L’objectif de cette thèse est d’étudier des machines électriques à aimants permanents polyphasées et leur commande pouvant fonctionner en modes dégradés sur une large plage de vitesse dans le cadre d’une application de génération d’énergie hydrolienne. Ceci se justifie par le fait que, pour les applications liées à l’extraction d’énergie marine, les installations ne sont pas facilement accessibles pour des opérations de maintenance. Ainsi, des stratégies de commande ont été élaborées, pour des MSAP pentaphasées et à 2X3 phases, en mode sain et en modes dégradés, sur une large plage de vitesse avec un mode de défluxage. Une étude comparative a été faite sur le comportement en vitesse variable, en mode sain et en modes dégradés d’un certain nombre de MSAP à bobinage concentré autour des dents. Cette étude s’appuie sur un modèle analytique, qui estime à partir d’un cahier des charges et de la combinaison encoche/pôle, les inductances et les Forces électromotrices. Cet outil a permis également d’effectuer une première évaluation qualitative les phénomènes perturbateurs internes à la machine (Pertes dans les aimants et répartition des forces radiales) vis-à-vis de ces stratégies de commande. Enfin l’énergie extraite sur une durée significative en mode sain et en modes dégradés pour une turbine à pas fixe associée à plusieurs types de génératrices polyphasées a été quantifiée sur un site hydrolien typique (Raz de Sein). / The aim of this thesis is to study multiphase permanent magnet electrical synchronous machines (PMSM) and associated control strategies for tidal energy harnessing. These systems must be able to operate in fault mode in a wide range of speed. Indeed, for marine energy extraction applications, it is difficult to access to the site for maintenance operations. Specific control strategies in healthy and faults modes have been proposed, for 5 phases and 2X3 phases PMSM in a wide range of speed including flux weakening operations. A comparative study has also been done by evaluating the torque speed characteristics of several PMSM with fractional slot concentrated winding. This study is based on an analytical model which allows evaluating inductance values and EMF waveforms, from the knowledge of slot/pole combination of the machine windings. This analytical model allows evaluating qualitatively the impact of the control strategies on magnet losses and radial forces. Finally a practical case of tidal current energy extraction has been studied by quantifying extracted energy, in healthy and in faults modes for several multiphase electrical generators associated with a fixed pitch turbine in a typical tidal site.

