Les préoccupations environnementales croissantes et la raréfaction des énergies fossiles amènent les constructeurs automobiles à proposer des véhicules efficients hybridant des chaînes de traction conventionnelles. Ces travaux de recherche sont focalisés sur l'hybridation thermique/électrique. Ils présentent une méthodologie de conception optimale pour identifier des voies de progrès et orienter la définition de futures chaînes de traction à haut rendement énergétique. Ils sont basés sur une démarche d'ingénierie systémique qui s'appuie sur trois principaux leviers: l'architecture de la chaîne de traction, la stratégie de gestion énergétique et la définition des organes électriques de puissance. Différentes architectures de chaînes de traction hybrides électriques sont comparées en se basant sur la consommation minimale atteignable par chacune d'entre elles sur cycles automobiles. Pour déterminer ces seuils de consommation, une stratégie de commande optimale basée sur un algorithme de programmation dynamique est développée. Les résultats montrent l'intérêt de l'hybridation parallèle pour concevoir une chaîne de traction efficiente.Les sollicitations des organes électriques de puissance sont déterminées et analysées pour en spécifier le dimensionnement optimal. Deux structures de machines électriques ont été modélisées par réseaux de réluctances pour établir des cartographies de pertes et comparer la performance en émissions de CO2 du véhicule. Cette approche permet d'identifier des axes d'améliorations et on montre qu'une solution de type alterno-démarreur permettrait des gains d'environ 33% en émissions de CO2 par rapport au véhicule conventionnel. / On-going oil stock depletion and growing environmental concerns lead automakers to develop more efficient powertrains. Today, one of the most promising way forward consists in research on hybrid systems. The present work is focused on thermal/electric hybridization for HEV vehicle and presents an optimal methodology to identify key guidelines and design efficient systems. Defining the most promising efficient powertrain requires a systemic design which is based in this study on three main levers : powertrain architecture, energy management and electric components design. Different powertrains architectures are compared to the lowest fuel consumption that can be reached by each powertrain for a given driving cycle. Their optimal energetic performances are determined by using optimal control strategies and dynamic programming. The simulations results show that the most promising hybrid powertrain is the parallel one. At each step of time of the drivings cycles, the parallel hybrid powertrain behavior is more closely analyzed so as to provide technical specifications for an optimal sizing of the electric components. It points out the operating point and the driving cycles for which the electric machine has to be optimized. Two electric machines topologies derived from a starter-alternator architecture, are modeled by using reluctance network to provide losses map and compare CO2 saving of the vehicle. This approach has both identified areas for powertrain architecture improvement and components design optimization to achieve a better global efficiency of the system. It is shown that a starter-alternator could provide 33% of CO2 saving compared to a conventional car.

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. / In this thesis, a comparison among different machine topologies has been firstly realized, and two electrical machines: Switched Reluctance Motors (SRMs) and Flux-Switching Permanent Magnet (FSPM) motors are then chosen for the following studies. A fast and precise coupled electromagnetic-thermal model is performed for these two structures. This model is based on a prior steady characterization by Finite Element method (FEM) 2D via calculating the instantaneous torque, the two components of magnetic induction (B_r and B_&#952-) of each element of rotor as well as stator for different RMS current densities and different rotor positions. These results are then used in the analytical copper and iron losses models for calculating the instantaneous copper and rotor as well as stator iron losses during one driving cycle. The Lumped Parameter (LP) and FEM 2D transient thermal models are then carried out, in which the previously obtained instantaneous power losses are used as heat sources for calculating the temperatures of different motor parts during driving cycles. A faulty-thermal analysis for a three-phase FSPM motor is also achieved. The faults in this thesis are mainly due to short-circuit (SC), such as inter-turn SC in phases or inter-turn and inter-phase SC, one phase or three phases SC in a redundant FSPM motor. Based on MATLAB-Simulink, the faulty information as the normal and short-circuit currents can be obtained, the power losses can then be calculated as previously. Thus, the thermal behavior of the machines can be predicted under faulty mode. The coupled Thermal-Electromagnetic Analysis method in this thesis can also be extended for all the other applications with driving cycles. Finally, the faulty analysis for a six-phase FSPM motor is performed, and one six-phase full bridge inverter is applied to drive the machine. This allows us to control each phase independently under faulty mode. The faults here are open-circuit or short-circuit in one or several phases (up to three). Some correction methods such as: increasing healthy current and/or change their phase angles, are proposed to maintain the electromagnetic torque while minimizing the torque ripple. The analytical and FEM 2D results have shown the good efficiency of the proposed methods both in case of phase open-circuit and in case of phase short-circuit.

