The requirements on vehicle industry are constantly getting stricter, especially when it comes to emissions. At the same time cars, trucks and buses are needed for our way of living. This have forced companies to be as ecient as possible in their way of using fossil fuels for travelling and transport. To increase the eciency companies investigate all possible fuel savings to decrease their carbon footprint as much as possible. One area of savings that is not that obvious to many people is the alternator. Several percent of the total energy used by a vehicle are needed to operate the alternator. With a typical alternator eciency of 70% considerable savings can be achieved. This thesis that concern alternator eciency was carried out at Scania in Södertälje, Sweden. The goal of the thesis is to construct a mathematical model of an alternator. The model is supposed to consider all losses in the alternator and together with the output power give an eciency model of the alternator at different speeds and loads. A great part of the project has been dealing with the magnetic losses. The magnetic losses have been modeled as an equivalent circuit with the load angle as a central piece. The equivalent circuit is built up by the fact that the alternator used in the vehicles is a salient pole alternator. The equivalent circuit describes a voltage equation where the voltage drop over the magnetic inductance is described. From that relations between the signals in the alternator and output signals can be written. The alternator model is then used together with data recorded from different buses all over the world, this to be able to investigate how the alternator contributes to the fuel consump- tion depending on the way that the buses are driven. The result of this thesis is a mathematical model that describes the losses in the alternator for different load cases and speeds.

This work presents development system LabVIEW and the possibility to create virtual measuring devices. Particular realization of virtual measuring device within the frame of this work is applied on measurement of basic characteristics of claw-pole alternator. The structure and the principle of function of this alternator is described in brief. Created virtual measurement device is described in detail. The entire block scheme, that is the source code for LaBVIEW development system, is attached only in electronic form. The printed version contains front panel of the device and almost all the structures of block scheme.

L'alternateur à griffes est l'alternateur le plus utilisé dans l'industrie automobile. Afin d'augmenter sa puissance volumique, une solution classique consiste à utiliser des aimants NdFeB entre les griffes. Ces dernières années, le prix des aimants NdFeB a beaucoup augmenté remettant en question leur utilisation. Ce contexte implique de trouver de nouvelles solutions techniques permettant de conserver la même puissance volumique sans utiliser d'aimant NdFeB. Dans le cadre de ces travaux de thèse la solution proposée consiste a utiliser des matériaux magnétiques doux nobles tels que les FeCo (AFK18, AFK1 et AFK502). De part leur coût élevé, nous avons limité leur utilisation au noyau de l'alternateur même si leur utilisation au rotor est également évaluée. Ces travaux s'appuient sur une démarche de dimensionnement multi-niveaux (modèle reluctant et modèle éléments finis) ce qui apporte un bon compromis temps de calcul/précision. Une série d'études a été réalisée avec dans un premier temps, l'identification d'une géométrie de noyau favorable à l'utilisation de noyau en FeCo. Dans un second temps, une étude compare les courants batteries en fonction du FeCo utilisé au noyau avec une optimisation du rotor. Ensuite une étude présente le dimensionnement complet de l'alternateur (optimisation du rotor et du stator avec une étude sur le nombre optimal de paires de pôles) avec un noyau en AFK502 ce qui d'identifier le gain maximal en courant batterie apporté par l'utilisation d'un noyau en FeCo. Pour finir, une dernière étude compare les courants batteries en fonction du FeCo utilisé au rotor avec une optimisation du rotor et du stator. / Claw-pole alternators are often used in automotive industry. Permanent magnets like NdFEB are currently integrated to increased the power density of claw-pole machine. However their higher price brings into question their usage. This tight context implies finding new technical solutions to keep the same power density without NdFeB magnets. The solution adopted consists to evaluate the potential of gain with different soft magnetic materials and more especially FeCo family (AFK18, AFK1 et AFK502). Their higher price imposed us to use FeCo just at the core of the alternator but we have also evaluate their usage at the rotor. This work is based on an adapted design methodology including two modeling level (magnetic equivalent circuit model and finite element model) in order to obtain a good compromise between time computation/accuracy. Several studies have been made with, as a first step, the identification of new core geometry customized for FeCo core. As a second step, a study comparing output current according to FeCo used at the core is presented, rotor is optimized only. As a third step, is exposed the global optimization of the alternator with an AFK502 (rotor and stator optimization with a study on the optimal poles pairs number) in order to identify the maximum output current gain with an FeCo core. Finally, the last study compare output current according to FeCo used at the rotor, rotor and stator are optimized .

