L’actualité des travaux de recherche dans le domaine des moteurs électriques repose en partie sur des machines utilisant des matériaux supraconducteurs. En effet, ces matériaux des caractéristiques intéressantes pour des applications à champ magnétique et courant élevés, en étant refroidis à très basse température, en général de 4 à 77K. Ce qui est un paramètre important pour développer des machines de fortes puissances avec un encombrement minimal. Nous proposons d’utiliser les caractéristiques de fort courant et fort champ magnétique des fils supraconducteurs ainsi que les capacités de blindage magnétique des supraconducteurs massifs pour le développement de moteurs supraconducteurs. Nous avons développé et réalisé les essais d’une machine synchrone supraconductrice de 250kW, à inducteur supraconducteur tournant. Nous continuons les travaux sur les machines supraconductrices à topologies originales, avec la modélisation 3D d’un nouvel inducteur, à pans coupés. Mais également par de nouveaux essais et développements de la machine à concentration de flux magnétique réalisée dans des travaux précédents / An important part of electrical machines research activities focus on superconducting motors. In fact, an important magnetic field and high current are possible with these materials, used at low temperature, generally 4 to 77K. These two parameters allow an interesting motor development, with higher electrical power and a minimal overcrowding. In front of high magnetic flux and high current superconducting caracteristics and bulk screening effect, we suggest several superconducting motors development. We developed and realized a 250kW synchronous superconducting motor, with a rotating superconducting inductor. Then, using 3D finite element software, we introduce an original superconducting inductor topology, nammed "pan coupé". Besides, we show new test and development of the magnetic flux concentration motor constructed 4 years ago

Les travaux de cette thèse portent sur l'optimisation de gammes dans la conception des machines synchrones à concentration de flux. Dans un premier temps, un modèle de dimensionnement multi physique dédié à l'optimisation a été développé pour chaque machine retenue pour cette étude. Un modèle analytique pour la structure à bobinage reparti et un modèle semi-analytique à base de réseaux de réluctances pour la machine à bobinage sur dents. Dans un second temps, nous avons validé nos modèles par comparaison avec des essais expérimentaux. L'aspect gamme de notre étude nous a contraints à faire cette validation sur différentes machines et pour différents points de fonctionnement. Une première phase d'optimisation classique, réalisée grâce au couplage de nos modèles avec une méthode déterministe à base de gradient a montré la possibilité d'optimiser nos machines. Une démarche originale d'optimisation de gammes basée sur le partage des composants a été mise au point. Son application sur une série de machines a montré que la discrétisation optimale de tôles dans un diamètre donné est fonction de la vitesse des machines.

Lors d'un refroidissement sous champ magnétique extérieur nul, les supraconducteurs à haute température critique ont la capacité d'expulser les lignes de champ de leur volume. Nous proposons d'utiliser cette propriété pour réaliser un inducteur de machine électrique utilisant des écrans supraconducteurs pour concentrer l'induction magnétique. L'étude théorique du système nécessitant l'utilisation d'outils de calcul numérique, nous avons utilisé une modélisation coulombienne du système et nous avons développé un logiciel de calcul du champ magnétique en 3D basé sur une méthode de Monte-Carlo à base de chaînes de Markov. Cette méthode probabiliste conduit à une erreur quantifiable<br />de calcul que nous avons minimisé en appliquant une méthode de régularisation. Nous avons dimensionné et réalisé un inducteur modèle qui a ainsi permis de vérifier l'efficacité de la structure ainsi que les outils de calcul développés.

Les travaux de cette thèse portent sur l'optimisation de gammes dans laconception des machines synchrones à concentration de flux. Dans un premier temps, unmodèle de dimensionnement multi physique dédié à l'optimisation a été développé pourchaque machine retenue pour cette étude. Un modèle analytique pour la structure à bobinagereparti et un modèle semi-analytique à base de réseaux de réluctances pour la machineà bobinage sur dents. Dans un second temps, nous avons validé nos modèles par comparaisonavec des essais expérimentaux. L'aspect gamme de notre étude nous a contraints à fairecette validation sur différentes machines et pour différents points de fonctionnement. Unepremière phase d'optimisation classique, réalisée grâce au couplage de nos modèles avec uneméthode déterministe à base de gradient a montré la possibilité d'optimiser nos machines.Une démarche originale d'optimisation de gammes basée sur le partage des composants aété mise au point. Son application sur une série de machines a montré que la discrétisationoptimale de tôles dans un diamètre donné est fonction de la vitesse des machines.

