L'objectif de ce travail de thèse est de définir un modèle électromagnétique de la machine asynchrone. Celui-ci permet aux électrotechniciens d'utiliser un outil plus performant que les modèles traditionnels. Cette approche offre de grands avantages comme : - un gain de temps par rapport à l'utilisation d'un logiciel de résolution par éléments finis, la caractérisation de la machine même lorsque le circuit magnétique est saturé. La méthode employée pour définir ce type de modèle associe quelques résultats d'un logiciel de calcul par éléments finis pour différents états de saturation, à la détermination des paramètres du schéma équivalent grâce à l'application du diagramme vectoriel de la machine asynchrone. Par rapport au modèle analytique qui utilise la détermination des paramètres par la géométrie de la machine, ce modèle tient compte de leur variation en fonction de la saturation et fournit les performances de la machine quel que soit son état magnétique. Dans ce mémoire, cette approche est notamment appliquée à l'étude et au dimensionnement d'une machine asynchrone particulière par sa forme discoïde et son utilisation en tant qu'alternateur-démarreur pour automobile.

Contribution au développement et à l'optimisation des machines électriques à courant continu pour des applications Stop-Start Résumé Actuellement le marché automobile est en forte demande de modèles hybrides capables de limiter les consommations et les rejets de CO2. Parmi les diff érentes solutions technologiques possibles, cette thèse traite d'un dispositif microhybride de type Stop-Start reposant sur l'utilisation de moteurs à aimants permanents à commutation mécanique. Ce travail de recherche, encadré par Valeo et le laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab), a pour vocation à élaborer des méthodologies de conception permettant une implémentation facile et à bas coût de cette fonction. L'étude se concentre sur une modélisation numérique rigoureuse de la machine électrique pour ensuite analyser plusieurs améliorations techniques du démarreur en vue d'augmenter ses performances. Pour cela nous avons développé un modèle précis et rapide de la machine grâce à une approche d'identication des paramètres par optimisation et en utilisant la méthode des plans d'expériences. Ce modèle nous a permis de proposer des structures de démarreurs renforcés adaptés à la fonction Stop-Start. / Contribution to the development and optimization of direct-current machines for automotive stop-start applications abstract currently in the automotive market, the demand for hybrid vehicles is booming. These vehicles are meant to reduce fuel consumption and CO2 emissions. Among various possible technological solutions, this thesis deals with one of the Stop-Start technologies of micro-hybrid vehicles that is based on the use of permanent-magnet brushed DC motors. The present work, performed under a partnership between Valeo and Grenoble Electrical Engineering laboratory (G2Elab), aims to develop new design methodologies allowing the implementation of this system in a cheap and easy way. The study focuses on a rigorous numerical modeling of the electrical machine in order to analyze several technical improvements and to achieve a better performing car starter. To this end, we have developed a fast and accurate numerical model of the motor through a parameter identication technique using the design of experiments optimization approach. This model has enabled us to propose several enhanced starter motor structures, suitable for the Stop-Start function.

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.

