un outil d'analyse analytique issu de la résolution des équations de Maxwell par la méthode de séparation des variables dans les différentes régions de la machine, a donc été développé. Un modèle thermique nodale de la structure de MSAPFA est ensuite mis au point. La construction de ce modèle conduit à un système d'équations algébriques linéaires dont la solution nous renseigne sur la température aux nœuds sensibles de la machine. Ce modèle thermique est suivi par un modèle mécanique qui s'appuie sur les expressions proposées par le modèle de Young permettant ainsi de contrôler la déflexion des disques rotoriques en choisissant la bonne épaisseur de ces derniers à partir des efforts axiaux. Ces trois modèles constituent le modèle dimensionnant multi-physique de la machine. Pour l'optimisation non linéaire, un algorithme génétique d'optimisation multi-contrainte (GENOCOP) associé un algorithme d'optimisation multi-objectif (SPEA_II) sont choisis. C'est une méthode élitiste qui utilise une archive externe pour le stockage des solutions Pareto et effectue sa mise à jour au fur et à mesure des générations. Le couplage du SPEA_II avec le GENOCOP nous a permis de développer le code d'optimisation OPTIMSAP implémenté sous Matlab et dédié au dimensionnement des machines électriques. Le code d'optimisation OPTIMSAP développé a été enfin utilisé pour le dimensionnement d'un système aérogénérateur de 10 kW à base d'une machine synchrone à aimants permanents à flux axial couplée à un redresseur à diodes suivi d'un hacheur dévolteur et débitant sur un banc de batteries de 120V en parallèle avec une charge de consommation.

polyentrefers (ou fractionnées) synchrones à bobinage global permettant la maximisation du couple ou de l'effort volumique. Le concept de machine polyentrefer est plus précisément appliqué à l'élaboration d'actionneurs linéaires multi-tiges, nouvelle architecture bien adaptée aux entraînements directs. Tout d'abord, une classification des différents actionneurs électromagnétiques permet de situer la place particulière occupée par les actionneurs polyentrefers, notamment ceux à bobinages globaux. Ensuite, une étude, basée sur des optimisations des paramètres géométriques, permet de mettre en évidence l'intérêt de ce type de topologie pour l'obtention de forces spécifiques et de dynamiques mécaniques très élevées. Une analyse aux lois de similitude, régissant les performances de ces actionneurs, est ensuite menée pour dégager leurs caractéristiques fondamentales. Puis, une étude des comportements mécaniques, prenant en compte, entre autres, les tolérances mécaniques (montage) et les efforts normaux (guidage), est ensuite effectuée. Ainsi, la possibilité de filtrer les ondulations d'efforts et de diminuer les forces parasites (composante normale) sans affecter l'effort utile est montrée. Cette approche aboutit à la structure multi-tiges. Enfin, un prototype est testé et permet de valider la faisabilité de cette technologie, ainsi que la justesse des modèles utilisés. Ce moteur, ne comportant que huit tiges pour un volume actif d'un litre, atteint un effort électromagnétique de 1000N en fonctionnement statique. Des abaques permettent d'estimer simplement les performances optimales d'actionneurs multi-tiges sous diverses contraintes mécaniques.

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.

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.

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 losses. In this work, we are interested in developing a mechanical model which estimates the maximum speed which can be integrated easily into an optimization procedure. The model is then coupled with a particle swarm algorithm in order to involve the optimal sizing approach.These works join within the framework of the project ANR AAP TTD "e-MECA" (électromécanique Embarquée à Compacité Améliorée) where the partners are: Valeo (project leader), SKF, IFPEn, TEMPO, Dynfluid and SATIE.

Le mémoire investiguera une stratégie de commande non linéaire dont l'objectif est de maximiser la puissance active Pékc de sortie d'une machine synchrone à aimant permanent à flux transverse (MSAPFT) monophasée, utilisant un redresseur actif à commutation forcée dans une application éolienne. Dans une MSAPFT, la reactance statorique Xs en p.u. est élevée et la saturation dans le noyau magnétique du stator engendre des comportements non linéaires que la stratégie de commande doit considérer. L'emphase sera portée sur le développement d'une relation entre le couple moyen T et le courant statorique is, déterminée à l'aide d'un outil de modélisation de MSAPFT, basé sur des simulations par éléments finis. C'est à partir de cette relation couple-courant qu'une loi de commande ic(T) est déduite, maximisant ainsi le couple moyen T et donc la puissance active de sortie Pélecét la machine. Des gains de puissance de l'ordre de 10% peuvent être observés lorsque l'on applique cette loi de commande ic(T) dont la valeur d'angle de phase y/opl est optimale comparativement à une loi de commande qui impose un angle de phase y/ égale à zéro. Enfin, des simulations du système de commande, incluant le modèle de MSAPFT conçu ainsi qu'un redresseur actif à MOSFET, permettent de valider ces résultats. Des essais expérimentaux de la commande en courant d'un prototype d'alternateur de MSAPFT viennent aussi appuyer l'argumentation.