This dissertation proposes several simple, robust, and non-intrusive condition monitoring methods for induction motors fed by closed-loop inverters and claw-pole generators with built-in rectifiers. While the flexible energy forms synthesized by power electronic converters greatly enhance the performance and expand the operating region of induction motors and claw-pole generators, they also significantly alter the fault behavior of these electric machines and complicate the fault detection and protection. In this dissertation, special characteristics of the connected closed-loop inverter and rectifier have been thoroughly analyzed, with particular interest in their impact on fault behaviors of the induction motor and the claw-pole generator. Based on the findings obtained from the theoretical and experimental analysis, several sensorless thermal, mechanical, and insulation monitoring methods are proposed by smartly utilizing special features and capabilities of the connected power electronic converter. A simple and sensitive stator turn-fault detector is proposed for induction motors fed by closed-loop inverter. In addition, a stator thermal monitoring method based on active DC current injection and direct voltage estimation is also proposed to prevent the closed-loop controlled induction motors from thermally overloading. The performance of both methods is demonstrated by extensive experimental results. Methods to detect serpentine belt slip, serpentine belt defect, rotor eccentricity have been proposed for claw-pole generators using only the available electric sensor information. Methods to detect and protect stator turn faults in claw-pole generators are also presented in this dissertation. Lastly, a novel method to detect the generalized bearing roughness fault is proposed. All the proposed condition monitoring techniques have been validated by experimental results.

La conception de machines électriques tend à intégrer l’impact des procédés de fabrication dans le but d’optimiser la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique, en lien avec la maîtrise des propriétés électromagnétiques des composants des machines. Les interactions entre procédés, propriétés électromagnétiques et autres propriétés du matériau ont beaucoup été étudiées dans le cas des tôles compte tenu de leur large utilisation dans le domaine de l’électrotechnique et des moyens de caractérisation magnétique normalisés actuels. Cependant, un alternateur à griffes, utilisé dans l’industrie automobile, comporte des composants massifs au rotor pour la conversion mécanique/électrique. Ces composants, appelés roues polaires, sont obtenus par un processus de fabrication comprenant des opérations de forgeage et dont l’impact sur les performances de la machine est encore mal déterminé. Les nouvelles problématiques que pose ce genre de pièces ont mené, dans le cadre des présents travaux, au développement d’une méthodologie spécifique comprenant : l’identification du lien procédés – produit, le développement d’un banc de caractérisation magnétique d’échantillons représentatifs ainsi que la construction de lois de comportement sur des paramètres matériau pertinents à partir de ces échantillons. Les résultats, en accord avec la littérature, ont montré un impact fort de la déformation plastique et de la taille de grain sur les propriétés magnétiques. Cela se traduit, une fois les propriétés modifiées intégrées dans la simulation des performances d’un alternateur, par une baisse significative du courant débité. / The design of electrical machines aims to integrate the impact of the manufacturing process in order to optimize the conversion from mechanical to electrical energy, with the consideration of the electromagnetic properties of the machine components. The interactions between processes, electromagnetic properties and other material properties have been well studied in the case of the steel laminations, regarding their wide use in electrical engineering and the current standards of magnetic characterization devices. However, the claw pole alternator used in automotive industry has a rotor with massive components for the mechanical-to-electrical energy conversion. These components, called claw poles, are manufactured with forging operations whose impact on the machine performance is yet not well determined. The new challenges brought by this kind of work pieces led, in the frame of the current study, to the development of a specific methodology involving: identification of the link process – product, designing of a magnetic characterization device specific for representative samples as well as the establishment of behavior laws regarding relevant material parameters. The results, in accordance with the literature, have shown a strong influence of plastic strain and grain size on magnetic properties. Once these modified properties integrated in the electromagnetic model of the claw pole alternator, a significant decreased of the output current is eventually observed.

