Les machines électriques classiques comme les machines asynchrones et les machines à aimant permanent sont largement utilisées dans ces applications de traction, et surtout en traction ferroviaire. Cette thèse évalue la contribution d'un autre type de machines, appelé machines synchrones à double excitation dans cette même application. Le terme double excitation signifie que le flux de la machine est créé par deux sources : le bobinage d'excitation et les aimants permanents. Le degré de liberté fourni par le bobinage d'excitation permet d’atteindre l’objectif d’amélioration de l’efficacité. Ce travail a pour but d’identifier les avantages des machines à double excitation sur un cycle de conduite spécifique. Il définira également les cas dans lesquels cette machine fournira de meilleures performances que celles des machines classiques.Les études récentes considèrent uniquement l’optimisation des systèmes en optimisant chaque composant du système séparément. Cependant, avoir les meilleurs performances dans chacun de ces composants ne signifie pas avoir un meilleur système. Afin d'atteindre des résultats plus réalistes, un modèle multi-physique prenant en compte la non linéarité des matériaux sera développé. Ce modèle intègre également les différents aspects comme l’électromagnétisme, la thermique, la mécanique et l’électronique de puissance. / Classical electrical machines such as asynchronous and permanent magnet synchronous machines have been widely applied in traction applications and particularly in railway traction. This thesis, however, evaluate the contribution of a special class of synchronous machine called textbf{D}ouble textbf{E}xcitation textbf{S}ynchronous textbf{M}achine (DESM) for the railway traction. Double excitation term indicates that the field flux of the machine is created by two sources: excitation windings and permanent magnets. The degree of freedom provided by the excitation windings provides the opportunity to work on the energy efficiency improvement target. This thesis will try to answer the question whether DESM is more advantageous over classical machines in a specific driving cycle and in addition, in which cases a DESM performs better.Recent studies have merely optimized the individual components, the major drawback of this approach is that the combination of the best individuals does not necessarily form a best system. In order to achieve more realistic results, a multi-physic models taking into account nonlinear characteristic and various disciplines such as electromagnetic, thermal, mechanical and power electronics will be developed.

La traction hybride et/ou électrique est un domaine d’application en pleine croissance présentant une forte restriction en termes d’encombrement. Cela a poussé les concepteurs à créer des structures de machine adaptées. Parmi ces topologies, nous trouvons les machines synchrones à double excitation (MSDE). Ces machines permettent de combiner les avantages d’une machine à aimants et ceux d’une machine à excitation bobinée. Le choix d’un modèle pour ces machines est un élément important dans les étapes d’analyse, d’optimisation et de pré-dimensionnement. Ce mémoire présente une contribution à la modélisation des machines synchrones à simple et à double excitation basée sur la méthode des réseaux de perméances. Trois parties sont ainsi proposées. La première partie de la thèse présente deux états de l’art- un sur les machines synchrones à double excitation et l’autre sur les méthodes de modélisation des machines électriques et principalement la modélisation par réseau de perméances. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation 2D de la machine synchrone à aimants permanents à concentration de flux avec prise en compte de la rotation et de la saturation. Le but de cette partie est de trouver des méthodes permettant de combiner à la fois temps de calcul et précision. On commence par la modélisation par réseau de perméances en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des réluctances bidirectionnelles, ainsi qu’une comparaison entre calcul du couple par le tenseur de Maxwell et flux-FMM. La deuxième section présente un couplage entre réseaux de perméances et éléments finis. La méthode proposée consiste à résoudre les deux modèles (réluctant et éléments finis) simultanément avec un logiciel EF. Le couplage s’effectue par une équivalence entre les dimensions géométriques et les caractéristiques magnétiques des matériaux. La présentation des différents modèles dans le plan précision-temps de calcul montre l’efficacité de l’utilisation des réseaux de perméances et du couplage comparé au modèle éléments finis. La troisième partie porte sur la modélisation tridimensionnelle des machines synchrones à double excitation. Dans un premier temps, nous présentons une adaptation de la modélisation par réseau de perméances aux structures tridimensionnelles. Puis, nous appliquons ce modèle aux machines synchrones à double excitation. La machine à double excitation à concentration de flux est présentée avec une étude de l’influence du feuilletage sur la capacité de contrôle du flux. Pour améliorer le contrôle du flux d'excitation, une machine à aimants enterrés homopolaire est également étudiée avec l'approche développée. La validation du modèle est réalisée par des éléments finis et des mesures expérimentales. Dans la dernière partie, une comparaison entre configurations homopolaire et bipolaire de la structure à aimants enterrés est effectuée, puis le rotor à concentration de flux est optimisé afin de le comparer à la machine à aimants enterrés. / The electric and / or hybrid driveis are an application area growing with a strong restriction in terms of congestion. This prompted the designers to create appropriate structures. Among these topologies, we find the double-excitation synchronous machine (MSDE). These machines can combine the advantages of permanent magnets machine and those of a coils excited machine.The choice of a model for these machines is an important step in the analysis, optimization and pre-sizing. This thesis presents a contribution to the modeling by magnetic equivalent circuit (MEC) of single and double excitation synchronous machines. Three parties are offered as well. The first part of the thesis presents two states of the art: one on the double-excitation synchronous machines and the other on the modeling of electrical machines, mainly in the modeling by magnetic equivalent circuit. In the second part, we discuss the 2D modeling of flux concentration permanent magnet synchronous machine taking into account the rotation and saturation. The purpose of this section is to find ways to combine both computational time and accuracy. We start by using the magnetic equivalent circuit modeling based on a mesh of the structure and each mesh is replaced by two-way reluctances, then a torque estimation are obtened by two methods flux-FMM and Maxwell stress Tensor. The second section presents a coupling between magnetic equivalent circuit and finite element method. The proposed method is to solve the two models (reluctant and finite elements) simultaneously with software EF. The coupling is performed by an equivalence between the geometric dimensions and magnetic properties of materials. The presentation of different models in terms of time-accurate calculation shows the effectiveness of the use of MEC and coupling method compared to FEM. The third part concerns the three-dimensional modeling of double excitation synchronous machines. At first, we present an adaptation of the MEC to the three-dimensional structures. Then we apply this model to the double excitation synchronous machines (DESM). The DESM with flux concentration configuration is presented. To better control the wund flux of excitation, a buried magnet homopolar machine is also studied with the same approach. Model validation is performed by finite element and experimental measurements. In the last part, a comparison between homopolar and bipolar configurations is made, then the rotor flux concentration is optimized in order to compare it to the machine magnets buried.