La conception des composants et systèmes électriques est en pleine évolution, poussée par les besoins sociétaux en terme d'environnement et d'efficacité énergétique. Notre société est basée sur une énergie bon marché et facilement accessible, ce que nous procure, entre autres, l'électricité. Les composants et systèmes électriques font partis de notre quotidien et permettent de faire fonctionner la totalité de nos moyens de production. Ils sont tellement présents, qu'ils pourraient presque passer inaperçus. C'est pourquoi, leur conception est capitale afin de les rendre plus performants, c'est-à-dire mieux adaptés aux besoins de chacun. Les composants et systèmes électriques ont évolué grâce à une meilleure maîtrise des matériaux. Les aimants terres rares, à hautes énergies, ont permis de concevoir des moteurs électriques compacts à fort couple massique comme par exemple, ceux des nouvelles chaînes de traction AGV d'Alstom. Les systèmes sont de plus en plus complexes et doivent être de plus en plus performants sur un panel de critères de plus en plus large. Le défi offert aux ingénieurs de conception est grand. Il est donc indispensable d‟intégrer de nouveaux outils et de nouvelles méthodologies dans le processus de conception pour faire face à ce challenge. C'est au niveau des méthodologies et des outils que se situe notre apport. En effet, les moyens de calcul ont fortement progressé et permettent d‟utiliser les outils de modélisation et d‟optimisation relativement simplement. Toutefois, leur mise en œuvre dans une démarche de conception est complexe, car elle fait intervenir l‟environnement et l‟acteur humain. Les outils d‟optimisation sont bien adaptés aux besoins de la conception car ils permettent de proposer une solution optimale en fonction d‟un nombre important de variables et de critères, pouvant s‟exprimer sous la forme d'objectifs ou de contraintes. Les outils de modélisation ont fortement progressé et permettent une représentation précise des phénomènes physiques. Deux grandes familles existent : les modèles analytiques et les modèles numériques. Les deux peuvent être intégrés dans un processus de conception. Toutefois, aussi précis soient-ils, ils restent des modèles et sont donc liés à un certain nombre d'hypothèses. L‟utilisation de méthode d‟optimisation pour la conception conduit à rechercher des solutions optimales au niveau global, ce qui impose la construction de modèles prenant en compte de nombreux aspects physiques pour répondre aux besoins de conception. La seule connaissance des phénomènes magnétiques et électriques pour concevoir un moteur électrique n‟est plus suffisante ; il faut intégrer, la thermique, les aspects de bruit et de vibration, l‟effet de la commande et gérer les interactions entre le moteur et le convertisseur en intégrant la charge. Le processus de conception a donc à gérer un ensemble de modèles pouvant être de natures différentes et de précision variable. La bonne adéquation entre les modèles, et les liens créés entre eux, font la qualité du modèle de conception. Cette multiplicité de modèles pose un réel problème au concepteur, qui doit soit construire la totalité des modèles, soit se les procurer. Généralement, le concepteur est expert dans une discipline et aura donc moins de connaissances dans les autres. Pour un système complexe constitué de nombreux composants et faisant intervenir de nombreuses disciplines, il est nécessaire de répartir l‟effort de modélisation. D‟autant plus, qu‟au sein de la communauté scientifique ou des entreprises, des modèles testés et validés existent déjà. Un besoin de capitalisation et d‟appropriation des modèles est donc indispensable. L‟obtention d‟un modèle n‟est pas un but, mais un moyen pour le concepteur. La définition du problème de conception et la formulation du problème d‟optimisation sont primordiales. La définition du problème peut être vue comme une stratégie et la méthode d‟optimisation comme une tactique pour aboutir à une conception optimale. Les deux sont étroitement liées et influent réciproquement l'une sur l'autre. Chaque méthode d‟optimisation a des avantages et des inconvénients. La formulation du problème d'optimisation doit se faire en connaissant les possibilités de la méthode d‟optimisation en liaison avec le modèle. Le concepteur doit avoir des notions d‟optimisation pour formuler correctement son problème et connaître suffisamment ses modèles pour rester dans leur domaine de validité. L'utilisation d'une méthode d'optimisation au sein d'un processus de conception permet de trouver la cause des effets désirés. La méthode d‟optimisation et le modèle sont liés. La méthode d‟optimisation peut prendre en charge tout ou partie des non-linéarités du modèle pour faciliter son expression par le concepteur ou améliorer sa résolution en permettant de scinder les modèles pour pouvoir distribuer les calculs. Le processus d'optimisation lui-même peut être décomposé en un ensemble de problèmes d'optimisation interagissant les uns sur les autres, ce qui permet de gérer d'une manière répartie les modèles et les processus d'optimisation. Les outils d'optimisation doivent être utilisés au niveau le plus haut du processus de conception pour créer un impact maximum sur la conception des composants et du système. Ainsi, de fait, le processus de conception optimal garantit une bonne adéquation des composants au système.

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Cette thèse traite de la conception de systèmes électromécaniques, en particulier des machines électriques dédiées à des applications de traction. La démarche adoptée allie précision des résultats et réduction du temps de calcul du processus. A cet égard, deux thèmes ont été abordés dans cette thèse. Le premier thème concerne la modélisation de machines électriques et l’utilisation de méthodes semi-numériques. Une architecture de réseau de réluctances est proposée pour analyser les performances de machines à flux axial. Elle permet la prise en compte de l'aspect temporel et la caractéristique non-linéaire des matériaux ferromagnétiques. Des modèles basés sur la méthode des éléments finis ont été établis pour valider les résultats de modélisation. Le faible écart entre modèles numériques et semi-numériques montre le bien fondé des méthodes proposées. Des dimensionnements offrant un compromis entre précision de la solution finale et temps de calcul font l’objet du second thème de la thèse. La technique du Space Mapping est connue pour son efficacité, elle permet d'exploiter à moindre coût un modèle précis. Deux techniques qui en dérivent sont proposées en associant la modélisation par réseau de réluctances et des techniques d'optimisation. La première repose sur la modélisation de l'erreur entre des modèles de précisions différentes par une fonction à bases radiales. La deuxième intègre la correction de l'erreur dans la résolution des réseaux de réluctances en couplant les modèles linéaire et non-linéaire d'une machine électrique. / This thesis proposes contributions in design methodologies for electromechanical systems, in particularly electrical machines. The proposed strategy allies precision and reduction in simulation time. Thus, two themes were studied. The first theme concerns electromagnetic modeling by means of semi-numerical models. Reluctance’s network topology is proposed in order to analyze performances of permanent magnet axial flux machines. It can take into account the temporal aspect and the non-linearity of ferromagnetic materials. Finite element models were established in order to compare and validate the proposed modeling strategy. Thus, the small error between models (less than 5%) shows the efficiency of the models. Sizing based on optimization techniques, offering a compromise between final solution and computation time, are treated in the second theme of this thesis. Space Mapping is known as an efficient optimization technique, which enables exploiting costly models without being prohibited by computation time. Two derived techniques are proposed and applied to design the axial flux machines. The first, proposes the modeling of the error between models with different precision through radial basis function. The second embeds error correction in the magnetic equivalent circuit resolution in order to couple linear and non-linear models of an electrical machine.