Les procédés de fabrication, du fait de leurs imperfections, conduisent à des dispersions des dimensions par rapport au nominal ainsi qu’à une variabilité de celles-ci d’un produit à un autre. Pour les machines électriques, ces imperfections peuvent conduire à des excentricités entre le rotor et le stator ou à des déformations de la surface intérieure du stator (défaut de forme). Dans la littérature, les travaux se focalisent surtout sur l’étude des effets néfastes dus à l’excentricité et pas sur les défauts de forme. De plus, ces travaux sont souvent basés sur une approche déterministe négligeant la variabilité qui peut apparaitre dans le cas de la production de masse. L’objectif de la thèse est donc de mettre en place une méthodologie basée sur une approche probabiliste permettant de quantifier l’effet des imperfections des procédés de fabrication sur la géométrie d’une machine électrique et d’en évaluer l’impact sur les performances. Pour cela, une campagne de mesures dimensionnelles a été effectuée sur 50 machines électriques permettant de caractériser les principaux défauts comme l’excentricité et la déformation de la surface intérieure du stator. Des modèles probabilistes de ces défauts ont été proposés permettant de prendre en compte leur variabilité. L’utilisation d’un modèle numérique de la machine électrique combiné avec des techniques d’approximation creuse ont permis d’évaluer l’influence de ces défauts sur les grandeurs d’intérêt comme la FEM ou le couple. / Due to their imperfections, manufacturing processes lead to deviations on the dimensions which are not equal to their nominal value and as well as a variability on the dimensions from one product to another in the case of mass production. For electrical machines, these imperfections can cause an eccentricity between the rotor and the stator or shape default like the deformation of the inner surface of the stator. In the literature, research focuses mainly on the study of detrimental effects due to the eccentricity but not on shape default. In addition, this research is often based on a deterministic approach neglecting the variability that can arise especially in mass production. The aim of the thesis is to develop a methodology based on a probabilistic approach to quantify on the performances of an electrical machine the effect of imperfections of manufacturing processes on the geometry. First, a campaign of measurements was performed on 50 electrical machines for characterizing the main defaults such as the eccentricity and the deformation of the inner surface of the stator. Probabilistic models of these defaults have been proposed for taking into account their variability. A numerical model of the electrical machine combined with sparse approximation techniques were used to quantify the influence of these defaults on quantities of interest such as EMF or torque.

Cette thèse s’intéresse à l’analyse de structures de machines électriques non conventionnelles destinées à la production d’électricité par des groupes électrogènes. Les topologies recherchées doivent utiliser moins de matières actives et/ou simplifier la procédure de fabrication par rapport aux machines actuelles.Une des structures est dédiée au système d’excitation de la machine. Elle possède un stator à griffes avec un bobinage toroïdal. Son dimensionnement est réalisé à l’aide d’un modèle de calcul par éléments finis en 3D, qui a été validé expérimentalement. Cette structure permet d’obtenir une réduction significative de la quantité de cuivre dans le bobinage.Les deux autres structures traitées concernent l’alternateur principal. Une machine synchro-réluctante à barrières deflux et à rotor bobiné a été proposée. L’objectif est d’augmenter la densité de couple grâce au couple de saillance. Elle est dimensionnée et comparée avec la structure conventionnelle. Ce cas met en évidence les limitations des structures proches de la structure actuelle.La dernière structure est une nouvelle topologie de machine électrique. Elle combine les caractéristiques des machines à flux axial et des machines à griffes, permettant de simplifier le système d’excitation. Une approche de modélisation originale a été développée pour l’analyse de cette topologie 3D en vue de son dimensionnement par optimisation. Le système d’excitation a un rôle important dans les performances de cette machine.Cette thèse constate aussi que l’évolution future des matériaux magnétiques pourrait tirer meilleur profit des structures non-conventionnelles avec des trajets de flux tridimensionnels. / The PhD project aims to analyse nonconventional structures of electric machines for electric power generation with diesel gensets. The researched topologies should use less active materials and/or simplify the manufacturing process compared to today’s machines.One of the structures is intended for the excitation system of the electric machine. It is composed of a claw-pole stator and a toroidal winding. It is designed using a 3D Finite Element model, previously validated by a prototype. This structure allows a significant reduction of the quantity of copper of the field winding.The other two structures under study are proposed for the main generator. A synchronous-reluctance machine with flux-barriers and a field winding in the rotor is analysed. The objective is to increase the torque density by increasing the reluctance torque. The designed machine is compared to the conventional structure. This case shows the limitations of structures similar to the current structure.The last structure is a new topology of electric machine. It combines the characteristics of claw-pole machines andaxial-flux machines. An original modelling approach is developed to analyse this 3D structure for its design based on an optimization algorithm. The study shows that the excitation system has a key role in its performances.This work also notes that the future evolution of magnetic materials should benefit the use of non-conventional structures with 3D flux paths.