L'augmentation de la demande d'énergie à bord des véhicules et les besoins en machines de traction pour les véhicules hybrides incite à étudier d'autres structures de machines que l'alternateur à griffes. Ici, une structure à double excitation parallèle innovante à été étudiée pour le besoin alternateur. L'introduction des aimants apporte un surplus considérable de puissance, ceci a été mis en évidence en comparant cette structure à une machine à pôles saillants bobinés classique, la puissance a été carrément doublée. Le cahier des charges (3,2 kW) pour cette étude a été atteint sans difficultés. Le principe de double excitation choisi permet le contrôle du flux, et donc du débit avec un simple pont redresseur à diodes. L'étude théorique et expérimentale a montré l'efficacité de la désexcitation par le courant rotor et sans risque de démagnétisation des aimants. La comparaison expérimentale et à iso-encombrement avec une structure à griffes à aimants interpolaires montre la suprématie de cette dernière, en puissance grâce à sa bobine d'excitation globale permettant plus d'ampères tours, et en rendement en faibles puissances grâce à son défluxage total et local. Néanmoins, pour les fortes puissances, la machine à double excitation, de part sa structure bidimensionnelle, ayant moins de pertes fer, à plus de rendement. Une étude plus poussée pourra montrer le positionnement de cette structure pour les applications moteur dans les véhicules hybrides. Une petite comparaison de performances avec la machine à griffes a montré que cette dernière n'est pas automatiquement la meilleure.