Aujourd'hui, il est impératif de réduire les émissions de CO2 des véhicules routiers en raison des changements climatiques. L’une des stratégies les plus prometteuses consiste à utiliser les véhicules électriques (VÉ) et hybrides électriques (VÉH). Les VÉ et VÉH ont besoin de machines électriques pour réaliser la conversion d’énergie électromécanique. Les machines électriques à aimant permanent semblent être les meilleurs candidats pour les applications VÉ et VÉH en termes de performances exceptionnelles. L’aimant permanent des terres rares le plus puissant est le type de Néodyme-Fer-Bore (Nd2Fe14B) ou simplement appelés NdFeB. Généralement, une petite quantité d’éléments terres rares lourds, comme le Dysprosium (Dy) ou le Terbium (Tb) est ajoutée à l’alliage de NdFeB afin d'améliorer les performances. Cependant, cette forte demande en terres rares implique de sérieux problèmes d’approvisionnement. Dans ce cas, l'une des solutions possibles pour que l'Europe lutter contre les risques d'approvisionnement en terres rares consiste au recyclage des aimants terres rares. DEMETER est l’acronyme anglais pour le groupe européen de formation universitaire pour la conception et le recyclage de moteurs et de générateurs électriques à aimants permanents terres rares pour les véhicules tout-électriques et hybrides électriques. Son objectif était étudier les trois voies possible pour le recyclage des aimants permanents à base de terres rares présents dans les moteurs électriques : la réutilisation directe, le recyclage direct et le recyclage indirect. Valeo et G2Elab sont les principaux partenaires de ce projet. Ils se concentrent principalement sur la réutilisation directe des aimants permanents. La thèse est supervisée par Valeo et G2Elab et se concentre principalement sur les machines électriques à flux radial à aimants permanents qui sont les machines électriques les plus utilisées de nos jours. Les applications visées sont les véhicules hybrides électriques à niveau d’hybridation douce ou les petits VÉ. Le dimensionnement de ce moteur innovant doit non seulement être recyclable du point de vue des aimants permanents mais doit également répondre à tous les critères exigeants du cahier des charges.Des études bibliographiques approfondies, l’optimisation FEM et l’analyse thermique / mécanique ont révélé qu’une machine synchrone à aimants permanent insérés (MSAPI) peut largement satisfaire à toutes les exigences et à toutes les contraintes. Ensuite, nous avons utilisé un aimant lié pour à la MSAPI pour réutilisés. L'assemblage de la machine avec des aimants liés est plus facile que l'assemblage avec des aimants frittés, comme l'aimant lié est directement assemblé au fer rotorique par moulage par injection. Le démontage des aimants est également plus facile. Dans le contexte d’un procédé de recyclage des rotors à aimants liés, ces derniers pourraient être chauffés afin de faire fondre les aimants liés et les extraire ensuite facilement. Ils peuvent être mélangés à des aimants recyclés avec un certain pourcentage de composé d’aimants vierges pour fabriquer de nouveaux aimants liés sans modification notable des performances magnétiques de l’aimant. De nombreux essais de référence ont été à réalisés évaluer les performances de cette machine, puis comparés aux résultats de la simulation. Dans cette thèse, en plus des propositions de dimensionnements innovants, l’objectif est d'évaluer les machines électriques du point de vue de leur recyclabilité. La recyclabilité est quantifiée par deux indices. Ces derniers peuvent être regroupés sous le terme WIRE (Weighted Index of Recycling and Energy – index Pondéré de recyclage et de consommation énergétique). En utilisant WIRE, la recyclabilité entre différentes machines peut être comparable, même avec des dimensions ou des performances différentes. La méthode de réutilisation et de recyclage des aimants permet d’obtenir des avantages environnementaux