L'objectif de la thèse est la conception d'une machine électrique dédiée à des applications Mild-Hybrid. En assurant certaines fonctionnalités, cette machine permet de réduire la consommation de carburant dans le véhicule et par conséquent réduire la quantité des gaz rejetés. Les contraintes exigées par un tel domaine à la fois pour le couple et la puissance nous amène à étudier les machines synchrone polyphasée à aimants avec un bobinage concentré autour des dents. Cette technologie de bobinage permet d'obtenir des machines de rendement élevé qui sont faciles à fabriquer, réparer et recycler, mais avec un certain niveau d'effets parasites. Afin de trouver un compromis entre ces effets et la capacité à fournir de couple, la thèse concerne l'étude des topologies de bobinage à pas dentaire avec différentes combinaisons Encoches/Pôles. Un modèle analytique constituant un outil permettant de comparer les pertes d'aimants entre les différentes combinaisons est développé. De nombreuses configurations sont comparées afin de faire le choix le plus adéquat pour minimiser les effets parasites. Les topologies rotoriques qui permettent à la machine de présenter une large plage de vitesse sont examinées, mais en tenant compte également de la nécessité de protéger leurs aimants contre des harmoniques nocifs de FMM. Enfin, l'exploitation du degré de liberté offert par une structure à 5 phases est abordée montrant que, le couple peut être significativement boosté en modifiant la structure de rotor. La cohérence de toutes les études analytiques menées dans la thèse est corroborée par des modèles en éléments finis et des mesures effectuées sur un prototype.

Ces travaux de thèse traitent de l'étude d'un système alterno-démarreur polyphasé, pour une application automobile micro hybride. Ce système est composé d'une machine synchrone, à griffes, 7-phases, avec aimants interpolaires (entre les griffes), et bobinage à pas fractionnaire. Cette machine est alimentée par un onduleur de tension 7 bras. Le premier chapitre présente un état de l'art sur les véhicules automobiles hybrides, ainsi que sur la modélisation des machines électriques polyphasées en vue de leur commande. Les méthodes développées au L2EP, spécifiquement pour l'étude des machines polyphasées, sont utilisées. Elles sont basées sur la transformation de Concordia généralisée et utilisent la notion de machines fictives. Le formalisme graphique REM (Représentation Energétique Macroscopique), développé également au L2EP, apporte une aide pour la représentation du modèle, et permet de systématiser la définition des structures de commande du système. Le deuxième chapitre s'attache à examiner comment des modèles développés initialement pour les machines à bobinage non fractionnaire, à pôles lisses, et non saturées, peuvent s'étendre à la machine étudiée, à bobinage à pas fractionnaire, fonctionnant en régime saturé, et présentant des variations d'entrefer. Par ailleurs, une démarche générique, basée sur une analyse harmonique des machines polyphasées, est mise en place afin de mettre en évidence les interactions entre structure et commande. Enfin, une méthode d'identification adaptée aux machines polyphasées basse tension est développée. Avec le troisième chapitre, deux types de commande sont comparées : commande pleine onde, puis commande par Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI) utilisant des asservissements des courants associés aux machines fictives. Des essais expérimentaux, accompagnés de simulations numériques, permettent de tester les modèles proposés, puis les deux types de commande étudiés. On montre ainsi, pour le prototype considéré, les avantages et limites de chacune de ces commandes : les performances en terme de qualité de couple (vibration/bruit) associées à la rusticité de la commande pleine onde sont à mettre en balance avec la complexité (et le coût) d'une commande en MLI permettant une meilleure maitrise de la qualité du couple. Pour conclure, le système alterno-démarreur étudié offre des fonctions hybrides simples, en limitant fortement le surcoût lié à l'hybridation. L'architecture polyphasée permet d'accroitre la puissance du système, mais nécessite certaines précautions pour la conception et la commande de la machine électrique. Ce mémoire développe des méthodes pour faciliter conjointement la mise en œuvre de ces deux étapes, pour ce type de système automobile hybride.