Après mes travaux de thèse effectués au Laboratoire l'Electricité, Signaux, et Robotique, (LESiR) de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan, devenu depuis Laboratoire des Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie (SATIE), j'ai eu la chance de travailler au sein de différentes équipes de recherche en génie électrique, tout d'abord, en Grande Bretagne, à l'"Electrical Machines and Drives Group" de l'Université de Sheffield, puis à Belfort au Laboratoire d'Electronique, Electrotechnique et Systèmes (L2ES), et enfin au Havre, au sein du Groupe de Recherche en Electrotechnique et Automatique du Havre (GREAH). Ce document me permet de présenter ces travaux afin de solliciter une Habilitation à Diriger des Recherches. Ce mémoire comporte trois parties. Une première partie où sont regroupés mon CV, une présentation de mes activités d'enseignement, d'administration, d'encadrement et de recherche et enfin une énumération des publications auxquelles j'ai participé. Dans la seconde partie, qui constitue le cœur de ce mémoire, une présentation plus approfondie de mes thématiques de recherche sera abordée. Ces thématiques sont regroupées en deux catégories : l'une plus fondamentale, du point de vue des sciences de l'ingénieur, concerne la modélisation des machines électriques, et la seconde plus applicative concerne les machines synchrones à double excitation. Alors que lors de mes travaux de thèse, qui concernaient les machines synchrones à double excitation, j'ai été plus utilisateur que développeur de méthodes de modélisation, je me suis de plus en plus orienté vers le développement de modèles au cours de mon séjour à l'Université de Sheffield et maintenant au GREAH. Les modèles développés sont bien adaptés pour le dimensionnement optimal des machines électriques. Ils sont de deux natures : * modèles analytiques ; * modèles semi-numériques. Les modèles analytiques sont basés sur la résolution formelle des équations de Maxwell dans les régions à perméabilité uniforme. Par modèles semi-numériques on entend les modèles basés sur les réseaux de permeances. La thématique des machines synchrones à double excitation, bien que n'étant pas une problématique fondamentale à proprement dit, permet d'apporter des réponses à des problématiques qui ne le sont pas moins : "défluxage" des machines à aimants permanents, optimisation énergétique, et enfin augmentation du coût des aimants permanents. Cette thématique est essentiellement menée en collaboration avec des collègues de l'équipe Systèmes d'Énergies pour les Transports et l'Environnement (SETE) du SATIE. Enfin, dans la troisième partie un bilan global des activités de recherche est dressé. Ce bilan permettra de revenir sur les points que je considère essentiels de ces activités, et de dégager quelques perspectives aux court, moyen, et long termes.

Le travail présenté dans cette thèse est une contribution à la commande de la Machine Synchrone à Double Excitation (MSDE) pour des applications embarquées. La MSDE allie les avantages de la machine synchrone à aimants permanents et la machine synchrone à rotor bobiné. Le flux d'excitation dans cette machine est généré par deux sources : les aimants permanents et un enroulement qui est placé au stator afin d'éviter les contacts glissants. Cette dernière source permet de régler le flux dans l'entrefer. Le modèle de la machine est basé sur un modèle de Park et prend en considération les pertes fer et la saturation des circuits magnétiques. Les paramètres du prototype existant au laboratoire ont été identifiés. La commande de la MSDE est effectuée en deux modes : générateur et moteur. En génératrice, l'application visée est la génération électrique en avionique. Deux réseaux de distribution sont traités : Réseau à haute tension et à fréquence variable et réseau haute tension DC. Dans ce dernier cas, la MSDE est associée à un pont redresseur à diodes. Dans les deux cas, la commande est élaborée dans le but de maintenir l'amplitude de la tension constante via le control du courant d'excitation uniquement. Le control est scalaire. L'approche est validée par simulation avec Matlab/Simulink et par expérimentation. Pour le mode moteur, l'application visée est la propulsion dans un véhicule électrique. Une commande optimale des courants est étudiée en vue de minimiser les pertes. Les pertes joules sont considérées premièrement. Ensuite, les pertes fer sont ajoutées. Finalement, le problème de minimisation est étendu pour inclure les pertes dues à l'onduleur et au hacheur. L'optimisation par la méthode des multiplicateurs de Lagrange (Kuhn-Tucker conditions) est utilisée pour trouver des expressions analytiques des courants statoriques et inducteur optimaux. Des simulations avec Matlab/Simulink prouvent que la solution obtenue est celle qui assure les pertes minimales tout au long du nouveau cycle de conduite européen.

Ce travail s'intéresse à l'étude des machines synchrones à double excitation (MSDE) et au dimensionnement de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dans le cadre des applications de type véhicule hybride. Celle ci se place dans le cadre général de la réduction des rejets de substances polluantes des véhicules. Le véhicule hybride, associé aux MSAP et aux MSDE constitue de ce point de vue une solution intéressante pour résoudre ces problèmes. Nous avons mis au point plusieurs modèles électromagnétiques analytiques (linéaires ou non) de MSAP basés sur la transformation de Park et sur l'utilisation de réseaux réluctants destinés à être intégré dans des structures à double excitation. Ceux ci permettent de concilier précision, rapidité et simplicité. Nous avons dimensionné et réalisé une MSDE au laboratoire SATIE répondant à un cahier des charges de véhicule hybride fourni par le groupe PSA. Celle ci a pu répondre aux contraintes des spécifications à la fois en terme d'encombrement et de performances.