sans pertes économiques. / Nowadays it is imperative to reduce the CO2 emission of automotives due to the climate changes. One of the essential strategies is to use new energy vehicles, such as Hybrid and pure Electrical Vehicles ((H)EVs). However, no matter what the energy storage devices (H)EVs have, they always need electrical machines to transfer electrical energy into mechanical energy. Permanent Magnet (PM) electrical machines seem to be the best candidates for (H)EV applications in terms of their outstanding performances. However, the supply and cost of PMs are essential for PM machines. The strongest rare earth PM is Neodymium-Iron-Boron (Nd2Fe14B) type magnet, or simply written as NdFeB. Commonly, in order to improve the temperature stability as well as resistant demagnetization of magnets, small portion of heavy rare earth element, Dysprosium (Dy) or Terbium (Tb), is added to the alloy. However, with a high demand of high grade NdFeB magnets, the supplies of these rare earth elements, including Neodymium (Nd), face serious challenge, especially for Europe. In this case, one of the possible solutions for Europe to tackle the rare earth supply risks is to recycle rare earth magnets. Demeter -European Training Network for the Design and Recycling of Rare-Earth Permanent Magnet Motors and Generators in Hybrid and Full Electric Vehicles, is an Europe Union registered project. DEMETER envisaged three routes for the recovery of rare earth PM from these devices, which are so called direct re-use, direct recycling and indirect recycling. Valeo and G2Elab are the principal partners in this project, and they mainly focus on the route of PM direct re-use. This doctor thesis is supervised by Valeo and G2Elab, and mainly focuses on radial flux type PM electrical machines, which are the most widely used type of electrical machines nowadays. The applications include Mild Hybrid Electric Vehicles (MHEV) or small Electric Vehicles (EV). The new motor design not only needs to be recycle friendly for PMs, but also needs to meet all the strict requirements for the applications.With thorough literature studies, FEM optimization and thermal/mechanical analysis, it was found that an IPMSM design can fairly fulfill all the requirements and constraints. Then new magnet materials and assembly methods were implemented for the magnet recycling - a kind of bonded magnet was used for the IPMSM. This bonded magnet was made from a Hydrogen Decrepitation Deabsorbation Recombination (HDDR) anisotropic NdFeB magnet powder, with Sulfide (PPS) binder. It has the possibility to directly assemble the magnet into the rotor by injection molding. Thus the assembly of the magnets would not be constraint by their shapes. The disassembly of the magnets became easy as well – it is possible to heated up the rotors so that the bonded magnets can be melted down for extraction. Then they can be mixed with a certain percent of virgin magnets compound to make new bonded magnets without remarkable changes on performances. In summary, the entire recycling process is relatively easy and ecologically sustainable. Thus, based on this new concept, an IPMSM with bonded NdFeB magnets were fabricated. Series benchmark tests were carried out, for instance measurements of back-EMF, torque, efficiency, short circuit current and stator temperatures. In this thesis, apart from new design ideas of electrical machines, another goal is to evaluate e-machines with respect to the recyclability. The recyclability is quantified by two indexes, together they can be named Weighted Index of Recycling and Energy (WIRE). By using WIRE, the recyclability between different machines can be comparable, even with different dimension or performances. It was found that by using WIRE to evaluate the new designed PM machine, promising results can be obtained. The magnet reuse and recycling approach can gain environment benefit without economic losses.