La technologie de la réfrigération magnétique présentée dans ce manuscrit constitue une alternative prometteuse à la technologie de production de froid. Le travail effectué a porté tout d’abord sur une étude de la production de froid magnétique et un état de l’art de cette technologie émergente. Nous nous sommes fixés pour objectif de dimensionner et réaliser un réfrigérateur magnétique qui se présente sous la forme d’un actionneur intégré. Le dimensionnement a été réalisé par le biais d’un modèle à éléments finis. Il s’agit d’un dispositif présentant deux entrefers, dont un suffisamment large pour pouvoir accueillir un régénérateur magnétocalorique au sein duquel la valeur de l’induction est la plus élevée possible tout en offrant un profil d’induction de forme trapézoïdale. La réalisation du démonstrateur sur la base des étudeseffectuées par éléments finis constitue la première étape vers la réalisation d’un réfrigérateur magnétique intégré pouvant être logé dans une automobile. Pour finir, et afin d’améliorer encore les performances de notre dispositif, une optimisation de l’inducteur électromagnétique a été effectuée par le biais d’un modèle à éléments finis couplé à un algorithme d’optimisation. / The magnetic refrigeration technology is a promising alternative technology to the production of cold. The work carried out focuses on the technology of magnetic refrigeration, a state of the art of this emerging technology has also been done. A magnetocaloric regenerator is placed in the air gap of the motor. It is necessary to design a motor with an air gap wide enough and where the induction will be as high as possible in order to insert the magnetocaloric regenerator. The regenerator is a hollow cylinder whose dimensions are adapted to the air gap of the synchronous machine. It is intended to contain the magnetocaloric material. The design of the electric motor is made in order to obtain a maximal variation of induction ΔB in the air gap and a temperature difference ΔT as large as possible, improving the magnetocaloric performance of the prototype. The profile of induction should also be as close as possible to a rectangular signal. The realization of the demonstrator based on the finite element studies is the first step towards the realization of integrated magnetic refrigerator which can be housed in an automobile. Finally, and in order to improve the performance of our device, an optimization of the electromagnetic inductor was carried out with a finite element model coupled to an optimizationalgorithm.

Les travaux de cette thèse portent sur l’optimisation de gammes dans laconception des machines synchrones à concentration de flux. Dans un premier temps, unmodèle de dimensionnement multi physique dédié à l’optimisation a été développé pourchaque machine retenue pour cette étude. Un modèle analytique pour la structure à bobinagereparti et un modèle semi-analytique à base de réseaux de réluctances pour la machineà bobinage sur dents. Dans un second temps, nous avons validé nos modèles par comparaisonavec des essais expérimentaux. L’aspect gamme de notre étude nous a contraints à fairecette validation sur différentes machines et pour différents points de fonctionnement. Unepremière phase d’optimisation classique, réalisée grâce au couplage de nos modèles avec uneméthode déterministe à base de gradient a montré la possibilité d’optimiser nos machines.Une démarche originale d’optimisation de gammes basée sur le partage des composants aété mise au point. Son application sur une série de machines a montré que la discrétisationoptimale de tôles dans un diamètre donné est fonction de la vitesse des machines. / The works of this thesis concern the ranges optimization for radial synchronousmachines conception. At first, a multiphysical sizing model dedicated to optimizationwas developed for every retained machine for our study. An analytical model for distributedwinding structure and a semi-analytical model with network reluctances for concetratedwinding motors. Secondly, we validated the models by comparison with the experimentalmesures. The range aspect of the study forced us to make this validation on variousmachines and for various operating points. A first phase of classic optimization, whichis realized due to the coupling of the models with a gradient based determinist methodshowed the possibility to optimize the motors. An original approach of range optimizationbased on the components sharing was developed. Its application on a series of motors showedthat, the optimal discretization of steel sheets in a given diameter is a function of themotor speed.