Les machines à double excitation (aimants permanents et bobines d’excitation) sont depuis quelques années étudiées par de nombreuses équipes de recherche dans le monde pour leur souplesse de fonctionnement et leur puissance volumique importante. Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle structure de machine à double excitation. C’est une machine à commutation de flux, donc qui possède un rotor passif, et dont la partie de double excitation située au stator est maintenue par une culasse à griffes. Dans une première partie, les caractéristiques importantes de cette structure sont exposées à partir de mesures sur un prototype et de modèles par éléments finis. Les différents trajets de flux ainsi que l’excursion du flux à vide en fonction du courant de double excitation ou encore les FEM à vide et le courant de court-circuit sont présentés. L’objectif est de caractériser de façon précise le fonctionnement de cette machine. Outre le fonctionnement à vide, les fonctionnements en mode moteur et en mode générateur sont présentés pour évaluer les performances. Le second chapitre de cette thèse présente différents modèles de la machine à double excitation. Tout d’abord à partir de modélisations par éléments finis nous montrons les impacts des caractéristiques magnétiques telles que la courbe BH et l’induction rémanente des aimants permanents sur le flux à vide de différentes machines à commutation de flux et double excitation. Puis nous présentons deux méthodes basées sur la modélisation par éléments finis qui permettent le calcul du courant de court-circuit. Enfin, afin de s’affranchir d’un modèle magnéto-transitoire trop gourmand en temps de calcul, nous présentons un modèle analytique. Ce modèle permet à partir de la valeur du flux à vide et de l’inductance cyclique d’une machine synchrone à aimants permanents de calculer la puissance en générateur débitant sur un pont de diodes et une source de tension fixe en fonction du courant d’excitation et de la vitesse de rotation. Dans le dernier chapitre de la thèse, nous avons développé un modèle de la machine à double excitation à bobinage global basé sur les schémas réluctants. A partir de ce modèle, nous calculons le flux à vide et l’inductance cyclique de la structure de façon plus rapide que par des simulations par éléments finis et sensiblement aussi précise afin de les utiliser dans le calcul de la puissance. Dans un dernier temps, nous avons utilisé ce modèle dans une procédure d’optimisation pour différents cahiers des charges. / In this thesis, a new hybrid excitation, flux-switching machine is being presented. The main feature of this device is its global winding hybrid excitation with claw poles. This solution has been explored in order to reduce the copper mass and increase excitation winding efficiency. One of the most widely used alternators in automotive applications is a claw pole alternator whose claws are located on the rotor. The prototype introduced in this study is based on the same principle yet with claws located on the stator, which allows its rotor to be passive in rotating at higher speeds without slip-rings or brushes. Furthermore, the advantages of the double excitation are cumulative.The thesis will first describe the structure and operating principles of this new hybrid excitation, flux-switching machine, For example, the no-load flux linkage and the back-electromotive force on a no-load are measured and calculated;. Moreover, the load testing of this machine will be displayed. Short-circuit currents will be calculated and measured in order to determine the output power capability while operating in generator mode. The second chapter presents finite element and analytical models which allows to determine the output power capability while operating in generator mode. And with the FEA, the no-load flux linkage is investigated, This investigation serves to highlight: the influence of the stacking factor, the B-H curve definition, and the permanent magnet residual induction value, Finally, a lumped-parameter magnetic circuit model is developed and validated by 3-D finite element analysis, The model allows estimating output power of the structure when running in generator mode (with a DBR) faster than with 3D-FEA. In addition, thanks to the model the geometry is optimized for several specifications,

Les travaux présentés dans cette thèse abordent le sujet de la génération électrique embarquée dans les avions de futur. L'objectif principal étant de trouver de nouvelles structures de machines électriques qui peuvent répondre aux nouvelles exigences avioniques. Nous nous sommes particulièrement intéressés à une Machine à Commutation de Flux à Double Excitation avec Pont Magnétique (MCFDEPM). La structure de cette machine présente plusieurs avantages comme des sources d'excitation statiques, un rotor passif et une structure particulière du stator qui permet d'avoir une faible tension rémanente respectant ainsi les contraintes de sécurité du cahier des charges. Dans le premier chapitre, nous avons présenté un état de l'art sur les machines à commutation de flux à simple et à double excitation. Nous avons donné aussi les règles qui définissent le choix du nombre de pôles statoriques et rotoriques. Le chapitre 2 a été consacré pour étudier les performances électromagnétiques de la MCFDEPM en utilisant un modèle en éléments finis. Ce modèle a été validé par des mesures expérimentales réalisées sur un prototype 3 kW. Dans un dernier chapitre, nous avons mis en place une méthodologie d'optimisation en éléments finis pour améliorer les performances en charge de la MCFDEPM et limiter sa tension rémanente. Les résultats de l'optimisation ont montré des performances bien améliorées. La MCFDEPM se présente comme une bonne candidate pour remplacer la machine à 3 étages dans l'avion du futur. / This work addresses the subject of the embedded electric generation in future aircraft. The main objective is to find a new electrical machine structures that can meet the new avionic requirements. We have been particularly interested in a Hybrid Excited Flux Switching machine with a Magnetic Bridge (HEFSMMB). The structure of this machine has several advantages such as static excitation sources, a passive rotor and a unique stator structure which makes it possible to have a low residual voltage, thus respecting the safety constraints. We have presented in the first chapter a state of the art on singly and doubly excited flux switching machines. We have also given the rules which define the choice of the number of stator and rotor poles. Chapter 2 was devoted to study the electromagnetic performances of the HEFSMMB using a finite element model. This model has been validated by experimental measurements carried out on a 3 kW prototype. In the final chapter, we have put in place an optimization methodology in order to improve the overall performances of the HEFSMMB and to limit its residual voltage. The optimization results showed much improved performances. It can be concluded that the MCFDEPM is a good candidate to replace the three-stage machine in future aircraft.