L’actualité des travaux de recherche dans le domaine des moteurs électriques repose en partie sur des machines utilisant des matériaux supraconducteurs. En effet, ces matériaux des caractéristiques intéressantes pour des applications à champ magnétique et courant élevés, en étant refroidis à très basse température, en général de 4 à 77K. Ce qui est un paramètre important pour développer des machines de fortes puissances avec un encombrement minimal. Nous proposons d’utiliser les caractéristiques de fort courant et fort champ magnétique des fils supraconducteurs ainsi que les capacités de blindage magnétique des supraconducteurs massifs pour le développement de moteurs supraconducteurs. Nous avons développé et réalisé les essais d’une machine synchrone supraconductrice de 250kW, à inducteur supraconducteur tournant. Nous continuons les travaux sur les machines supraconductrices à topologies originales, avec la modélisation 3D d’un nouvel inducteur, à pans coupés. Mais également par de nouveaux essais et développements de la machine à concentration de flux magnétique réalisée dans des travaux précédents / An important part of electrical machines research activities focus on superconducting motors. In fact, an important magnetic field and high current are possible with these materials, used at low temperature, generally 4 to 77K. These two parameters allow an interesting motor development, with higher electrical power and a minimal overcrowding. In front of high magnetic flux and high current superconducting caracteristics and bulk screening effect, we suggest several superconducting motors development. We developed and realized a 250kW synchronous superconducting motor, with a rotating superconducting inductor. Then, using 3D finite element software, we introduce an original superconducting inductor topology, nammed "pan coupé". Besides, we show new test and development of the magnetic flux concentration motor constructed 4 years ago

Les véhicules électriques (VE) ou les véhicules électriques hybrides (VEH) offrent de nombreux avantages par rapport aux véhicules à moteur à combustion interne classiques. Selon les tendances récentes, la demande en VE(H) efficaces devrait augmenter considérablement. Pour une gamme haute puissance, la technologie des moteurs à aimants permanents a été le choix privilégié dans les véhicules électriques hybrides. La demande croissante de moteurs à haut rendement est en corrélation directe avec la demande d'aimants puissants (NdFeB ou SmCo) utilisant des terres rares. La disponibilité et la production des terres rares sont très critiques particulièrement pour les terres rares lourdes. L'objectif de cette thèse de doctorat est donc de concevoir un moteur Halbach à rotor extérieur pour une application VE(H) avec recyclage et réutilisation faciles des aimants. En outre, le projet vise à étudier et à proposer la fabrication d'un aimant Halbach utilisé dans les moteurs de forte puissance pour application VE.Tout d'abord, la fabrication d'un aimant Halbach utilisant un aimant NdFeB fritté avec et sans liant a été étudiée. L'étude montre que la fabrication d'une configuration de Halbach à l'aide d'un aimant collé est beaucoup plus facile et plus rentable que la fabrication d'un aimant fritté. La caractérisation d'un aimant NdFeB lié utilisé pour fabriquer un aimant Halbach a également été réalisée. Diverses voies de recyclage des aimants frittés et liés ont été analysées; on peut en déduire que les aimants collés sont beaucoup plus faciles à recycler, de manière rentable et respectueuse de l'environnement. La thèse propose également un moyen de recyclage pour l'aimant collé utilisé dans le moteur.Deuxièmement, un moteur à aimant Halbach collé a été conçu en modélisation éléments finis 2D et 3D. Pour obtenir un moteur très efficace et compact, on a utilisé un bobinage à pas fractionnaire. Les propriétés de l'aimant Halbach ont été calculées à l'aide du modèle éléments finis et comparées au modèle analytique. Les résultats obtenus par les deux approches étaient similaires. De plus, l'impact des combinaisons nombre d’encoches-pôles sur les pertes moteur et le couple a été étudié, en particulier les pertes Joule (compte tenu de toutes les contraintes de conception). Différentes stratégies pour utiliser des aimants recyclés à faible rémanence sont également présentées. L'utilisation d'un aimant recyclé avec une augmentation de la longueur axiale du moteur pourrait être le meilleur choix compte tenu de différents facteurs, notamment la fabrication de l'aimant Halbach. Sur la base de différentes études paramétriques, une conception du moteur a été proposée et un prototype a été construit. Il a été montré qu'un aimant Halbach de grande puissance pouvait être construit de manière économique avec un aimant NdFeB collé. La densité de flux d'entrefer du rotor, mesurée sur le prototype, est en étroite concordance avec les valeurs calculées.De plus, la méthodologie WIRE (Weighted Index of Recycling and Energy) a été présentée pour comparer différentes conceptions de moteurs en fonction de leur performance et de leur recyclabilité. La méthode développée produit deux indices basés sur-Facilité de recyclage du moteur en ce qui concerne le matériau, le montage et le démontage des aimants.