Les pertes supplémentaires en charge dans les machines électriques représentent une contribution non-négligeable aux pertes totales. Elles constituent un point clé pour une évaluation exacte de l’efficacité énergétique des moteurs. L’objectif de ce travail a donc été d’investiguer les pertes supplémentaires, de déterminer et de quantifier leurs origines tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le modèle de calcul des pertes supplémentaires, développé dans la thèse, est basé sur l’essai normalisé de bilan de puissances. L’utilisation de ce dernier nécessite des modèles de calcul des pertes fer et des pertes par courants induits harmoniques. Le choix s’est porté sur des modèles de calcul des pertes en post-traitement d’un code par éléments finis. Ces modèles ont été testés dans un premier temps sur une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) où l’influence des harmoniques de découpage a été étudiée. Ensuite, les pertes supplémentaires ont été calculées pour un moteur de 500 kW et deux moteurs de 6 kW à barres droites et inclinées. Plusieurs études ont été effectuées sur les origines des pertes supplémentaires, comme les flux de fuite d’extrémités, les flux de fuite zig-zag ainsi que les flux de fuite d’inclinaison, et leurs contributions ont été quantifiées. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais effectués sur la MSAP et sur les deux maquettes montre une bonne concordance. Ces résultats démontrent la capacité des modèles proposés à estimer les pertes fer, les pertes par courants induits et les pertes supplémentaires avec une bonne précision pour différents types de machines électriques et différents points de fonctionnements. / The stray load losses (SLL) in electrical machines represent a non-negligible contribution to the total losses and are a key point for an accurate evaluation of the energy efficiency of the considered device. The aim of this work is to investigate the SLL, to determine and quantify their origins using precise models of the studied motors. The SLL model calculation, developed in this thesis, is based on the normalized Input-Output test. This later requires models for the core and harmonic eddy current losses. The choice has been made for calculating the losses in the post- processing step of a finite element code. These models were tested, first, on a permanent magnet synchronous machine (PMSM), where the influence of the carrier harmonics is studied. Then, the SLL were calculated for a 500 kW induction motor and for two 6 kW motors with skewed and non-skewed rotor bars. Several studies have been performed to study the origins of the SLL such as the end-region leakage fluxes, the zig-zag leakage fluxes and the skew leakage fluxes, and quantify their contributions. The comparison, between the simulation results and those measured on the PMSM and both 6 kW motors, shows a good agreement. This demonstrates the ability of an accurate estimation of the core, eddy currents and SLL losses using the proposed post-processing calculation method, for different types of electrical machines under different operating conditions.

Dans tous les domaines, mais en particulier celui de électricité, chacun se préoccupe de plus en plus de la sécurité des utilisateurs, tant au niveau des biens que des personnes. Pour cela on utilise des appareils à coupure automatique de I'alimentation, dès I'apparition d'un défaut électrique dans une installation. Cette protection est réalisée par des dispositifs différentiels, dont le coeur est constitué d'un relais polarisé haute sensibilité. L'amélioration de celle-ci exige une maitrise complète des caractéristiques du relais. Or les différentes pièces le constituant présentent certaines tolérances, lors de son assemblage celles-ci vont entrainer des dispersions de ses caractéristiques électriques dans des proportions qu'il reste à déterminer. La maÎtrise de ces dérives, nécessite l'élaboration d10utils pour quantifier les paramètres influents mais aussi pour améliorer ses propriétés électriques. Le premier outil est une modélisation analytique qui nous permet d1appréhender les phénomènes électromagnétiques: la saturation, les courants induits, les points de polarisation de l'aimant, ainsi que l'influence des points de contact entre la pièce fixe et la pièce mobile. Le second est un modèle numérique utilisant les éléments finis, avec une méthode originale qui utilise une formulation bidimensionnelle en associant ~"deux coupes couplées" pour analyser des dispositifs tridimensionnels.