La conversion photovoltaïque (PV) de l’énergie solaire repose sur la capacité qu’ont certains matériaux à convertir l’énergie des photons en courant électrique. Le développement des systèmes de conversion PV ces trente dernières années a permis des améliorations considérables en terme de coût et de performances dans le domaine des énergies renouvelables.Une cellule multi-jonctions (MJ), à base de matériaux semi-conducteurs III-V, est un empilement de sous-cellules aux gaps décroissants qui permet notamment une plus large utilisation du spectre solaire. Soumettre ces cellules PV à un flux solaire concentré permet d’augmenter significativement la puissance électrique créée par celles-ci, et ainsi d’abaisser substantiellement le coût de l’électricité produite.Le record du monde est actuellement détenu par le partenariat Soitec / Fraunhofer ISE avec un rendement de 46,0 % mesuré sur une cellule quadruple-jonctions en GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs pour un taux de concentration de 508 X (où 1 X =1 soleil = 1 kW/m²).L’objectif du travail réalisé dans le cadre de cette thèse est de proposer une alternative aux cellules existantes plus simple à mettre en œuvre avec des cellules MJ monolithiques accordées sur substrat de GaSb pour des concentrations solaire de 1 000, soit une irradiance directe de 1 MW/m². Ce type de cellules, du fait de la très bonne complémentarité des gaps des matériaux et ses alignements de bandes favorables, constitue une alternative crédible et originale aux cellules existantes pour une utilisation sous flux solaire fortement concentré.Afin de mieux comprendre la cellule multijonctions III-Sb optimale, les travaux réalisés ont porté sur la fabrication et la caractérisation des trois sous-cellules fabriquées indépendamment. Ces trois échantillons épitaxiés sont l’Al0,9Ga0,1As0,07Sb0,93 (cellule Top), l’Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 (cellule Middle) et le GaSb (cellule Bottom) ayant comme gaps respectifs 1,6 eV, 1,22 eV et 0,726 eV à 300 K.Le travail présenté dans cette thèse porte sur :- La réalisation et la mise au point de toutes les étapes technologiques nécessaires à la fabrication des cellules (dépôts métalliques, gravure humide et sèche par plasma …).- La caractérisation des métallisations par structure TLM (Transmission Line Method) dont le meilleur résultat obtenu concerne une métallisation tri-couche Cr/Pd/Au (30/30/30 nm) sur substrat GaSb type P.- La caractérisation sous obscurité courant-tension des paramètres électriques des cellules PV à température ambiante et en fonction de la température.- La caractérisation thermique par mesure de la conductivité thermique des matériaux et une cartographie de température de surface en fonction du flux solaire concentré en conditions réelles.- La caractérisation électro-optique par réponse spectrale, à partir de laquelle nous avons calculé le rendement quantique externe qui représente le rapport entre la quantité d’électrons créés et la quantité de photons incidente.- La caractérisation sous illumination à 1 soleil (1 000 W/m²) sous simulateur solaire et en conditions solaire dont nous avons comparé les paramètres électriques.- La caractérisation des cellules sous flux solaire (fortement) concentré au laboratoire PROMES. Les meilleurs rendements obtenus pour les cellules PV Bottom, Middle et Top respectifs de 4,6 % à 40 X (proche de l’état de l’art), 8,2 % à 96 X et 5,4 % à 185 X (première mondiale pour ces matériaux quaternaires).Ce travail a été cofinancé par le Ministère de l’Education et de la Recherche (Allocation ED) et le Labex SOLSTICE.Photovoltaic (PV) solar energy consists on the ability of certain materials to convert the photon energy into electric current. The development of PV conversion systems in the past thirty years has led to considerable improvements in terms of cost and performance in the field of renewable energies. / Photovoltaic (PV) solar energy consists on the ability of certain materials to convert the photon energy into electric current. The development of PV conversion systems in the past thirty years has led to considerable improvements in terms of cost and performance in the field of renewable energies.A multi-junction (MJ) cell, based on III-V semiconductor materials, is a stack of sub-cells with decreasing gaps which notably allows wider use of the solar spectrum. Exposing these PV cells to a concentrated solar flux can significantly increase the electrical power generated, and therefore substantially lower the cost of electricity yielded.The world record is currently held by the partnership Soitec / Fraunhofer ISE with an efficiency of 46.0 % measured on a four-junction cell GaInP/GaAs//InGaAsP/InGaAs for a concentration ratio of 508 X (where 1 X = 1 sun = 1 kW/m²).The objective of the work in this thesis is to propose an alternative to existing cells, easier to implement with monolithic MJ cells grown on a GaSb substrate for solar concentrations of 1 000, which corresponds to a direct irradiance of 1 MW/m². This type of cell, due to the good complementary of the material gaps and its favorable band alignments, is a realistic and original alternative to existing cells for use under highly concentrated solar flux.To better understand the optimal multijunction III-Sb cell, the work carried out consisted on the manufacturing and characterization of the three sub-cells independently.These three epitaxial samples are Al0,9Ga0,1As0,07Sb0,93 (Top cell), the Al0,35Ga0,65As0,03Sb0,97 (Middle cell) and GaSb (Bottom cell) having as respective gaps 1.6 eV, 1.22 eV and 0.726 eV at 300 K.The work presented in this thesis is:- The establishment of all the technological steps required to manufacture the cells (metal deposition, wet and dry plasma etching ...).- The characterization of metallization by TLM structure (Transmission Line Method) with the best result being a three-layer metallization Cr/Pd/Au (30/30/30 nm) on a GaSb P-type substrate.- The characterization under dark of current-voltage electrical parameters of PV cells at room temperature and in function of the temperature.- The thermal characterization by measuring the thermal conductivity of the materials and a surface temperature mapping in function of the concentrated solar flux in realistic conditions.- The electro-optical characterization by spectral response, from which we calculated the external quantum efficiency which is the ratio between the amount of electrons created and the amount of incident photons.- The characterization under 1 sun illumination (1 000 W/m²) in a solar simulator and in realistic conditions of which we compared the electrical parameters.- The characterization of solar cells under (highly) concentrated solar flux in the PROMES laboratory.The best efficiencies for Bottom, Middle and Top PV cells respectively are 4.6 % for 40 X (close to the state of the art), 8.2 % for 96 X and 5.4 % for 185 X (world first for these quaternary materials).This work was cofounded by the Ministry of Education and Research (ED Research grant) and Labex SOLSTICE.