-Impact d'un aimant recyclé sur la consommation d'énergie d'un moteur pendant sa durée de vie.En utilisant ces deux indices, on peut facilement analyser les avantages et les inconvénients des différentes conceptions sur la base de la recyclabilité et de l'efficacité énergétique. La conception proposée a été évaluée à l'aide cette méthode et on montre que le moteur est facile à monter et à démonter. De plus, l’assemblage moteur (sans colle) permet une extraction facile des aimants et une réutilisation directe. L'indice énergétique évalué du moteur montre l'impact de l'utilisation d'un aimant recyclé et sa viabilité pour les applications VE dans différents scénarios / Electric vehicles (EVs) or Hybrid electric vehicles (HEVs) offer many advantages over the conventional IC engine vehicles. According to recent trends, the demand for efficient (H)EVs is expected to grow significantly. For a high-power range, permanent magnet based motor technology has been the preferred choice for motors deployed in (H)EVs. Growing demand of highly efficient motors is in direct correlation to the demand of strong magnets (NdFeB or SmCo), which uses rare earth elements (REE). The availability and supply of REEs specially heavy REEs is very critical. Therefore, the aim of this doctoral thesis is to design an outer rotor Halbach motor for a (H)EV application with easy recycling and reuse of the magnet. Further, the project aims to investigate and propose the manufacturing of a Halbach magnet used in a high power motor EV applications.Firstly, the manufacturing of Halbach magnet using a sintered and a bonded NdFeB magnet was investigated. The study shows that the manufacturing of Halbach array using a bonded magnet is much easier and more cost effective than the sintered magnet. The characterisation of a bonded NdFeB magnet used for manufacturing a Halbach magnet was also performed. Various recycling routes for both sintered and bonded magnets were analysed and it can be inferred that bonded magnets are much easier to recycle in a cost effective and environment friendly manner. The thesis also proposes the recycling route for the bonded magnet used in the motor.Secondly, a motor with bonded Halbach magnet was designed using 2D and 3D FEM. To achieve a highly efficient and compact motor, fractional slot tooth coil winding was used. The properties of Halbach magnet was calculated using FEM model and benchmarked against the analytical model. The results obtained from the two approaches were in close agreement. Further, the impact of slot pole combinations on motor losses and the subsequent torque were investigated, specifically eddy loss (considering all the design constraints). Different strategies to use recycled magnet with lower remanence is also presented. It is shown that using a recycled magnet with increased axial length of the motor could be the best choice considering different factors, specially manufacturing of the Halbach magnet. Based on different parametric studies a design of the motor was proposed and prototype was built. It was demonstrated that a high power Halbach magnet could be built economically using a bonded NdFeB magnet. The airgap flux density of the rotor, measured on the prototype is in close agreement with the calculated values.Additionally, WIRE (Weighted Index of Recycling and Energy) methodology was presented to benchmark different motor designs on the basis of performance and recy- clability. The method developed produces two indices based on:• Ease of motor recyclability considering material, assembly and disassembly of magnets.• Impact of a recycled magnet on the energy consumption of a motor during its operational lifetime.Using both the above indices, one can easily analyse the pros and cons of different motor designs on the basis of recyclability and energy efficiency. The proposed motor design was evaluated using the developed method and it is shown that the motor is easy to assemble and disassemble. In addition, the motor assembly (glue free) enables easy magnet extraction and direct reuse. The evaluated energy index of the motor shows the impact of using a recycled magnet and its viability for EV applications in different scenarios.

Lors d'un refroidissement sous champ magnétique extérieur nul, les supraconducteurs à haute température critique ont la capacité d'expulser les lignes de champ de leur volume. Nous proposons d'utiliser cette propriété pour réaliser un inducteur de machine électrique utilisant des écrans supraconducteurs pour concentrer l'induction magnétique. L'étude théorique du système nécessitant l'utilisation d'outils de calcul numérique, nous avons utilisé une modélisation coulombienne du système et nous avons développé un logiciel de calcul du champ magnétique en 3D basé sur une méthode de Monte-Carlo à base de chaînes de Markov. Cette méthode probabiliste conduit à une erreur quantifiable<br />de calcul que nous avons minimisé en appliquant une méthode de régularisation. Nous avons dimensionné et réalisé un inducteur modèle qui a ainsi permis de vérifier l'efficacité de la structure ainsi que les outils de calcul développés.