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Au cours des différentes phases de transformation de ces matériaux, un apport de chaleur est souvent nécessaire. Si le renfort est en fibres de carbone, le chauffage par induction peut être avantageux par rapport à d'autres modes de chauffage. Le but de cette thèse est de modéliser en 3D le chauffage par induction de ces matériaux qui sont multi-échelles, hétérogènes et anisotropes. Ces matériaux sont remplacés par des matériaux homogènes équivalents à l'aide de méthodes d'homogénéisation prédictives ou expérimentales. Dans ce cadre, nous avons proposé une méthode expérimentale basée sur la mesure de l'impédance pour déterminer la conductivité électrique. D'autre part, ces matériaux se présentent sous forme de plaque d'épaisseur très faible comparée aux autres dimensions. Deux modèles ont étés mis en place, un modèle éléments coques anisotropes monocouche et un modèle multicouche dédiés aux composites stratifiés à structures orientées. Une confrontation entre les résultats de simulations et les mesures expérimentales a permis de valider les modèles développés. Ces modèles ont été appliqués dans le cadre d'une collaboration industriel.

La perspective de la production décentralisée nécessite de revenir à la modélisation fine des dispositifs électriques constituant le réseau, aux multiples principes de fonctionnement (moteur ou générateur, machines tournantes ou statiques, ...etc) et gammes de puissance. En effet, cet accroissement considérable de la taille des réseaux ne peut se faire au détriment de la sécurité des personnes et de la fiabilité des installations, La machine électrique n'est plus isolée et fait désormais partie intégrante du réseau électrique. C'est sur elle que portera principalement notre étude. La présence de nombreux harmoniques sur le réseau incite à disposer de modèles fréquentiels plus fins et valables sur une plus grande plage de fréquences. En outre, l'étude des réseaux sera facilitée si la matrice d'état du système est de taille raisonnable, autrement dit si le modèle comporte le plus petit nombre de paramètres possible. L'objectif premier de ce travail présenté dans ce mémoire est d'améliorer les modèles classiques des machines, en tenant compte de phénomènes physiques liés à la variation de fréquence, comme l'effet de peau. Ceci impose de partir des équations de Maxwell, décrivant tout phénomène d'induction et de remonter au schéma équivalent de la machine. Cette amélioration des modèles repose sur l'utilisation d'un outil mathématique récemment appliqué à d'autres domaines scientifiques : la dérivation non entière.

Suite aux directives européennes incitant les constructeurs de moteurs électriques à supprimer<br />de leur offre, les moteurs à faible rendement, une politique de conception de moteurs à haut<br />rendement est engagée. Toutefois, l'évaluation préalable, en simulation, de ce paramètre, et<br />notamment des pertes fer de la machine reste aujourd'hui un problème difficile. Dans cette<br />optique, depuis quelques années, un modèle, nommé « Loss Surface », de calcul a posteriori<br />des pertes fer sous le logiciel éléments finis Flux2D™ a été développé. Au cours de ce travail,<br />plusieurs améliorations sont apportées à ce modèle LS. Un nouveau banc de caractérisation à<br />partir d'un onduleur de tension performant a permis de prolonger en fréquence la surface<br />dynamique LS. Une nouvelle formulation de l'identification de la contribution dynamique, plus<br />simple, a également été réalisée. Au final, les gains apportés sont conséquents. Deux machines<br />synchrones à aimants aux caractéristiques très différentes ont ensuite été utilisées pour évaluer<br />les améliorations sur des structures complexes. La première machine, nous a permis de tester<br />l'impact du niveau d'induction sur l'évolution des pertes fer, et la seconde machine, l'influence<br />de la fréquence. Deux phénomènes physiques importants ont également été étudiés afin de<br />connaître leurs contributions aux pertes d'origine magnétique : les pertes par courants induits<br />dans un matériau massif tel qu'un aimant, et l'effet sur les propriétés magnétiques des contraintes<br /> mécaniques induites par le poinçonnage du circuit magnétique.

