Les centrales hydrauliques de pompage turbinage fonctionnent principalement en utilisant des alternateurs de type synchrone évoluant à vitesse fixe. Cependant, utiliser des alternateurs à vitesse variable et, en particulier, des Machines Asynchrones à Double Alimentation (MADA) apporte des avantages non négligeables : contrôle de la puissance en mode pompe, opération au point de meilleur rendement en mode turbine et plus grande stabilité en cas de perturbation. Cette thèse a pour objectifs la progression des connaissances des phénomènes électromagnétiques régissant le fonctionnement de la MADA et d'établir une démarche en vue de son optimisation. Tout d'abord, un modèle analytique reposant en partie sur la méthode des intégrales de frontière est proposé et validé par simulations éléments finis. Ce modèle analytique prend en compte plusieurs éléments tels que la saturation du circuit magnétique, les harmoniques générés par les bobinages du stator et du rotor mais également les harmoniques dus à la forme non constante de l'entrefer. Ensuite, le modèle est appliqué à l'étude de quatre sujets d'importance pour l'ingénieur électricien : calcul des harmoniques de tension statorique à vide, calcul des pertes fer, calcul des harmoniques de couple et calcul des forces radiales électromagnétiques. Enfin une procédure de dimensionnement de la MADA reposant sur l'optimisation par algorithme génétique est décrite. Cette procédure est appliquée à la transformation d'une machine synchrone existante à pôles saillants en une MADA. Deux cas sont traités : dans un premier temps seul le rotor est remplacé tandis que le stator reste le même, dans un deuxième temps la machine est entièrement redimensionnée.

Depuis l'essor des ordinateurs et des capacités de calcul, la conception des composants du génie électrique repose largement sur des simulations informatiques et sur des calculs numériques. Dans les systèmes complexes, où de nombreux composants interagissent pour le bon fonctionnement du système, le dimensionnement optimal du composant dépend nécessairement de son environnement systémique. La conception de celui-ci est fortement liée au fonctionnement du système global. La conception intégré du composant dans son environnement systémique permet ainsi de repousser les limites de l'efficacité énergétique, pour des systèmes plus performants et moins consommateurs. En support à ce contexte méthodologique, nous proposons de dimensionner par optimisation un moteur électrique pour un véhicule hybride dans le but d'améliorer l'efficacité énergétique globale du véhicule. Dans ce travail, nous avons modélisé le moteur électrique par un schéma réluctant, et nous proposons deux approches méthodologiques différentes du même problème. Les points clés de notre approches sont : la prise en compte de l'environnement du moteur, du cycle de fonctionnement et de la gestion de l'énergie du système. / Since the development of computers and calculation capacities, the design of electrical components in electrical engineering is widely based on computing simulations and on numeral calculations. In complex systems, where numerous components interact for the working of the system, the optimal sizing of the component deeply depends on its systemic environment. The design of each component is strongly linked to the functioning of the global system. Therefore, the joint design of the component into its systemic environment allows to improve the efficiency of the system. In this methodological context, we optimize an electric machine for a hybrid vehicle. The aim of this work is to improve the global efficiency of the vehicle. In this work, we build a magnetic circuit model, and we propose two approaches for solving the optimization problem. The key points of this work are : the consideration of the environment of the electrical machine, the driving cycle and the energy management of the system.

Les travaux de recherche présentésdans cette thèse ont été effectués dans le cadred'une collaboration entre Leroy Somer et lelaboratoire de génie électrique et électronique deParis (GeePs). Ils ont pour objectif lessimulations des phénomènes observés en modetransitoire des machines électriques. Cessimulations sont particulièrement orientées parles nouvelles exigences issues du Grid Code pourles alternateurs connectés au réseau.Principalement, deux types de modèles ont étédéveloppés. Le premier se base sur unereprésentation de l’état magnétique de lamachine où chaque flux est exprimé en fonctiondes courants des différentes bobines. Le secondmodèle regroupe les courants en utilisant descourants magnétisants sur les axes d et q associésà des coefficients de saturation pour chaque fluxet simplifie la représentation magnétique,notamment pour la prise encompte du circuit amortisseur. Avec unemodélisation suffisamment précise ducomportement magnétique non linéaire de lamachine, ils permettent de mieux prédire lescourants et le couple électromagnétique lors desdéfauts tels que les creux de tension. Les travauxeffectués présentés dans ce mémoire ont permis,en partant des descriptions des saturationstrouvées dans une machine, de définir desméthodes pour incorporer la saturation dans lesmodèles de type circuit et finalement d’aboutirau choix du modèle non-linéaire pour unemachine électrique donnée. Grâce à un temps decalcul réduit, ils ont aussi conduit à l'intégrationsous Simulink de modèles de la machine et dusystème d'entrainement pour la réalisationd'études de stabilité et pour créer unenvironnement de mise au point de la commandedu système. / The research presented in this thesiswas carried out in the research and developmentproject between Leroy Somer and the Group ofElectrical Engineering of Paris (GeePs). Theirobjective is to simulate the phenomena observedin the transient states of electrical machines.These simulations are particularly oriented bythe new Grid Code requirements for alternatorsconnected to the power network. Two types ofmodels have been principally developed. Thefirst one is based on a magnetic description ofthe machine where each flux is expressed as afunction of the currents flowing through thedifferent machine windings. The second oneregroups the different winding currents by usingthe magnetizing currents on axes d and qassociated to saturation coefficients for eachflux linkage and simplifies the magneticdescription, especially when taking into accountthe damper windings. With a sufficiently precisemodelling of the non-linear magnetic behaviourof the machine, it is possible to better predict thecurrents and the electromagnetic torque underfault conditions such as voltage drops. The workcarried out in this thesis has made possible,starting from the descriptions of the saturationeffects found in a machine, to define methodsfor incorporating saturation into circuit models.Finally, one can make a choice of the dynamicnon-linear model for a given machine. Thanks toshort computation time, it also led to theSimulink integration of the machine andexcitation system models paving the way forstability and control studies.

