Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L’utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l’actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l’actionneur a partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d’induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorises pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, a ce stade, la thermique de la machine n’est prise en compte qu’indirectement en fixant une densité decourant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d’optimisation de la machine. Des modèles adaptes au processus d’optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu’un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et lestêtes de bobines. Ces résultats ont été corrobores par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantes dans une modélisation multi-physique pour l’outil d’optimisation et pour l’outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhiculehybride Kangoo ou la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artemis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport a un dimensionnement établi par les règles de l’art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé. / This work deals with the sizing of synchronous machines for hybrid vehicle applications. The use of the machine in the hybrid vehicle is characterized by high power consumption during a short time. This work proposes a strategy for minimizing the volume of the actuator by taking into account the real limits of temperature during the operating cycle. The sizing strategy is composed of two steps. The first step is the sizing optimization of the actuator with the operating point of the cycle. In thisstep we allow high level of flux density and the level of current density in the conductors exceeds the usual level for the continuous operating of the machine. These two parameters can reduce significantly the volume of the machine. However in this step, the temperatures are node checked. The second step checks the temperatures in the machine by simulating the entire cycle. So suitable models for optimization tools are carried out and are a compromise between the time computing and the required accuracy. Consequently, a magnetic model taking account of the cross saturation in the machine by using the nodal network method has been carried out ; efficient iron losses model in the flux weakening operation has been carried out and thermal model using too the nodal network method has been carried out. The thermal model is the main point for the sizing strategy so, a particular attention is needed. This model takes account of the flux directions in 3d and provides a good estimation of the temperatures in the actuator particularly in the heat zones as the slots and the end-windings. These results are checked by experimental tests realized in IFPEn on a special machine where thermocouples are implanted inside. We validated the thermal behavior in temperatures stabilized operation and in transitory temperatures operation. Next, these models have been implemented in multi-physics modeling for the optimization tool and for simulation tool. A study case has been introduced for a Kangoo hybrid vehicle where the electrical machine has to operate on each operating points of the Artemis cycle. With the results of the sizing strategy, we canconclude that for a working on cycle, le external volume of the magnetic parts of the machine can be reduce of 40 % compared with a sizing established by the usual rules in stabilized temperature operation. Furthermore, the volume reduction of the iron in the machine induces a reduction of the iron losses and we can conclude that the mean efficiency during the cycle stays good.

Les travaux de recherche discutés dans ce manuscrit concernent la conception des générateurs de puissance électrique pour l'aéronautique. L’augmentation de la puissance massique de ces équipements passe par une augmentation des vitesses de rotation, donc une augmentation des contraintes. Un premier point est de s'assurer de la bonne tenue mécanique des matériaux. Un deuxième point est de pouvoir prendre en compte les modifications du comportement magnétique (et donc in fine du couple) lorsqu'ils sont soumis à un état de contraintes multiaxial. L’étude présentée vise en particulier à illustrer l’influence d'états de contraintes biaxiaux sur le comportement magnétique des matériaux constitutifs du rotor. Le défi repose sur la mise en place de méthodes de caractérisation du comportement magnéto-mécanique dissipatif uniaxial et multiaxial des nuances développées par Aperam et utilisées par Thales Avionics pour leurs applications aéronautiques (en FeCo-2V et Fe-3%Si à grains non orientés). Des essais non conventionnels seront effectués sur des échantillons en forme de croix de manière à s'approcher des contraintes réellement subies par le rotor. Les essais sont effectués sur la machine d'essai triaxiale Astrée du LMT-Cachan. L'état de contraintes est estimé par corrélation d'images et par diffraction des rayons X. Des mesures magnétiques anhystérétiques et de pertes d'énergie