La découverte de nombreuses planètes extrasolaires depuis 1995 est une source d'inspiration pour les modèles de formation et évolution des systèmes solaires. Une fraction de ces planètes ont un demi-grand axe inférieur à 0.1 UA; une planète qui migre à proximité de son étoile subit donc d'abord un fort vent solaire et, après son entrée dans la magnétosphère stellaire, un fort champ magnétique. Nous étudions séparemment l'interaction entre ces planètes et la composante périodique et indépendente du temps du champ magnétique dipolaire stellaire. L'interaction périodique est associée à des courants induits confinés dans la planète. Nous étudions deux effets qui pourraient augmenter le moment angulaire d'une planète gaseuse géante qui migre vers son étoile: un torque de Lorentz qui transferre du moment angulaire de la rotation de l'étoile vers l'orbite de la planète et une perte de masse induite par la dissipation ohmique dans la planète qui peut donner du moment angulaire à la planète lorsque cette masse est accrétée sur l'étoile. Nous modellisons l'interaction indépendente du temps comme un modèle d'inducteur unipolaire, dans lequel le courant induit circule dans une boucle fermée formée par la planète, le flux de tube, et le pied du flux de tube dans l'atmosphère stellaire. Nous calculons de fa con cohérente la dissipation ohmique dans la planète et le pied du flux de tube ainsi que le couple de Lorentz. Nous utilisons alors ce modèle pour expliquer l'aspect enflé de certaines planètes géantes. Finalement, nous suggérons que ce modèle permettrait également d'estimer la conductivité électrique des super-Terres qui interagissent magnétiquement avec leur étoile.

Cette thèse s'est articulée autour de trois axes principaux. Dans un premier temps, les recherches se sont portées sur l'identification des problèmes (mécanique, thermique, pertes) liés à la conception des machines électromagnétiques hautes vitesses, et plus particulièrement des machines synchrones à aimants permanents. Dans ce premier travail, nous nous sommes plus particulièrement concentrés sur les aspects magnétiques, tels que l'étude des différentes sources de pertes générées au sein de la structure générique d'un moteur à aimants permanents. Ces pertes qui apparaissent simultanément au niveau du rotor, sous l'effet des courants induits, et au niveau du stator (en raison de l'hystérésis magnétique, des courants de Foucault, et de l'effet Joule) constituent un aspect d'autant plus critique que le moteur fonctionne dans une plage incluant de très hautes vitesses (> 40 000 tr/min pour une puissance de 10 kW à 100 kW). En conséquence, dans l'optique de la définition d'un moteur optimisé en termes d'effort massique et de rendement, la mise en place de modèles prédictifs capables de rendre compte de ces pertes, a été effectuée. Au-delà, des modèles physiques disponibles dans le domaine des matériaux magnétiques, il s'agissait de mettre en place des représentations à caractère générique susceptibles d'être exploitées dans un schéma de conception optimale. Parallèlement à cette première étude, un effort méthodologique a été déployé afin de développer des modèles analytiques dimensionnels de la machine synchrone à aimants permanents. A partir de ces méthodes, et d'un modèle de machine basé sur la forme et le type d'aimantation des aimants permanents, nous nous sommes attachés à développer un nouveau modèle analytique qui prend en compte les phénomènes physiques majeurs inhérents au fonctionnement à haute vitesse, à savoir les courants induits dans les parties conductrices tournantes. Dans ce contexte, il a été nécessaire de redéfinir une structure de référence dont le rotor conducteur supporte par ailleurs une couche métallique conductrice faisant office de frette. Dans un premier temps, un modèle a été réalisé pour une distribution des conducteurs avec un pas diamétral et une alimentation sinusoïdale, ce qui correspond à la configuration statorique la plus utilisée et la plus standard pour ce type de moteur. Après s'être confronté à un premier dimensionnement de machine haute vitesse, nous avons décidé de rendre notre modèle plus générique afin qu'il puisse prendre en compte un bobinage et une forme d'alimentation quelconque. Cette amélioration permet de rendre compte fidèlement des conditions de fonctionnement de l'actionneur (association convertisseur-machine), notamment les harmoniques de courants apportées par le convertisseur. Les modèles analytiques implantés ont été entièrement validés par simulations numériques, et ont donné des résultats très satisfaisants. Dès lors, il a été possible d'implanter ce logiciel dans un environnement informatique directement exploitable au sein de la société LIEBHERR AEROSPACE. Suite à une première phase de validation des modèles analytiques par simulations numériques, des tests expérimentaux ont été menés sur des machines électriques hautes vitesses. La comparaison de tous les résultats obtenus démontre de façon satisfaisante la fiabilité des modèles développés. L'ultime phase de l'étude concerne la réalisation d'un démonstrateur avec une structure de type machine à aimants permanents. Conformément à la stratégie adoptée par l'industriel, cette étude expérimentale s'est appuyée sur la réalisation d'un prototype à l'échelle 1 (puissance de 70 kW). ABSTRACT : This thesis is divided in three main axes. Firstly, researches are done on identification problems (mechanics, thermals, losses) links to high speed electromagnetic machine design, and most particularly of permanent magnet synchronous machine. In this first work, magnetic aspects such as study of different