La conception d'une machine haute vitesse est un problème multiphysique très complexe. Les contraintes mécaniques au rotor sont très élevées et la dynamique du rotor ne peut pas être négligée sinon les vibrations excessives risquent de détruire la machine. Même les pertes aérodynamiques créées par le frottement entre le rotor et l'air dans l'entrefer ne peuvent être négligées. La vitesse élevée implique également une fréquence électrique très élevée et donc des problèmes de pertes additionnelles dans le bobinage, de pertes fer, de pertes par courant de Foucault au rotor et de pertes de commutation dans les composantes de puissance de l'onduleur. Les pertes par courant de foucault au rotor, par exemple, augmentent la température des aimants risquant ainsi d'altérer leur performance ou même de les démagnétiser. Le concepteur doit faire preuve d'ingéniosité pour trouver des solutions et des compromis entre ces nombreux problèmes tout en considérant les couplages multiphysiques entre les modèles. Par exemple, l'augmentation de la fréquence de hachage permet la réduction des pertes par courant de foucault au rotor, mais augmente les pertes par commutation dans l'onduleur d'où la nécessité de l'atteinte d'un premier compromis. Les machines synchrones à aimants permanents montés en surface étant des machines prometteuses pour fonctionner à des vitesses et densités de puissance élevées, l'objectif du présent travail de recherche est de développer un outil de CAO adapté à ce type de machine et d'en déduire des règles de conception. Le calcul de champs 2D magnétostatique et magnétoharmonique est directement piloté par un algorithme d'optimisation pour permettre une estimation précise des paramètres les plus complexes à modéliser pour des espaces de conception et des topologies variés. Une étude comparative de moteurs optimisés pour différentes vitesses et densités de puissance a permis de déduire des règles de conception comme le choix du nombre de pôles et l'équilibre entre les pertes cuivre et les pertes fer. Le **Chapitre 1** traite de l'état de l'art actuel de la conception de machines haute vitesse. Les différents défis de conception et de réalisation sont exposés et discutés ainsi que les principales solutions possibles. Le **Chapitre 2** présente différents modèles adaptés aux machines haute vitesse permettant d'aider le concepteur dans son processus. L'implantation de la méthode de conception directe par calcul de champs à l'aide de MATLAB, PYTHON et CEDRAT FLUX est exposé dans le **Chapitre 3** alors que son utilisation pour l'obtention de règles de conception et son application sur un générateur de 80kW fonctionnant à 70000 rpm sont traités au **Chapitre 4**. Finalement, le **Chapitre 5** traite des différentes solutions aux problèmes majeurs des pertes dans les aimants. / Conception of a high-speed electrical machine is a complex multiphisics problem. Mechanical constraints in the rotor are high and rotor dynamics cannot be neglected otherwise excessive vibrations could destroy the machine. Even aerodynamic losses caused by friction between the rotor and the air in the air gap cannot be neglected. High-speed also implies high electrical frequency and therefore additional losses in the windings, iron losses, losses in the rotor et switching losses in power electronics. Rotor losses, for example, raise the temperature of the magnets and may alter their performance or even demagnetize them. The designer must therefore show ingenuity to find solutions and compromises between these numerous problems while considering the multiphysics couplings. For example, increasing switching frequency of the inverter allows the reduction of rotor losses, but increases switching losses in power components, hence the need to reach a compromise. Since Surface Mounted Permanent Magnet synchronous (SMPM) machines are promising for operating at high speeds and power density, the aim of this research is to develop an optimization process adapted to this type of machine that makes it possible to deduce design rules. Parametric magnetodynamic and magneto-harmonic FEA simulations are directly driven by an optimization algorithm to allow accurate estimation of parameters that are difficult to evaluate for various design spaces and topologies. A comparative study of motors optimized for different speeds and power density made it possible to deduce design rules such as the choice of the number of poles and the balance between copper losses and iron losses. First, Chapter 1 introduces the current state of the art for high-speed machines designs. Various design and fabrication challenges are discussed as well as popular solutions. Chapter 2 shows models adapted to high-speed machines to help the designer in his process. Implementation of the optimization process by direct field calculation using MATLAB, PYTHON and CEDRAT FLUX is shown in chapter 3 while its use for obtaining design rules and its application for an 80 kW generator are in chapter 4. Finally, a few solutions for magnet losses are studied in chapter 5.