Les travaux de recherches menés dans cette thèse concernent la modélisation et l’optimisation de l’alternateur synchrone à griffes utilisé dans les véhicules mild-hybrid. Ce dernier voit son utilisation élargie à la fonction d’assistance de traction au moteur thermique et de récupération d’énergie dans les phases de freinage. La structure spéciale du rotor rend nécessaire l’utilisation de modèles éléments finis 3D pour modéliser finement les effets tridimensionnels. Ces derniers requièrent une utilisation intensive des ressources informatiques (RAM, temps CPU) qu’il est crucial de réduire pour envisager une démarche d’optimisation de dispositifs magnétiques. Dans ce contexte, l’utilisation d’une plateforme de modélisation ouverte Gmsh et GetDP, permettant l’implémentation de géométries et de formulations appropriées, a abouti au développement de modèles précis et suffisamment rapides pour être intégrés dans des algorithmes d’optimisation. L’originalité de cette démarche de modélisation consiste à hybrider une approche numérique (éléments finis 3D) et une approche semi-analytique (réseau de perméances) de sorte que l’usage des éléments finis 3D soit réduit aux zones où le champ magnétique est tridimensionnel. Enfin, le choix d’un algorithme d’optimisation adapté aux modèles numériques (boîte noire à fort coût d’évaluation) a permis de développer un outil de pré-dimensionnement et de dimensionnement des machines synchrones à griffes en vue de l’obtention d’une géométrie optimisée en réponse à un cahier des charges industriel / The research work carried out in this thesis concerns the modeling and optimization of claw-pole synchronous alternator used in mild-hybrid vehicles. The use of this machine is extended to assistit traction engine and energy recovery in the braking phases. The special structure of the rotor makes it necessary to use 3D finite element models to analyse efficiently the three-dimensional effects, which requires an intensive use of computing resources (RAM, CPU time). The latter must be reduced in order to consider an optimization process on such magnetic devices. In this context, the use of a Gmsh and GetDP, open modeling platform, led to the development of precise models, fast enough to be integrated into optimization algorithms. The originality of this modeling approach is based on the hybridization of a numerical approach (3D finite elements) and a semi-analytical approach (permeance network) so that the use of 3D finite elements is reduced to areas where The magnetic field is three-dimensional. Finally, the choice of an optimization algorithm adapted to numerical models (black box with high evaluation cost) allows to develop a pre-design and a design tools for claw-pole synchronous machines in order to obtain an optimized geometry achieving an industrial specification

Cette thèse propose une nouvelle structure de machine à courant continu pouvant être utilisée dans une application démarreur Stop-Start automobile. Une structure tridimensionnelle à griffes est proposée pour remplacer le stator à plots actuel dans le but de réduire son coût de fabrication. La structure de la machine à griffes est modélisée par un réseau de réluctances permettant la prise en compte de la saturation et de la réaction magnétique d'induit. Grâce à sa rapidité et précision, ce modèle est ensuite intégré dans un processus d’optimisation afin d'obtenir rapidement une machine optimale. Enfin, un prototype de machine à courant continu à griffes est réalisé, montrant ainsi la faisabilité de cette topologie. Par ailleurs, un modèle original combinant réseaux de réluctances et résolution de l'équation de Laplace a été développé pour lever certaines difficultés liées à la modélisation par réseau de réluctances des machines électriques tout en prenant en compte la rotation / This thesis deals with a new DC machine structure that can be used in an automotive Stop-Start starter application. A three-dimensional claw pole stator is proposed to replace the current stator in order to reduce its manufacturing cost. The claw pole machine topology is modeled by a reluctance network to take into account the saturation and the magnetic armature reaction. Thanks to its speed and precision, this model is then integrated in an optimization process to obtain an optimal machine. Finally, a prototype of a machine with DC claws is manufactured to show the feasibility of this topology. Moreover, an original model combining reluctance networks and solving the Laplace equation has been developed to overtake some difficulties related to modeling by reluctance network of electrical machines while taking into account the rotation