L'objectif de la thèse est la conception d'une machine électrique dédiée à des applications Mild-Hybrid. En assurant certaines fonctionnalités, cette machine permet de réduire la consommation de carburant dans le véhicule et par conséquent réduire la quantité des gaz rejetés. Les contraintes exigées par un tel domaine à la fois pour le couple et la puissance nous amène à étudier les machines synchrone polyphasée à aimants avec un bobinage concentré autour des dents. Cette technologie de bobinage permet d'obtenir des machines de rendement élevé qui sont faciles à fabriquer, réparer et recycler, mais avec un certain niveau d'effets parasites. Afin de trouver un compromis entre ces effets et la capacité à fournir de couple, la thèse concerne l'étude des topologies de bobinage à pas dentaire avec différentes combinaisons Encoches/Pôles. Un modèle analytique constituant un outil permettant de comparer les pertes d'aimants entre les différentes combinaisons est développé. De nombreuses configurations sont comparées afin de faire le choix le plus adéquat pour minimiser les effets parasites. Les topologies rotoriques qui permettent à la machine de présenter une large plage de vitesse sont examinées, mais en tenant compte également de la nécessité de protéger leurs aimants contre des harmoniques nocifs de FMM. Enfin, l'exploitation du degré de liberté offert par une structure à 5 phases est abordée montrant que, le couple peut être significativement boosté en modifiant la structure de rotor. La cohérence de toutes les études analytiques menées dans la thèse est corroborée par des modèles en éléments finis et des mesures effectuées sur un prototype. / The aim of this thesis is to design an electrical machine dedicated for Mild-Hybrid applications. By providing certain functionalities, this machine can reduce fuel consumption in the vehicle and therefore reduce the amount of released gases. The challenges imposed by such application on both torque and power lead us to study the multiphase PM machines with concentrated windings. This windings technology provides efficient machines which are easy to manufacture, repair and recycle, but accompanied with a certain level of parasitic effects. In order to find a compromise between these effects and the ability to provide torque, the thesis concerns the study of winding topologies with different Slots/Poles combinations. An analytical model constituting a tool to compare magnet losses between various combinations is developed. Many configurations are compared in order to make the most appropriate choice which minimizes parasitic effects. The rotor topologies that allow the machine to provide a wide speed range are examined, taking into account their role in magnets protection against MMF harmful harmonics. Finally, the exploitation of freedom degree offered by a 5-phases structure is discussed, showing that the torque can be significantly boosted by modifying the rotor structure. The consistency of all analytical studies presented in the thesis is corroborated by finite element models and a prototype measurement.

Dans le milieu automobile, les règlementations visant à limiter l’émission de particules fines et de gaz à effet de serre sont devenues de plus en plus sévères au cours des dernières années. Cette tendance ne va pas s’inverser et des solutions doivent être trouvées pour améliorer le rendement des moteurs à combustion interne (ICE) qui propulsent la majorité des véhicules de tourisme dans le monde.Une des solutions permettant d’améliorer le rendement thermodynamique de l’ICE est d’utiliser un turbocompresseur. Cet organe de suralimentation permet d’accroître le couple du moteur en augmentant la pression d’air dans les cylindres et par conséquent la quantité de comburant. Le turbocompresseur présente cependant un inconvénient pour l’agrément de conduite. Selon la technologie employée, un temps de latence (turbo lag) plus ou moins important apparait entre le moment ou le conducteur appui sur la pédale d’accélérateur et le moment ou le couple est disponible sur les roues.Pour pallier ce problème, on peut utiliser une machine électrique venant assister le turbocompresseur durant la phase de montée en vitesse. Cette machine peut faire partie d’un système indépendant de compression d’air et placée en amont du turbocompresseur, on parlera alors de turbo assisté électriquement. Cette machine peut aussi être intégrée directement au turbocompresseur, on parlera alors de turbo électrique. Dans les deux cas, le temps de réponse du turbocompresseur est amélioré ce qui impacte directement la dynamique du véhicule et le plaisir de conduite. Dans le cas du turbo électrique, l’intégration de la machine électrique directement sur le turbocompresseur permet son fonctionnement en génératrice en offrant ainsi une amélioration du rendement global de l’ICE.Le sujet de la thèse est la modélisation et la conception des machines électriques haute vitesse pour ces applications. Les principales qualités recherchées pour ces machines seront :-leurs capacités à pouvoir fonctionner à haute vitesse : les vitesses recherchées se situe typiquement entre 70 000 et 150 000 tr/min pour des vitesses périphériques de l’ordre de 150 m/s ;-leurs densités de puissance : on recherche des puissances de 3 à 15 kW pour des machines compactes qui devront être intégrées sous le capot du véhicule ;-des rendements élevés de l’ordre de 95 % ;-une conception adaptée à la production en grande série pour l’automobile.Pour répondre à cette problématique, les travaux suivants ont été entrepris :Dans un premier temps, nous avons modélisé finement les phénomènes électromagnétiques et mécaniques liées aux machines électriques haute vitesse à encoches et aimants permanents positionnés en surface. Pour cela, nous avons développé un modèle de calcul en sous-domaines pour la partie électromagnétique et un modèle multicouches de résistance des matériaux pour le calcul de la tenue du rotor à haute vitesse.Dans un deuxième temps, pour pouvoir explorer des topologies de machines très différentes, nous avons eu recourt aux méthodes de calcul par éléments finis. Nous avons pu identifier et de comparer plusieurs topologies de machines à encoches, sans encoches, à bobinage dentaire ou toroïdal. Cette étude paramétrique a permis de comparer la densité de couple et le rendement de ces machines.Enfin, dans une dernière partie, nous avons traité le cas du prototypage et des mesures de ces machines. Pour cela, sur la base des études réalisées, nous avons prototypé trois machines