losses origins in permanent magnet machines are been reached. These losses appear in the same time in the rotor (induced current), and in the stator (magnetic field hysteresis, eddy current, Joule effect). The higher motor speed is, the most critic these loses are (> 40 000 rpm with a power of 10 kW to 100 kW). In order to define an optimal design in terms of weight effort and efficiency, the predictive modelling of these losses is been studied. Beyond physical modelling available on magnetic materials, a generic representation to be able to use in an optimal design schematic was be studied. Secondly, a methodological effort is been achieve to develop sizing analytical modelling of permanent magnet synchronous machine. From this method and a machine modelling based on permanent magnets shape and type of magnetization, a new analytical modelling is developed. It takes into account major physical phenomenon due to high speed, mainly the induced current in the rotating conductive parts. In this context, it will be necessary to redefine a referential structure where the conducting parts (magnets and sleeve) are represented by a superficial current. In this first part, the stator winding is a full pitch represented by an equivalent ampere conductor distribution and the electrical supplier is only sinusoidal current. So, it's the most popular and standard configuration for this machine. In this second part the analytical modelling is upgraded to take into account different types of windings and any current forms. This improvement allows to consider the real electrical supplier (combination of inverter-machine) as the current harmonics due to the inverter. The analytical modelling is been validated by a comparison with a finite element calculation. The obtained results are very close. So, Liebherr Aerospace decided to develop a dedicated software which is based on this analytical modelling. Further to the complete numerical validation of our analytical modelling, experimental test have been done on the high speed electrical machine. The comparison of results shows the reliability of the developed modelling. The final point of this study is the prototype realisation of high speed electrical machine (70 kw) in phase with the strategy of the industrial.

La découverte de nombreuses planètes extrasolaires depuis 1995 est une source d’inspiration pour les modèles de formation et évolution des systèmes solaires. Une fraction de ces planètes ont un demi-grand axe inférieur à 0.1 UA; une planète qui migre à proximité de son étoile subit donc d’abord un fort vent solaire et, après son entrée dans la magnétosphère stellaire, un fort champ magnétique. Nous étudions séparemment l’interaction entre ces planètes et la composante périodique et indépendente du temps du champ magnétique dipolaire stellaire. L’interaction périodique est associée à des courants induits confinés dans la planète. Nous étudions deux effets qui pourraient augmenter le moment angulaire d’une planète gaseuse géante qui migre vers son étoile: un torque de Lorentz qui transferre du moment angulaire de la rotation de l’étoile vers l’orbite de la planète et une perte de masse induite par la dissipation ohmique dans la planète qui peut donner du moment angulaire à la planète lorsque cette masse est accrétée sur l’étoile. Nous modellisons l’interaction indépendente du temps comme un modèle d’inducteur unipolaire, dans lequel le courant induit circule dans une boucle fermée formée par la planète, le flux de tube, et le pied du flux de tube dans l’atmosphère stellaire. Nous calculons de fa con cohérente la dissipation ohmique dans la planète et le pied du flux de tube ainsi que le couple de Lorentz. Nous utilisons alors ce modèle pour expliquer l’aspect enflé de certaines planètes géantes. Finalement, nous suggérons que ce modèle permettrait également d’estimer la conductivité électrique des super-Terres qui interagissent magnétiquement avec leur étoile. / The numerous and diverse extrasolar planets detected since 1995 provide much inspiration for planetary astrophysics. A fraction of these extrasolar planets orbit their host stars at semi-major axes less than 0.1 AU; a planet which has migrated toward its host star would thus first encounter a strong magnetized wind and, as it enters the stellar magnetosphere, strong magnetic fields. We model the interaction of such a close-in extrasolar planet with the dipolar magnetic field of its host star and study separately the time-dependent and independent components. The time-dependent interaction gives rise to Eddy currents confined in the planet. We investigate two effects that may transfer angular momentum to a planet approaching its host TTauri star through type II migration: a Lorentz torque that transfers angular momentum from the stellar spin to the planetary orbit and a mass loss induced by the ohmic dissipation in the planet, which may transfer angular momentum to the planet as the gas is accreted onto the star. We model the time-independent interaction with the unipolar inductor model, which allows the current induced in the planet to flow along a closed loop constituted by the planet, the flux tube, and its footprint on the stellar atmosphere. We self-consistently calculate the ohmic dissipation in the planet and the star and the associated Lorentz torque. We then suggest that the ohmic dissipation may provide the extra energy needed to explain some planets with inflated radii. Finally, we propose that the model may also be used to remotely infer the electric conductivity of the outer layers of super-Earths interacting magnetically with their host stars.