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse visent à développer une machine à griffes à base d'aimants permanents pour les applications automobiles avec un concept de réutilisation et de recyclage des aimants permanents. Ces recherches sont menées dans le cadre du projet DEMETER, qui s'inscrit dans le cadre des Marie Sklodowska-Curie Actions dans Horizon 2020 de l'Union européenne. Le projet se concentre sur la récupération des aimants permanents à base de terres rares utilisés dans les applications automobiles en raison des problèmes actuels de fluctuation des prix et des problèmes d’offre et de demande de ces aimants permanents.La machine à griffes est utilisée dans presque toutes les automobiles du monde pour les applications d'alternateur. Avec l'augmentation de la demande en puissance, la machine à griffes est également développée en tant que moteur-générateur utilisé dans les véhicules électriques hybrides. Actuellement, la machine à griffes à base d'aimants permanents est utilisée dans des systèmes d’hybridation légère afin de réaliser des économies d'énergie. La littérature regorge de différentes configurations de machines à griffes pouvant être développées pour obtenir de meilleures performances. Cependant, le montage et le démontage facile des différentes parties de la machine sont également importants pour la réutilisation et le recyclage des aimants. Dans ce travail de recherche, deux concepts ont été développés; premièrement, le concept de réutilisation directe, c’est-à-dire le montage / démontage facile du rotor et des aimants, de manière à pouvoir retirer facilement les aimants pour les réutiliser ou les recycler directement; deuxièmement, le concept de recyclage direct, c'est-à-dire l'utilisation d'aimants recyclés dans la machine pour obtenir les performances souhaitées.Au cours de cette recherche, la conception de base de la machine à griffes a été développée, analysée et optimisée de manière à obtenir le meilleur rapport couple / poids aimant. Cela a permis de réduire le coût des aimants pour presque le même couple. L'optimisation a été effectuée en utilisant une analyse numérique en éléments finis 3D. Le modèle optimisé a été développé de manière à ce que le processus d’assemblage des aimants et des griffes reste le même. Cependant, lors du démontage, les aimants peuvent facilement être retirés sans démonter le rotor complet; et ainsi se servir de ces aimants pour les réutiliser directement dans d'autres applications ou les envoyer au recyclage. Dans le concept de recyclage direct, les aimants utilisés dans la machine sont des aimants recyclés aux performances dégradées. Le type de processus de recyclage est un facteur déterminant de la détérioration des performances de ces aimants recyclés. L'objectif du concept de recyclage direct était d'analyser la machine avec des aimants vierges et recyclés et d'évaluer la consommation d'énergie de la machine selon différents cycles de conduite. On a observé qu'avec l'utilisation d'aimants recyclés dans la machine à griffes, la consommation d'énergie était presque identique à celle de la machine à aimants vierges. On peut donc en conclure que pour les machines à griffes à aimants permanents, l’utilisation d’aimants recyclés est plus durable pour l’environnement car elle peut entraîner une diminution à l’extraction des matériaux de terres rares. Les fluctuations des prix et les problèmes d’offre peuvent également être réduits grâce à l’utilisation accrue des aimants recyclés, même si des politiques et des normes sont appliquées.Le prototype de la machine à aimants vierges a été fabriqué et testé pour ses performances. Il a été observé que les résultats expérimentaux correspondent très bien aux résultats des analyses de conception, validant ainsi le processus de conception et la méthodologie. / The research work presented in this thesis aims at developing a permanent magnet based claw-pole machine for automotive application with permanent magnet reuse and recycle concept. The aforesaid research is under the aegis of Project DEMETER which is in the framework of European Union’s Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie actions. The project focuses on the recovery of rare earth permanent magnets utilized in automotive applications due to the prevailing problems of price fluctuations and supply-demand issues of these permanent magnets.The claw-pole machine is employed in almost all of the automobiles in the world for alternator application. With the increase in power demands, the claw-pole machine is also being developed as a motor-generator utilized in the hybrid electric vehicles. At present the permanent magnet based claw-pole machine is being used in mild hybrid electric vehicles for energy savings. The literature is replete with various configurations of claw-pole machines that can be developed to achieve better performances. However, easy assembly and disassembly of various parts of the machine is also important for the reuse and recycle of magnets. In this research work two concepts have been developed; first, the direct reuse concept i.e. easy assembly/disassembly of the rotor and magnets, so as to easily take out the magnets for direct reuse or recycle and; second, the direct recycle concept i.e. utilization of recycled magnets in the machine to achieve the desired performance.In the course of this research the base design of the claw-pole machine was developed, analyzed and optimized so as to attain best torque versus magnet-weight ratio. This helped in the reduction of magnet cost for almost the same torque. The optimization was carried out using 3-D numerical analysis. The optimized model was developed in a way that the assembly process of the magnets and claw-poles remained the same. However, during disassembly the magnets can easily be withdrawn without disassembling the complete rotor; therefore utilizing these magnets for direct reuse in other applications or sent for recycling. In the direct recycle concept, the magnets used in the machine are recycled magnets with deteriorated performance. The type of recycling process is a strong determinant of the deterioration in performance of these recycled magnets. The aim of the direct recycle concept was to analyze the machine with virgin and recycled magnets, and evaluate the energy consumption of the machine under different drive cycles. It was observed that with utilization of recycled magnets in the claw-pole machine, the energy consumption was almost same as that of the machine with virgin magnets. Thus it can be concluded that for the permanent magnet based claw-pole machine, the utilization of recycled magnets is more sustainable for the environment as it can lead to consequential limits on the mining of rare earth materials. The price fluctuations and supply-demand problems can also be reduced with the increase in utilization of recycled magnets, albeit policy and norms are effectuated.The prototype of the machine with virgin magnets have been developed and tested for performance. It has been observed that the experimental results match fairly well with the design analysis results, hence validating the design process and methodology.