sous contraintes sont reportées. D'autre part, un modèle multi-échelle multiaxial, décrivant le comportement d’un VER à partir de l'équilibre énergétique à l'échelle microscopique sera présenté. L’approche est fondée sur la comparaison des énergies libres de chaque domaine. Une comparaison probabiliste est faite pour déterminer les variables internes que sont les fractions volumiques des domaines. Différentes stratégies envisageables pour modéliser la dissipation statique seront discutées. Puis nous présentons l’approche magnéto-élastique que nous avons retenue visant à une meilleure considération de l’effet de la contrainte sur le comportement des matériaux ferromagnétiques. / The research presented in this thesis is motivated by the design of rotors for high speed rotating machines. The increased power density of these devices requires a higher rotation speed, leading to higher levels of centrifugal forces and stress in the rotor. A first point is to ensure good mechanical strength of the materials. A second point is to take into account changes in the magnetic behavior (and ultimately torque) when they are subjected to a multiaxial stress state. The present study aims at exploring the influence of biaxial stress states on the magnetic behavior of the materials of the rotor. The challenge lies in the development of methods for the characterization of the magneto-mechanical dissipative uniaxial and multiaxial behavior of metal sheets developed by Aperam Alloy and used by Thales Avionics for their aeronautical applications (in FeCo-2V and non-oriented Fe-3%Si). Non conventional experiments are performed on cross-shaped samples in order to apply biaxial stress representative of the loadings experienced by rotors of rotating machines. These experiments are performed on a multiaxial testing machine, Astrée. Stress level is estimated thanks to digital image correlation and X-ray diffraction Both anhysteretic and dissipative magnetic responses to magneto-mechanical loadings have been recorded. On the other hand, a multi-scale multiaxial model describing the behavior of a RVE from the energy balance at the microscopic scale is presented. The approach is based on a comparison of the free energy of each domain. A probabilistic comparison is made to determine the volume fraction of domains used as internal variables. Different strategies for modeling the static dissipation are discussed. Then we present the chosen magneto-elastic approach, improving the description of the effect of stress on ferromagnetic materials behavior.

This Master Thesis deals with the study of analytical and finite-element (FE) models for calculation of losses in traction induction motors. Motors are fed through inverters for this type of application. Therefore, both fundamental and harmonic losses are considered. The study is done with one particular motor and one initial analytical model. In order to validate the model and improve it, a FE model is developed with the tool FLUX 2D. Several chosen operating points with different modulation patterns are simulated both with FE and analytical models and results are compared. Stator and rotor Joule losses are studied first. A model to calculate stator Joule losses at strand level is proposed as an improvement to the current analytical model. Then iron losses, both in stator and rotor, are calculated. Two different computations methods with data extraction from FE are studied: the Bertotti model and a recently developed method called MVPRS in the report. It is based on a mathematical model for curve fitting of the core loss material data. Results with the two methods are compared with the ones from ana-lytical model. Finally total fundamental and harmonic losses are compared with measurements and conclusions are drawn on the quality and accuracy of the analytical model. / Detta examensarbete handlar om analytiska och Finita Element (FE) modeller för beräkning av förluster i asynkronmotorer för traktion. Motorer matas genom växelriktare för denna typ av applikation. Därför är det nödvändigt att både grundläggande och harmoniska förluster beaktas. Studien görs för en särskild motor och en redan existerande analytisk modell. För att validera modellen och förbättra den, utvecklats en FE modell med verktyget FLUX 2D. Flera arbetspunkter med olika moduleringsmönster simuleras både med FE och analytiska modeller och resultaten jämförs. Först studeras stator och rotor Joule förluster. En modell för att beräkna stator Joule förluster i varje ledare föreslås som en förbättring av den nuvarande analytiska modellen. Sedan beräknas järnförluster, både i stator och rotor, beräknas. Två olika metoder baserad på flödestäthet variationer i tid och rum från FE simuleringar studeras med Bertottis modell och en nyutvecklad metod som kallas MVPRS. Den är baserat på en matematisk modell för kurvanpassning av materialet förlust data. Resultaten med de två metoderna jämförs med de från analytiska modellen. Slutligen jämförs totala fundamentala och harmoniska förluster med mätningar och slutsatser dras om kvalitet och noggrannhet av analytiska modellen.