Dans cette thèse, une comparaison entre différentes topologies de machines a été tout d'abord réalisée. Deux machines électriques: Machine à Réluctance Variable (MRV) et Machine à Commutation de Flux (MCF) ont ensuite été choisies pour les études suivantes. Un modèle électromagnétique-thermiquement couplé est mis en ouvre pour ces deux structures. Ce modèle est basé sur une caractérisation préalable par la méthode des éléments finis (EF) 2D via le calcul du couple instantané, des deux composantes de l'induction magnétique (Br et Bθ) de chaque élément du maillage du rotor ainsi que du stator pour différentes densités des courants efficaces et pour différentes positions du rotor. Ces résultats sont ensuite utilisés dans les modèles analytiques de pertes permettant de calculer les pertes Joule et les pertes fer sur un cycle de fonctionnement. Des modèles thermiques transitoires basés sur un réseau de résistances thermiques et l'EF 2D sont réalisés, dans lesquels les pertes instantanées obtenues précédemment sont utilisées comme sources de chaleur pour le calcul des variations des températures dans différents composants d'une machine électrique sur cycle de fonctionnement. Un modèle de défaut couplé avec la thermique pour une MCF triphasée est aussi proposé. Les défauts étudiés dans cette thèse sont principalement dus au court-circuit: le court-circuit entre-spires d'une phase, le court-circuit entre-spires et entre-phase dans une MCF sans redondance, le court-circuit d'une phase ou de trois phases dans une MCF avec redondance. A l'aide de MATLAB/Simulink, les courants sains et les courants de court-circuit sont obtenus, et les pertes instantanées peuvent être calculées en utilisant la méthode mentionnée précédemment. De cette manière, le comportement thermique en cas de défauts peut être prévu. Enfin, des études de défauts pour une MCF hexa-phasée sans redondance sont présentées, et un convertisseur du type pont complet est utilisé pour alimenter la machine. Cela nous permet de contrôler indépendamment chaque phase en cas de défauts. Les défauts sont entre autres le circuit ouvert ou le court-circuit dans une ou plusieurs phases (jusqu'à trois). Certaines méthodes de correction telles que: l'augmentation de l'amplitude du courant dans les phases saines et / ou modifier leurs phases, sont proposées pour maintenir le couple électromagnétique tout en minimisant l'ondulation de couple. Les résultats analytiques et numériques ont montré la bonne efficacité des méthodes proposées, tant dans le cas de l'ouverture des phases que dans le cas d'un court-circuit.

Ce travail s'inscrit dans la problématique de la modélisation numérique des phénomènes électromagnétiques présents dans les machines électriques. Il comporte deux parties. La première partie présente une méthode permettant de ramener, par un raisonnement physique adapté au comportement électromagnétique et à la géométrie de la machine, le problème complet des équations aux dérivées partielles de la magnétostatique, à un problème unidimensionnel. C'est ce que nous avons appelé la méthode de découpage en secteurs qui, tout en demeurant une méthode approchée, tient compte "en moyenne" de la géométrie du domaine et présente l'avantage d'une très grande rapidité d'exécution. La seconde partie porte sur l'analyse de la distribution de la densité de courant dans un conducteur massif de forme quelconque, noyé dans une encoche. Nous utilisons la méthode des éléments finis pour résoudre l'équation d'Helmholtz afin de déterminer numériquement les fonctions propres du Laplacien sur le domaine considéré. Il en résulte une méthode de détermination d'un circuit équivalent valable quels que soient les formes des courants et les profils des barres.