La conception et la validation d’un nouveau moteur électrique nécessitent d’examiner les comportements dans le temps des différents matériaux d’isolation électrique face aux multiples contraintes qu’ils subissent. Les caractérisations au cours des vieillissements thermiques, hygrothermiques, thermomécaniques et électriques, ont porté sur les matériaux seuls , avec un focus particulier sur les résines d’imprégnation : une à base de polyesterimide et une à base d’époxy chargé, mais également sur les systèmes d’isolation électrique complets. Les autres matériaux sont l’émail des fils de cuivre, constitué de polyesterimide et de polyamide-imide, et deux papiers d’isolation tri-couches à base de Nomex® et de Kapton® pour l’un, et de Nomex® et de PET pour l’autre. Des caractérisations physico-chimiques (suivi de masse, spectroscopies IR et diélectrique, microscopie optique) et mécanique (flexion 3 points) ont permis de mettre en évidence des mécanismes de dégradations des matériaux lors des vieillissements thermiques et hygrothermiques tels que la perte d’adhérence de l’émail ou bien la délamination de la résine époxy. La caractérisation électrique des motorettes par des mesures de décharges partielles, a permis une évaluation des impacts des différents vieillissements et également de les corréler avec certains comportements des matériaux. L’influence de la forme d’onde sur la TADP a été étudiée. Il n’apparait aucune différence significative dans nos conditions entre des mesures sous signaux sinusoïdaux et sous signaux carrés. Les simulations de champs électriques sur les motorettes sont en accord avec les tensions d’apparition de décharges partielles (TADP) mesurées et avec l’influence de la température sur ces TADP. / Design and validation of a new electric motor require an examination of the behavior of the electrical insulating materials under different stresses. Characterizations were performed during aging, thermal, hydrothermal, thermomechanical and electrical, both on the materials, with a special focus on the impregnating resins: a polyesterimide and a filled epoxy, and on models of the electrical system. Other materials have also been characterized such as the enamel covering the copper, with a formulation based on polyesterimide and polyamide-imide, and two 3-layer insulating papers based on Nomex® and Kapton® for the first and on Nomex® and PET for the second. Physicochemical analyses (mass loss, IR and dielectric spectroscopies, optical microscopy) and mechanical characterizations (3-points bending) allowed the identification of the degradation mechanisms during thermal and hydrothermal aging. The effects of the applied stresses on the motorettes were evidenced by measurements of partial discharges. Correlations with the observed behaviors of the materials were underlined, such as the loss of enamel adhesion or the delamination of the epoxy resin. The influence of the waveform on the PDIV has also been studied and it revealed no significant difference between sinus wave and square wave. Simulations of electric fields on the motorettes are in agreement with the measurements of partial discharge inception voltages (PDIV) and with the influence of temperature on these PDIV.

Les directives européennes visant à produire 20% de l’énergie à base de sources renouvelables imposent aux gouvernements d’investir dans de nouveaux moyens de production. Un bilan du marché de l’énergie sera réalisé et permettra de montrer la part des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie. Après les moyens de conversion de l’énergie hydraulique, les éoliennes sont les systèmes, utilisant une source renouvelable, les plus rencontrées. Les objectifs fixés ont conduit à s’intéresser à l’installation d’éoliennes en mer. Les contraintes spécifiques rencontrées ont poussé les acteurs du marché à développer de nouveaux systèmes et donc des alternateurs adaptés : utilisation des aimants permanents et de l’attaque directe. La modélisation des machines à aimants permanents est décrite. Une topologie classique est d’abord présentée. D’autres solutions seront ensuite étudiées dans le but d’augmenter les densités de couple. L’une d’elles est la machine à bobinage à pas fractionnaire qui permet d’éviter les enchevêtrements des têtes de bobines. D’autre part, l’utilisation de systèmes polyphasés, permettant d’augmenter la disponibilité des systèmes en autorisant des fonctionnements en modes dégradés, est un moyen intéressant afin d’être en présence de systèmes plus fiables. La démarche, qui a permis d’effectuer le choix du dimensionnement de la génératrice pour répondre au mieux à l’appel d’offre d’un client, est présentée ainsi que les résultats des essais réalisés sur les prototypes. Au final, l’éolienne qui est équipée de cet alternateur a une puissance massique qui est au moins 15% plus importante que les solutions disponibles en 2013 sur le marché. / Given the European guidelines, which consist into producing 20% of the energy from renewable sources, the governments are obliged to invest in new types of production systems. An energy market survey will show the part of renewable energy in the energy consumption. After the hydroelectric systems, the wind turbines are the most common systems using renewable sources. The current objectives have led to consider the installation of offshore wind turbine. The specific limitations led the market players to develop new systems with adapted generators: direct drive permanent magnet generator. Model of the permanent magnet machines is described. First a conventional machine topology is presented, then other solutions will be studied with the objective of increasing the torque density. One of them is the concentrated winding machines where the end winding overlapping is avoided. On the other hand, use multiphase system becomes very interesting in order to increase system reliability and work in fault tolerant modes. The strategy that was adopted for the design of the generator to fit the best the specification is also discussed as well as the results of the tests. At the end, the wind turbine equipped with this alternator, has a power density at least 15% higher than the 2013’s available solutions.