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,

Cette thèse présente l’étude d’une machine électrique à stator à flux transverse à griffes. Après une étude du SMC et des structures à flux transverse, une structure associant un stator à griffes à un rotor à aimants permanents est choisie. Un modèle de la machine par réseau de réluctances est développé, en s’appuyant sur des simulations éléments finis. Il est ensuite amendé par l’introduction d’hypothèses d’inclinaison de flux dans l’entrefer, puis il est validé par le test d’un prototype. L’architecture est alors optimisée après une analyse détaillée de la circulation des flux, qui permet d’identifier le problème de la saturation du pied de dents. Après des simulations éléments finis de la machine améliorée, un prototype est ensuite testé qui confirme l’apport de la nouvelle architecture.Une version alternative de la machine, avec un bobinage d’excitation au stator et un rotor massif est ensuite proposée. Cette machine promet une fabrication économique et une bonne robustesse. Un modèle analytique est proposé, accompagné d’une étude éléments finis, puis pour finir un prototype est testé. Une version améliorée de cette machine avec un rotor à dents isolés est ensuite proposée : un modèle analytique et des études éléments finis permettent de valider l’intérêt de cette évolution. / This thesis presents the study of a claw-pole transverse flux electric machine. At first, SMC material properties and transverse flux structures are studied, leading to the choice of a structure combining a claw-pole stator and a permanent magnet rotor. The machine is modelled by the means of a magnetic equivalent circuit, with a reluctance network, developed with the help of finite elements simulation. The model is then changed with the introduction of the hypothesis that the flux is bent inside the airgap; it is then validated by the test of a prototype.The architecture of the machine is optimized after a detailed analysis of the flux circulation, leading to the identification of the tooth-tip saturation issue. After finite element simulation of the improved machine, a prototype is later tested, which confirms the gain brought by the new architecture.An alternative version of the machine, with a field winding attached to the stator and a massive rotor is then proposed. This machine promises to be cost-effective to build and robust thanks to its massive rotor. An analytical model of the machine is introduced, along with a finite element simulation, to end with the test of a prototype which confirms the possibilities of this new concept. An improved version of the machine with a rotor with isolated teeth is finally studied, with an analytical model and a finite element leading to the validation of the interest of this evolution.

Cette thèse présente l’étude d’une machine électrique à stator à flux transverse à griffes. Après une étude du SMC et des structures à flux transverse, une structure associant un stator à griffes à un rotor à aimants permanents est choisie. Un modèle de la machine par réseau de réluctances est développé, en s’appuyant sur des simulations éléments finis. Il est ensuite amendé par l’introduction d’hypothèses d’inclinaison de flux dans l’entrefer, puis il est validé par le test d’un prototype. L’architecture est alors optimisée après une analyse détaillée de la circulation des flux, qui permet d’identifier le problème de la saturation du pied de dents. Après des simulations éléments finis de la machine améliorée, un prototype est ensuite testé qui confirme l’apport de la nouvelle architecture.Une version alternative de la machine, avec un bobinage d’excitation au stator et un rotor massif est ensuite proposée. Cette machine promet une fabrication économique et une bonne robustesse. Un modèle analytique est proposé, accompagné d’une étude éléments finis, puis pour finir un prototype est testé. Une version améliorée de cette machine avec un rotor à dents isolés est ensuite proposée : un modèle analytique et des études éléments finis permettent de valider l’intérêt de cette évolution. / This thesis presents the study of a claw-pole transverse flux electric machine. At first, SMC material properties and transverse flux structures are studied, leading to the choice of a structure combining a claw-pole stator and a permanent magnet rotor. The machine is modelled by the means of a magnetic equivalent circuit, with a reluctance network, developed with the help of finite elements simulation. The model is then changed with the introduction of the hypothesis that the flux is bent inside the airgap; it is then validated by the test of a prototype.The architecture of the machine is optimized after a detailed analysis of the flux circulation, leading to the identification of the tooth-tip saturation issue. After finite element simulation of the improved machine, a prototype is later tested, which confirms the gain brought by the new architecture.An alternative version of the machine, with a field winding attached to the stator and a massive rotor is then proposed. This machine promises to be cost-effective to build and robust thanks to its massive rotor. An analytical model of the machine is introduced, along with a finite element simulation, to end with the test of a prototype which confirms the possibilities of this new concept. An improved version of the machine with a rotor with isolated teeth is finally studied, with an analytical model and a finite element leading to the validation of the interest of this evolution.