In More Electric Aircraft, different power system activities are attributed to electrical means such as the start-up of the main engine. In this context, the study of the sensorless control of the Brushless Synchronous Starter Generator (BSSG) that is used to electrically start the main engine is revealed to be a very interesting issue. For long time, the elimination of the mechanical sensor was highly recommended for reliability, cost, weight, integration issues.Hence, this work aims to transpose the results obtained in the research area to an avionic testbench. It presents an adaptive sensorless technique to use when electrically starting the main engine of the aircraft. This is achieved by elaborating three different methods selected depending on the speed of the machine and based on the :- injection of a high frequency signal- use of the back-emf of the Permanent Magnet Generator (PMG)- use of the extended Kalman Filter EKFIn this work, it is shown that the …first method gives good position estimation results from standstill up to 8% of the rated speed. Then, the back-emfs of the PMG are used to detect the position of the BSSG when the speed exceeds the 8% of the rated speed. Good results are observed with this method at medium and high speed.For redundancy reasons, the EKF was also used in this work. Thus, the estimated position can be delivered via two different estimation algorithms in medium and high speed region.The implementation of the algorithm was achieved on an FPGA board since the latter can ensure a very tiny execution time. The fastness of the treatment ensures quasi-instantaneous position estimation and does not practically introduce any phase lag in the position estimation. / Aujourd'hui, l'aviation est en train de vivre des évolutions technologiques concernant surtout l'attribution de différentes fonctionnalités aux équipements électriques et ceci au détriment d'équipements hydrauliques et mécaniques assurant les mêmes fonctionnalités.Dans le cadre de l'avion plus électrique, le démarrage électrique sans capteurs mécaniques de la turbine de l'avion préoccupe les avionneurs de nos jours. Les problèmes introduits par ce capteur ont été identifiés : problèmes de coût et de poids, problèmes de fiabilité et d'intégration.Ce travail présente alors une commande sans capteurs pour la machine synchrone à trois étages à utiliser durant le démarrage électrique de l'avion. Ceci est réalisé avec trois méthodes de détection de la position selon la vitesse de rotation, basées sur :- l'injection d'un signal à haute fréquence- l'utilisation d'un filtre de Kalman étendu FKE- les fém. du PMG (Permanent Magnet Generator) La première méthode donne de bons résultats d'estimation depuis l'arrêt jusqu'à 8% de la vitesse nominale de la machine. Au-delà de cette vitesse, es valeurs des fém. du PMG deviennent assez élevées pour être utilisées dans l'estimation de la position. De bons résultats sont obtenus à moyenne et haute vitesse.Pour des questions de redondance, le FKE est aussi utilisé. Ainsi, la position estimée peut être fournie par l'un des deux algorithmes à moyenne et haute vitesse.L'implémentation de ces algorithmes est réalisée via une carte FPGA étant donné que celui-ci garantit un temps d'exécution. La rapidité de traitement garantit une estimation de la position quasi-instantanée et donc n'introduit pratiquement pas des retards dans l'estimation.

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 avionneurs expriment le besoin de développement de l’avion plus « électrique ». Cela se traduit par des besoins nouveaux en matière de systèmes de motorisation électrique, en termes de puissance à fournir et de partage de ressources matérielles en vue de minimiser la masse embarquée et les coûts. Parmi les études en cours sur l’évolution des machines tournantes, un intérêt particulier porte sur le développement des alterno-démarreurs de type machines synchrones sans balais et à plusieurs étages (BSSG). Celles-ci sont susceptibles de fournir un fort couple lors des phases de démarrage des réacteurs auxquelles elles sont associées. Pour ce faire, la connaissance, à tout moment, de la position du rotor est essentielle. Cependant, l'ajout d’un capteur dédié impacte la conception de la machine, rajoutant du volume, du câblage et augmentant le coût. La réalisation d'une commande dite « sensorless » permettrait de s'affranchir de l'utilisation d'un tel capteur et de simplifier le design des alterno-démarreurs.A partir d'une modélisation fine de la machine, cette thèse étudie les conditions dans lesquelles une telle commande est réalisable et analyse plusieurs techniques permettant d'y parvenir. Une nouvelle méthode d'estimation de la position du rotor, spécifique aux BSSG est proposée, puis illustrée avec des résultats expérimentaux. Cette technique est basée sur le traitement des composantes harmoniques existantes naturellement au stator de la machine et permet l'estimation de la position à l'arrêt et à très basse vitesse. Afin d'étendre l'estimation sur toute la plage de vitesse, une étude d'estimation de position par un observateur d'état à base du modèle complet de la machine en considérant les harmonique injectés (ou existantes) dans les courants du stator est proposée. Cet observateur peut s’appliquer à la machine synchrone à trois étages mais aussi à toute machine synchrone. Dans cette étude, son fonctionnement est illustré sur une machine synchrone à aimants permanents. / The aircraft manufacturers express the need to develop a more "electric" aircraft. This brings forward new requirements for the electric drive systems in terms of increasing the available on-board power and resource sharing in order to optimize the overall mass and cost. Among the ongoing studies on the evolution of motor drives, a particular interest is given to the development of multi-level brushless synchronous starter/generators (BSSG). These drives are likely to provide the high torque required to start-up the reactors to which they are associated. For this purpose, the knowledge, at any time, of the rotor position is essential. However, adding a dedicated sensor impacts on the design of the machine, increasing volume, cabling needs and cost. For this purpose, investigating on “sensorless” control laws will permit to avoid using such a sensor and to simplify the design of the Starter/Generators.Using a fine modelling of the machine, this work studies the conditions of feasibility for sensorless control and analyzes several techniques for this purpose. A new method of estimation of the shaft-position, particular to the BSSG architecture is proposed and then illustrated with experimental results. This technique is based on the processing of the existing harmonic components naturally in the stator of the machine and allows the estimation of the position at standstill and the very low speed. To extend the estimation to the whole speed range, a study of position estimation using a state observer using the complete model of the machine considering the knowledge of the existing (or injected) harmonic components in the stator currents is proposed. This observer can be applied to the brushless synchronous starter/generator but also on generic synchronous machines. In this study, its performance is illustrated on a permanent magnet synchronous machine.