Cette thèse s’intéresse à l’analyse de structures de machines électriques non conventionnelles destinées à la production d’électricité par des groupes électrogènes. Les topologies recherchées doivent utiliser moins de matières actives et/ou simplifier la procédure de fabrication par rapport aux machines actuelles.Une des structures est dédiée au système d’excitation de la machine. Elle possède un stator à griffes avec un bobinage toroïdal. Son dimensionnement est réalisé à l’aide d’un modèle de calcul par éléments finis en 3D, qui a été validé expérimentalement. Cette structure permet d’obtenir une réduction significative de la quantité de cuivre dans le bobinage.Les deux autres structures traitées concernent l’alternateur principal. Une machine synchro-réluctante à barrières deflux et à rotor bobiné a été proposée. L’objectif est d’augmenter la densité de couple grâce au couple de saillance. Elle est dimensionnée et comparée avec la structure conventionnelle. Ce cas met en évidence les limitations des structures proches de la structure actuelle.La dernière structure est une nouvelle topologie de machine électrique. Elle combine les caractéristiques des machines à flux axial et des machines à griffes, permettant de simplifier le système d’excitation. Une approche de modélisation originale a été développée pour l’analyse de cette topologie 3D en vue de son dimensionnement par optimisation. Le système d’excitation a un rôle important dans les performances de cette machine.Cette thèse constate aussi que l’évolution future des matériaux magnétiques pourrait tirer meilleur profit des structures non-conventionnelles avec des trajets de flux tridimensionnels. / The PhD project aims to analyse nonconventional structures of electric machines for electric power generation with diesel gensets. The researched topologies should use less active materials and/or simplify the manufacturing process compared to today’s machines.One of the structures is intended for the excitation system of the electric machine. It is composed of a claw-pole stator and a toroidal winding. It is designed using a 3D Finite Element model, previously validated by a prototype. This structure allows a significant reduction of the quantity of copper of the field winding.The other two structures under study are proposed for the main generator. A synchronous-reluctance machine with flux-barriers and a field winding in the rotor is analysed. The objective is to increase the torque density by increasing the reluctance torque. The designed machine is compared to the conventional structure. This case shows the limitations of structures similar to the current structure.The last structure is a new topology of electric machine. It combines the characteristics of claw-pole machines andaxial-flux machines. An original modelling approach is developed to analyse this 3D structure for its design based on an optimization algorithm. The study shows that the excitation system has a key role in its performances.This work also notes that the future evolution of magnetic materials should benefit the use of non-conventional structures with 3D flux paths.