aux performances prometteuses. La conception mécanique des différentes machines est abordée ainsi que les méthodes de mesures et les difficultés liées aux caractérisations à haute vitesse.Au cours de ce travail de thèse, d’autres aspects ont aussi été abordés tel que la modélisation des pertes du système machine électrique et convertisseur de puissance, la dynamique des rotors ou encore les émissions acoustiques. / In the automotive industry, regulations to limit the emission of greenhouse gases have become more and more severe. This trend is not going to change and solutions must be found to improve the efficiency of internal combustion engines (ICE) that drive the majority of passenger cars in the world.Turbochargers are a clever solution to improve the thermodynamic efficiency of the ICE. This forced induction device increases the air pressure in the cylinders and therefore the engine torque. However, turbochargers have a major disadvantage for the driver experience: a lag time (turbo lag) between the moment when the driver steps on the accelerator and the moment when torque is available.To overcome this problem, an electric machine can be used to assist the turbocharger during the speed up phase. This machine can be a part of an independent system of air compression and placed upstream of the turbocharger or it can be integrated directly into the turbocharger. In both cases, the response time of the turbocharger is greatly reduced which directly impacts the dynamic of the vehicle and the driving pleasure. The integration of the electric machine directly on the turbocharger allows its operation as a generator to improve the overall efficiency of the ICE.The subject of this thesis is the modeling and design of high speed electric machines for these applications. The main requirements are:-High-speed operation: between 70,000 and 150,000 rpm and peripheral speeds around 150 m/s.-Power density: from 3 to 15 kW for compact machines that will have to be integrated under the hood of the vehicle.-High efficiency: around 95 % and above.-A design adapted to mass production for the automotive industry.To cope with this requirements, the following tasks were undertaken:Firstly, we modeled the electromagnetic and mechanical behaviors of high-speed slotted electric machines with surface-mounted permanent magnets. For the electromagnetic part, we developed a subdomain calculation model. For the mechanical part, we worked on a multilayer model to evaluate the rotor strength at high speed.Secondly, we used finite element analysis methods to explore different machine structures. We compared several topologies of slotted and slotless machines, with tooth-coil winding and toroidal winding. This parametric study allowed us to compare the torque density and efficiency of these machines.Finally, we dealt with the case of prototyping and measurements of these machines. Based on the previous studies, we prototyped three machines with promising performances. The mechanical design of the different machines is discussed as well as the measurement methods and the difficulties associated with high speed characterization.During this thesis work, other aspects were also discussed such as the losses in power converters driving high-speed electric machines, rotor dynamics and acoustic emissions.

L’alternateur étudié dans cette thèse équipe une éolienne flottante à axe vertical. Il s’agit d’unemachine synchrone de 2MW, polyphasée, bobinée sur plots, à pas fractionnaire, à aimants et à prisedirecte. L’objectif majeur de la thèse est la caractérisation de cet alternateur afin d’en évaluer lesperformances. Une modélisation analytique de la perméance d'entrefer et de la force magnétomotriceont conduit à l'étude de l'induction d'entrefer dont le contenu harmonique s'est révélé êtreparticulièrement riche. La caractérisation a également porté sur la détermination des inductancespropres et mutuelles, avec un calage du modèle effectué en exploitant des mesures expérimentalesfaites à l’arrêt. La particularité de la machine étudiée nous a amené à considérer un enroulement fictiféquivalent dans le but de déterminer les inductances cycliques, nécessaires à l'établissement du schémamonophasé équivalent. De plus, le fonctionnement back to back de la machine a été étudié et simulé. Ilpermet de faire des tests de la machine elle-même mais aussi des éléments de la chaîne de conversion,sans l'utilisation d'une deuxième machine ou des pâles pour entraîner le rotor du prototype. Il offre enplus la possibilité de tester différents type de fonctionnements et d'évaluer la puissance que peutproduire la machine : différents scénario de fonctionnement ont été simulés et les paramètresnécessaires aux essais sur site ont été définis. Le fonctionnement back to back a fait l’objetd’investigation sur une machine synchrone classique. Les difficultés de fonctionnement ontnotamment pu être mises en évidence avec une modélisation analytique des phénomènesélectromagnétique qui s'y produisent et des essais expérimentaux. / The studied alternator equips a vertical axis offshore wind turbine. It is a 2MW fractional slotconcentrated winding permanent magnet synchronous polyphase machine, directly connected to bladeturbine. The principal purpose of this thesis consists in characterizing the alternator in order toevaluate its performances. The air gap permeance and the magnemotive force analytical modelingleads to study the air gap flux density and its harmonic content, which is particularly rich. Thecharacterization has also concerned the self and mutual inductance determination, which has requiredstalling the model by exploiting experimental measurements done at standstill. The particularity of thestudied machine leads us to consider an equivalent fictitious winding in order to determine the cyclicalinductances, necessary for the single-phase equivalent scheme establishment. Moreover, the machineback to back functioning has been studied and simulated. This functioning allows testing the machineitself and the other conversion chain subsystems, without using a second machine or blades to drivethe prototype rotor. It offers the possibility to test different types of operating points and to estimatethe power that can produce the studied machine: different operating points scenarios have beensimulated and parameters for tests have been defined. The back to back functioning of a classicalsynchronous machine has been also investigated, with an analytical modeling of the electromagneticphenomena and experimental tests.