Dans un contexte ou la question de la préservation de l'environnement est devenue un sujet sociétal majeur, la recherche de nouvelles technologies pour remplacer la voiture à essence constitue un véritable enjeu industriel. Les véhicules hybrides et électriques sont une alternative prometteuse aux véhicules conventionnels. Ce travail de thèse porte sur la conception et l'optimisation des machines électriques pour la motorisation de ces voitures. Au cours de ces travaux, nous avons développé une nouvelle méthodologie de dimensionnement et d'optimisation des machines synchrones à double excitation. L'intérêt de cette méthode est son bon compromis entre la précision et le temps de calcul et sa capacité d'adaptation à plusieurs types de machines. Le second volet de la thèse est consacré à la proposition d'une nouvelle structure de machine synchrone à rotor bobiné. Une technique originale de compensation de la réaction magnétique d'induit est mise en place, elle consiste en l'insertion d'aimants secondaires permettant de créer un flux dans l'axe q de la machine. Ce dernier a pour rôle d'affaiblir le flux de la réaction magnétique d'induit.

La traction hybride et/ou électrique est un domaine d'application en pleine croissance présentant une forte restriction en termes d'encombrement. Cela a poussé les concepteurs à créer des structures de machine adaptées. Parmi ces topologies, nous trouvons les machines synchrones à double excitation (MSDE). Ces machines permettent de combiner les avantages d'une machine à aimants et ceux d'une machine à excitation bobinée. Le choix d'un modèle pour ces machines est un élément important dans les étapes d'analyse, d'optimisation et de pré-dimensionnement. Ce mémoire présente une contribution à la modélisation des machines synchrones à simple et à double excitation basée sur la méthode des réseaux de perméances. Trois parties sont ainsi proposées. La première partie de la thèse présente deux états de l'art- un sur les machines synchrones à double excitation et l'autre sur les méthodes de modélisation des machines électriques et principalement la modélisation par réseau de perméances. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation 2D de la machine synchrone à aimants permanents à concentration de flux avec prise en compte de la rotation et de la saturation. Le but de cette partie est de trouver des méthodes permettant de combiner à la fois temps de calcul et précision. On commence par la modélisation par réseau de perméances en se basant sur un maillage de l'espace d'étude par des réluctances bidirectionnelles, ainsi qu'une comparaison entre calcul du couple par le tenseur de Maxwell et flux-FMM. La deuxième section présente un couplage entre réseaux de perméances et éléments finis. La méthode proposée consiste à résoudre les deux modèles (réluctant et éléments finis) simultanément avec un logiciel EF. Le couplage s'effectue par une équivalence entre les dimensions géométriques et les caractéristiques magnétiques des matériaux. La présentation des différents modèles dans le plan précision-temps de calcul montre l'efficacité de l'utilisation des réseaux de perméances et du couplage comparé au modèle éléments finis. La troisième partie porte sur la modélisation tridimensionnelle des machines synchrones à double excitation. Dans un premier temps, nous présentons une adaptation de la modélisation par réseau de perméances aux structures tridimensionnelles. Puis, nous appliquons ce modèle aux machines synchrones à double excitation. La machine à double excitation à concentration de flux est présentée avec une étude de l'influence du feuilletage sur la capacité de contrôle du flux. Pour améliorer le contrôle du flux d'excitation, une machine à aimants enterrés homopolaire est également étudiée avec l'approche développée. La validation du modèle est réalisée par des éléments finis et des mesures expérimentales. Dans la dernière partie, une comparaison entre configurations homopolaire et bipolaire de la structure à aimants enterrés est effectuée, puis le rotor à concentration de flux est optimisé afin de le comparer à la machine à aimants enterrés.