Dans cette thèse, une comparaison entre différentes topologies des machines a été tout d'abord réalisée. Deux machines électriques: Machine à Réluctance Variable (MRV) et Machine à Commutation de Flux (MCF) sont ensuite choisies pour les études suivantes. Un modèle électromagnétique-thermiquement couplé est effectué pour ces deux structures. Ce modèle est basé sur une caractérisation préalable par la méthode des éléments finis (EF) 2D via le calcul du couple instantané, des deux composantes de l'induction magnétique (Br et B&#952-) de chaque élément du maillage du rotor ainsi que du stator pour différentes densités des courantes efficaces et différentes positions du rotor. Ces résultats sont ensuite utilisés dans les modèles analytiques de pertes Joule et de pertes fer permettant de calculer les pertes Joule et les pertes fer sur un cycle de fonctionnement. Des modèles thermiques transitoires tels que le réseau de résistances thermiques et l'EF 2D sont effectués, dans lesquels les pertes instantanées obtenues précédemment sont utilisées comme sources de chaleur pour le calcul des variations des températures dans différents composants d'une machine électrique sur cycle de fonctionnement. Un modèle défaut-thermique d'une MCF triphasée est aussi mis en ouvre. Les défauts étudiés dans cette thèse sont principalement dus au court-circuit: le court-circuit entre-spires d'une phase, le court-circuit entre-spires et entre-phase dans une MCF sans redondance, le court-circuit d'une phase ou de trois phases dans une MCF avec redondance. A l'aide de MATLAB/Simulink, les courants sains et les courants de court-circuit sont obtenus, et les pertes instantanées peuvent être calculées en utilisant la méthode mentionnée précédemment. Par conséquent, le comportement thermique en cas de défauts peut être prévu. Enfin, des études de défauts pour une MCF hexa-phasée sans redondance sont effectuées, et un convertisseur du type pont complet est utilisé pour alimenter la machine. Cela nous permet de contrôler indépendamment chaque phase en cas de défauts. Les défauts sont entre autres le circuit ouvert ou le court-circuit dans une ou plusieurs phases (jusqu'à trois). Certaines méthodes de correction telles que: l'augmentation de l'amplitude du courant dans les phases saines et / ou modifier leurs phases, sont proposées pour maintenir le couple électromagnétique tout en minimisant l'ondulation de couple. Les résultats analytiques et numériques ont montré la bonne efficacité des méthodes proposées tant en cas de l'ouverture des phases qu'en cas du court-circuit des phases.

Toute machine électrique est source de fuites électromagnétiques externes. Ces champs, de valeurs faibles d'un point de vue électrotechnique classique, peuvent se révéler néfastes pour certaines applications, notamment dans le domaine de la détection. L'objectif de cette thèse est donc la discrétion électromagnétique des machines électriques tournantes. Un banc d'essais et un protocole de mesures ont été mis en place. Ils permettent d'étudier avec précision la signature électromagnétique des machines à différentes distances, ainsi que l'influence de certains paramètres comme la nature des flasques ou la présence du rotor. Les effets d'une excentricité sur le rayonnement ont également été évalués dans une optique de prévention et de maintenance des machines électriques. Des modèles numériques, utilisant les éléments finis, ont ensuite été développés. Le modèle 2D ne convient que pour des études qualitatives, ses hypothèses ne rendant pas suffisamment compte de la réalité. L'intérêt du modèle 3D réside dans sa capacité à représenter correctement les phénomènes physiques à l'extérieur de la machine. Un modèle analytique est également proposé dans ce mémoire. De conception simple, basée sur la représentation par moments dipolaires équivalents, il aide à la compréhension de la signature électromagnétique. Enfin, grâce à ces modèles, des solutions de compensations optimales des fuites par un blindage actif, sont envisagées après une présentation de l'état de l'art des solutions utilisées actuellement.

Cette thèse traite de la conception de systèmes électromécaniques, en particulier des machines électriques dédiées à des applications de traction. La démarche adoptée allie précision des résultats et réduction du temps de calcul du processus. A cet égard, deux thèmes ont été abordés dans cette thèse. Le premier thème concerne la modélisation de machines électriques et l'utilisation de méthodes semi-numériques. Une architecture de réseau de réluctances est proposée pour analyser les performances de machines à flux axial. Elle permet la prise en compte de l'aspect temporel et la caractéristique non-linéaire des matériaux ferromagnétiques. Des modèles basés sur la méthode des éléments finis ont été établis pour valider les résultats de modélisation. Le faible écart entre modèles numériques et semi-numériques montre le bien fondé des méthodes proposées. Des dimensionnements offrant un compromis entre précision de la solution finale et temps de calcul font l'objet du second thème de la thèse. La technique du Space Mapping est connue pour son efficacité, elle permet d'exploiter à moindre coût un modèle précis. Deux techniques qui en dérivent sont proposées en associant la modélisation par réseau de réluctances et des techniques d'optimisation. La première repose sur la modélisation de l'erreur entre des modèles de précisions différentes par une fonction à bases radiales. La deuxième intègre la correction de l'erreur dans la résolution des réseaux de réluctances en couplant les modèles linéaire et non-linéaire d'une machine électrique.

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'identi cation 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.