In this master thesis, the magnetic properties of SiFe laminations after cutting and welding are studied. The permeability and the iron loss density are investigated since they are critical characteristics for the performance of electrical machines. The magnetic measurements are conducted on an Epstein frame for sinusoidal variations of the magnetic ux density at frequencies of 50, 100 and 200 Hz, according to IEC 404-2. Mechanical cutting with guillotine and cutting by means of ber and CO2 laser are performed. The inuence of the ber laser settings is also investigated. Especially the assisting gas pressure and the power, speed and frequency of the laser beam are considered. In order to increase the cutting e ect, the specimens include Epstein strips with 1, 2 and 3 additional cutting edges along their length. It is found that mechanical cutting degrades the magnetic properties of the material less than laser cutting. For 1.8% Si laminations, mechanical cutting causes up to 35% higher iron loss density and 63% lower permeability, compared to standard Epstein strips (30 mm wide). The corresponding degradation for laser cut laminations is 65% iron loss density increase and 65% permeability drop. Material of lower thickness but with the same Si-content shows lower magnetic deterioration. Additionally, laser cutting with high-power/high-speed characteristics leads to the best magnetic characteristics among 15 laser settings. High speed settings have positive impact on productivity, since the cutting time decreases. The inuence of welding is investigated by means of Epstein measurements. The test specimens include strips with 1, 3, 5 and 10 welding points. Experiments show an iron loss increase up to 50% with a corresponding 62% reduction in the permeability. A model that incorporates the cutting e ect is developed and implemented in a FEMbased motor design software. Simulations are made for a reference induction motor. The results indicate a 30% increase in the iron losses compared to a model that does not consider the cutting e ect. In case of laser cut core laminations, this increase reaches 50%. The degradation prole considers also the deteriorated magnetizing properties. This leads to increased nominal current up to 1.7% for mechanically cut laminations and 3.4% for laser cut la / I detta examensarbete studeras hur de magnetiska egenskaperna hos SiFe-plat paverkas av skarning och svetsning. Permeabilitet och jarnforlustdensitet undersoks eftersom de ar kritiska variabler for elektriska maskiners prestanda. De magnetiska matningarna genomfordes pa en Epstein ram med en odesfrekvens pa 50, 100 och 200 Hz, enligt IEC 404-2. E ekterna av mekanisk skarning med giljotin samt skarning med ber- och CO2-laser studerades. Inverkan av olika berlaserinstallningar undersoktes ocksa genom att variera gastrycket, skarhastigheten samt frekvensen och e ekten av laserstralen. For att oka skare ekten inkluderades Epsteinremsor med ytterligare 1, 2 och 3 langsgaende skarsnitt. Det visas att mekanisk skarning har en mindre paverkan pa de magnetiska egenskaperna hos materialet an vad laserskarning har. Matningar pa plat med 1.8% Si visar att da prov med tre extra langsgaende giljotinklipp anvands kan permeabiliteten reduceras med upp till 63% och jarnforlusterna kan oka med upp till 35%. Motsvarande resultat for laserskurna platar visar en permeabilitetsreduktion pa upp till 65% och en jarnforlustokning pa upp till 65%. Ur studien av de tva studerade skarprocesserna framkommer aven att tunnare plat paverkas mindre negativt an tjockare plat. Ett antal olika installningar har provats for att utreda hur olika parametrar paverkar e ekterna av laserskarning. Studien indikerar att skarning med hog e ekt och hog hastighet ger den minsta paverkan pa materialets magnetiska egenskaper. Vilket aven har en positiv inverkan pa produktiviteten vid laserskarning. Epsteinprover har aven utforts for att undersoka vilka e ekter som introduceras da SiFe-plat svetsas. Provstyckena bestod av remsor med en, tre, fem och 10 svetspunkter. Experimenten visar en jarnforlustokning med upp till 50% samt en permeabilitetsreduktion upp till 62% da platarna svetsats samman tva och tva. En modell for att studera e ekterna av de forandrade materialegenskaperna vid skarning pa en induktionsmotor utvecklas och implementeras i en FEM-baserad mjukvara. Resultaten tyder pa en jarnforlustokning med 30% da skare ekten orsakad av giljotin beaktas. Vid simulering av laserskuren plat kan denna okning vara sa stor som 50%. Det framkommer aven att laserskarningen kan reducera e ektfaktorn sa mycket som 2.6%.

In the first part of the master’s thesis dealing with the increasing efficiency of induction motors there are briefly presented basic information about induction motors, followed by an overview of the losses of induction motors. The next part deals with the ways to increase efficiency of induction motors without increasing tooling costs. The practical part consists of four measurements of four induction motors, with their various mechanical adjustments to make comparing benefits of these modifications possible. The measured results are compared by a finite element method in Maxwell 2D Design program, in which the same motors are simulated as measured. Theoretical knowledge about the increase of efficiency is practically applied while being implemented in the simulations.