Les machines électriques jouent un rôle très important dans la conversion d'énergie dans plusieurs applications et domaines. Les contraintes thermiques jouent ainsi un rôle indispensable dans la conception des machines électriques de plus en plus petites et performantes. En effet, la performance des machines électriques est limitée par les températures maximales admissibles dans certaines zones critiques telles que le bobinage, les aimants permanents et les roulements. Deux approches principales peuvent être utilisées pour étudier le comportement thermique de la machine: la méthode nodale ou le circuit à constantes localisées ou les modèles numériques. Dans notre étude, nous proposons d'appliquer la méthode nodale sur une machine électrique intégrée dans un environnement mécatronique complexe. Le modèle thermique développé de la machine est ainsi présenté avec ses différents éléments. En effet, un modèle précis dépend fortement de plusieurs paramètres thermiques tels que les coefficients d'échange convectif, les conductances de contact, les conductivités équivalentes du bobinage, et autres paramètres. En conséquence, des techniques d'analyse de sensibilité sont ensuite appliquées sur le modèle thermique pour identifier les paramètres d'influence significative sur les températures de la machine ainsi que pour la réduction de ce modèle. Ensuite, nous appliquons deux méthodologies d'identification des paramètres thermiques incertains sont développées et appliquées afin de recaler le modèle thermique de la machine. Cette étape permet la validation de ce modèle par rapport à des mesures thermiques sur une machine synchrone à aimants permanents internes installée sur un banc de caractérisation de machine électriques. Finalement, nous intégrons le modèle recalé dans une approche système mécatronique comportant les lois de commande de la machine ainsi que son convertisseur. Ceci permettra ainsi d'étudier l'influence de la température d'une machine électrique sur le système mécatronique complet. / Electric machines play an important role in power conversion in several applications and fields. With the increasing demand for designing lighter and more efficient machines and optimizing the existing structures, thermal analysis becomes a necessary; in fact, the performance of electric machines islimited by the allowable temperatures in many critical components like windings, permanent magnetsand bearings. Two main approaches can be employed in order to study the machine thermal behavior : the lumped parameter thermal network (LPTN) or numerical models. Considering low-computationtime-consuming and the possibility to be integrated in a mechatronics system design, the LPTN method is considered in our study. The latter is mainly applied on electric machine integrated in a complex mechatronics environment. The thermal network is presented along with the definition of the principal elements constituting this network. In fact, an accurate and reliable network strongly depends on many critical parameters like heat transfer coefficients, interface gaps, impregnation goodness, among others. For this reason, different sensitivity analysis techniques are carried out in order to, first, identify the significance of uncertainties in the evaluation of these parameters on machine temperatures and second, to reduce the thermal network. Next, we propose two optimization algorithm-based identification methodologies in order to calibrate results of the thermal network with measured temperatures obtained from a test-bench of a permanent magnet based integrated starter-generator machine. The calibrated model is then integrated in a mechatronics system consisting of an electric model of the electric machine, along with its control strategy and the power converter. This final study allows us to evaluate the impact of the machine temperature rise on the mechatronic system.