Le travail présenté dans cette thèse propose des nouvelles méthodes de diagnostic des défauts dans les machines à courant alternatif. Les procédures de diagnostic décrites sont fiables, originales, peu coûteuses et simples à mettre en œuvre. Elles présentent l’avantage d’être non invasives et viennent éliminer le principal inconvénient présenté par les autres méthodes de diagnostic déjà connues qui ont recours à la comparaison avec un état supposé sain et connu. L’analyse porte principalement sur le champ magnétique de dispersion, plus particulièrement ses composantes axiales et radiales qui présentent des sensibilités différentes aux défauts. À cet effet, les phénomènes dus aux défauts de court-circuit entre spires dans le bobinage statorique, l’excentricité et la rupture de barres rotoriques, sont étudiés. Il est abordé en particulier les effets de ces défauts dans le cas de la machine asynchrone et celui de la machine synchrone sur le champ axial et sur le champ radial. Pour chaque défaut, des signatures spécifiques sont mises en évidence et expliquées par la modélisation analytique et la modélisation numérique qui comprend les méthodes par circuits électriques couplés et méthodes par éléments finis. Des défauts ont été créés au rotor et au stator sur différentes machines, afin de valider expérimentalement les méthodes de diagnostic proposées. / The work described in this thesis proposes new procedures to diagnose faults in AC machines. The diagnostic procedures described are reliable, original, inexpensive and simple to implement. They have the advantage of being noninvasive and just get rid from the main drawback presented by other diagnostic methods based on a comparison with a healthy state assumed to be known. The analysis focuses on the magnetic field dispersion in the vicinity of the machine, especially its radial an axial distribution which presents different sensitivity according to various faults. To this end, the phenomena due to inter-turn short-circuit faults in the stator winding, rotor eccentricity and broken rotor bars, are studied in the case of an induction machine and a synchronous machine. For each fault, specific signatures are identified and justified by analytical modeling and numerical method of analysis including coupled electric circuit and finite element methods. Defects have been created in the rotor and stator on different machines in order to validate experimentally the suggested diagnostic procedures.

Les travaux menés au cours de cette thèse abordent les aspects de la conception optimale des machines électriques appliquées à la traction automobile.Cette thèse traite tout d’abord des contraintes imposées par le cahier des charges de l’application automobile électrique/hybride. Une méthode de classification ayant pour but de réduire le nombre d’évaluations des points de fonctionnement y est décrite. Ensuite, un prédimensionnement optimal de la machine est présenté. Le design de la machine est alors construit pour respecter la solution obtenue par le prédimensionnement.Dans la suite, une modélisation électromagnétique analytique précise et rapide de la machine est mise au point pour évaluer ses performances. Enfin, le modèle analytique précédemment conçu est couplé à une routine d’optimisation. Deux solutions optimales de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dédiées à l’application automobile seront finalement mises en exergue. / The work presented in this thesis aims at the modelling and optimisation of electrical machine for an automotive application.The first part shows the constraints required to electric/hybrid automotive specifications. A clustering method which allows to reduce evaluations number of the operating points is described. Next, an optimal pre-sizing of the machine is presented and designed in order to respect this optimal pre-sizing.In what follows an accurate and fast analytical electromagnetic modelling of the machine is performed. Well, the analytical modelling developed is related to a genetic algorithm. Two solutions of permanent magnet synchronous machines (PMSM) designed to automotive application are finally showed and analysed.

Une nouvelle chaîne de traction dédiée à un véhicule hybride électrique de poids lourds a été développée dans ces travaux de recherche. A ce stade, la conception et l'optimisation des composants électriques de la chaîne de traction ont été étudiées, notamment les machines synchrones à aimants permanents et les onduleurs de tension associés, ainsi que le train Ravigneaux. En ce qui concerne la conception, un modèle analytique a été créé et qui permet de répondre au cahier des charges simultanément. Les différentes contraintes multiphysiques ont été prises en compte dans le modèle analytique. Ensuite, un modèle numérique via la méthode élément fini a été mise en œuvre. Le modèle numérique nous a permis de valider les performances de la machine électrique. En ce qui concerne l'optimisation, une stratégie de l'optimisation globale a été étudiée. Un exemple d'optimisation a été basé sur un système composé par deux machines électriques et deux onduleurs associés, ainsi que le train Ravigneaux. La comparaison basée sur cet exemple pour l'optimisation locale et globale nous a permis de valider l'avantage de la stratégie de l'optimisation globale. L'expérimentation a été réalisée sur un banc d'essais qui est constitué par la machine prototype et la machine de charge, les deux machines électriques ont été alimentées et pilotées par deux variateurs de fréquence. Les résultats expérimentaux nous ont permis de valider les modèles théoriques.

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.