En plus des aspects électrique, magnétique, vibro-acoustique et mécanique, les considérations thermiques doivent être prises en compte lors des phases de conception et d’optimisation des machines électriques. Ce mémoire se porte sur l’analyse et la simulation du comportement thermique des machines électriques Totalement Fermées et Non Ventilées (TFNV) et plus particulièrement sur le cas de la machine Synchro-réluctante (Synchrel), utilisée comme actionneur d’embrayage. Un modèle thermique détaillé (MTD), décrivant le comportement thermique de la machine Synchrel est conçu. Ce MTD proposé est construit grâce à une combinaison de la méthode à Constantes Localisées (CL) et d’une technique numérique de type Mécanique des Fluides Numériques (MFN). La première méthode est dédiée à la modélisation des transferts conductifs et radiatifs. La seconde permet de modéliser le mécanisme de refroidissement par convection naturelle autour de la machine Synchrel. Compte-tenu de l’importance du mode de refroidissement sur l’évolution des températures critiques, l’approche MFN peut apporter plus de précision. Par contre, elle nécessite des temps de calcul importants ce qui freine son utilisation. Afin de surmonter cette problématique, les résultats numériques obtenus pour des points de fonctionnement particuliers sont utilisés afin de définir des relations de corrélation analytiques. Cette analyse numérique est accompagnée d’une démarche expérimentale afin d’élaborer les corrélations expérimentales correspondantes. L’étude montre que les solutions numériques peuvent converger vers des solutions plus précises si l’on tient compte des données d’incertitudes introduites par cette approche. La deuxième problématique traitée est la détermination des Résistances Thermiques de Contact (RTCs) des machines électriques. Elles constituent des paramètres clefs dans la définition du MTD complet. La démarche de détermination des RTCs est basée sur deux approches d’identification paramétrique. La première est basée sur des observations expérimentales du comportement thermique de la machine. La seconde est basée sur une approche mathématique de réduction de modèle. Les valeurs déterminées sont cohérentes avec la littérature, bien que la machine Synchrel diffère en topologie, taille et puissance. En utilisant la corrélation d’origine numérique du phénomène de convection externe, le MTD complet est alors utilisé afin d’évaluer la variation de température due à l’erreur introduite par la MFN. En utilisant la corrélation expérimentale, le MTD complet est validé. Les approches d’identification paramétrique conduisent à la construction de deux modèles thermiques de second ordre de la machine. Ces modèles permettent la surveillance du comportement thermique du bobinage et du carter. Ces deux modèles simplifiés font montre d’une prédictibilité satisfaisante au regard de leur simplicité. / In addition to electrical, magnetic, vibro-acoustic and mechanical aspects, thermal considerations must be taken into account during the design and optimization of electrical machines. This study focuses on the analysis and the simulation of the thermal behavior of Totally Enclosed Non Ventilated (TENV) electric machines, specifically a Synchro-reluctant motor (Synchrel) in the context of an automotive application : a clutch actuator. A detailed thermal model (MTD) describing the thermal behavior of the Synchrel machine is designed. This proposed MTD is based on a combination of the Lumped Parameter Thermal Network method (LPTN) and the Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The first method is dedicated to model the conductive and radiative heat transfers. CFD techniques are dedicated to model the cooling mechanism based on the natural convection around the Synchrel machine. Since the critical temperature is very sensitive to the cooling mode, the CFD approach is used in this study to provide more accurate results. On the other hand, it requires considerable computing time, which prevents its use in design studies based on optimization methods. In order to overcome this problem, only some numerical results obtained for particular operating points are used to define an analytical correlation based on the numerical calculation relations. This numerical analysis goes with an experimental approach in order to elaborate the corresponding experimental correlations. This study shows that numerical solutions can present a good accuracy, if uncertainty data introduced by this approach are taken into account. The second research problem addressed in this study is the determination of the Contact Thermal Resistances (RTCs), which are key parameters in the definition of the MTD. The determination procedure of the RTCs is based on two parametric identification approaches. The first one is experimental and based on some observations of the thermal behavior of the machine. The second one is based on a mathematical model reduction approach. The determined values are consistent with results from literature, although the Synchrel machine differs in topology, size and power. Using the numerical correlations, the MTD is used to evaluate the temperature deviation due to error terms introduced by the CFD approach. Then, using these experimental correlations, the MTD’s quality can be checked and approved. Parametric identification approaches lead to the construction of two secondorder thermal models of the machine. These models allow monitoring the thermal behavior of the winding and the casing. Both simplified models show satisfactory predictability with respect to their great simplicity.