L'emploi de matériaux composites dans le domaine du Génie Electrique est actuellement un sujet de recherche en plein essor, notamment pour des considérations d’économie d'énergie. Les composites magnétiques doux (SMC - Soft Magnetic Composites) intègrent les propriétés de leurs différents constituants. Ils sont conçus pour présenter une perméabilité élevée et avoir une faible densité de pertes par courants de Foucault (EC - Eddy Current) par comparaison aux structures plus classiques comme l'acier laminé. Néanmoins, la détermination des propriétés électromagnétiques des SMC n’est pas aisée. Une approche classique est d’appliquer les outils numériques tels que la méthode des éléments finis (FEM - Finite Element Method) pour obtenir une description complète du SMC. Cependant, la microstructure doit être finement maillée, ce qui représente un fardeau numérique significatif et des instabilités dans l'approche par FEM. Pour surmonter cette restriction, les méthodes d'homogénéisation semi-analytiques sont appliquées. Ce travail consiste d'abord à développer un modèle de perméabilité complexe pour SMC. La perméabilité magnétique et les pertes EC sont intégrées respectivement comme les parties réelle et imaginaire de la perméabilité complexe. La perméabilité magnétique effective macroscopique peut s’obtenir par des estimations classiques en homogénéisation. Une détermination correcte de la perméabilité effective, i.e. la partie réelle de la perméabilité complexe, est cruciale pour une estimation précise de pertes EC. Les formules de pertes EC sont dérivées pour des SMC à microstructure périodique dans les cas 2D et 3D. En outre, différentes approches s’appuyant sur différentes moyennes du champ magnétique permettent d’obtenir des limites inférieures et supérieures pour l’estimation des pertes EC dans les SMC. La perméabilité complexe ainsi obtenue est ensuite appliquée à une structure de transformateur. Le champ magnétique et la répartition des pertes EC peuvent être obtenus sur le transformateur équivalent (homogénéisé). Les résultats sont comparés aux calculs en champ complet du transformateur hétérogène. Un bon accord est observé. Enfin, on étudie l'effet des contraintes mécaniques sur la perméabilité magnétique et les pertes EC des SMC, ce qui conduit à une formule couplée de la densité de pertes EC en fonction de la contrainte macroscopique et du champ magnétique. / Composite materials have been widely used in Electrical Engineering, and they have stimulated a growing number of scientific research, especially when it comes to energy savings. Soft Magnetic Composites (SMC) incorporate the attributes of different constituents. They can be designed to exhibit high permeability and to dissipate low Eddy Current (EC) losses compared to more conventional structures such as laminated steel. Nevertheless, electromagnetic properties of SMC are not easily determined. Numerical tools such as finite element method (FEM) are usually employed to provide a full-field description of SMC. As the microstructure has to be finely meshed, it brings significant numerical burden and instabilities. To overcome this restriction, semi-analytical homogenization methods are adapted and applied here. They consist in developing a complex permeability model. In the complex permeability model for SMC, the static magnetic permeability and EC losses are integrated respectively as the real and imaginary part of the complex permeability. Classical estimates are applied to determine the macroscopic effective magnetic permeability. A correct determination of the effective permeability, i.e. the real part of the complex permeability, is crucial for the estimate of EC losses. EC losses formulas are derived for SMC with periodic microstructure in 2D and 3D cases. Furthermore, different approaches of field averaging are employed to obtain lower and upper bounds on the EC losses in SMC. The complex permeability model is then applied to analyze a transformer structure. The magnetic field and EC losses distribution can be obtained on the equivalent homogenized transformer. The results are compared to the full-field calculations on the heterogeneous transformer. A good consistency is observed. Finally, the effect of mechanical stress on the magnetic permeability and loss property of SMC is studied, which leads to a coupled formula of EC loss density as a function of macroscopic stress and magnetic field.