Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) avec pour application le véhicule électrique. Dans une première partie, nous avons abordé du contexte de l'étude et de la problématique du dimensionnement. A l'occasion, nous avons montré qu'il est nécessaire d'adopter une méthodologie de design appropriée en fonction de l'avancement de chaque projet dans le cadre du processus de conception. Nous avons alors proposé différents niveaux de modélisation afin de repérer la machine optimale face au cahier des charges pour ensuite la caractériser plus finement et l'optimiser. La seconde partie du rapport traite donc de la modélisation et de l'optimisation de la MSAP. En premier lieu, un modèle analytique permet d'évaluer les performances globales des centaines de machines très rapidement. Ce premier calcul permet de sélectionner les meilleures machines à l'application pour ensuite les optimiser. Puis, le second niveau de modélisation se base sur les réseaux de réluctances. Ce niveau plus fin permet d'une part de retrouver les performances affinées des MSAP et également de procéder à l'optimisation. Enfin, la dernière partie du rapport est consacrée à l'optimisation de la MSAP en vue d'améliorer grandement les performances et de satisfaire au mieux au cahier des charges. / The works of this thesis concern the design methodology of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) for an electric vehicle application. The first part of this report introduces the context of the study and the problem of design. Then, we have shown that it is necessary to adopt an appropriate design methodology based on the progress of each project in the design process. Thus, we proposed different levels of modeling to identify the optimal machine against the specifications, and then characterize it more finely and optimize. The second part of the report deals with the modeling and optimization of the PMSM. First, an analytical model is employed to evaluate the overall performance of hundreds of machines very quickly. The first calculation is used to select the best machine for the application and then optimize them. Then, the second level of modeling is based on reluctance networks. This model allows finer resolution of the PMSM and also permits to perform optimization. The last part of the report is devoted to the optimization of the PMSM in order to greatly improve performances and meet the specifications.

Ce travail de thèse a pour objectifs l'observation et la commande des convertisseurs multi-niveaux et la commande des machines synchrones. Pour satisfaire le besoin des clients de l’entreprise GS Maintenance et pour des raisons de maintenance, une commande en courant de la machine synchrone est implémentée expérimentalement. L'accent est mis sur le démarrage de ce type de machines car durant ces phases de fonctionnement (basses vitesses), les forces électromotrices sont faibles pour assurer la commutation des thyristors de l'onduleur. Ensuite, l'entreprise a proposé à ses clients un convertisseur statique en moyenne tension afin de garder sa place dans la variation de vitesse. Dans ce cadre, une commande en tension moderne de la machine synchrone alimentée par un onduleur de tension est proposée et validée par des résultats de simulation. Compte tenu du fonctionnement en moyenne tension, les convertisseurs multi-niveaux ont été retenus par l’entreprise. Dans ce cadre, le convertisseur multicellulaire série est proposé dans ce travail et une commande directe basée sur la théorie des modes glissants et le principe de priorité est conçue pour assurer l'équilibrage des tensions flottantes du convertisseur. Cette commande a été généralisée pour un nombre quelconque de cellules du convertisseur et validée par des résultats de simulation pour un nombre de cellules égal à 7. Pour réduire le coût et l'encombrement du convertisseur, un observateur adaptatif des tensions flottantes est proposé en prenant en compte les états de commutation du convertisseur. Cet observateur est ensuite associé à la commande directe en boucle fermée. Un banc d'essai du convertisseur à 3 cellules est réalisé au sein de l’entreprise et l’ensemble « observateur + commande directe » est testé expérimentalement sur ce banc. / This PhD thesis aims to the observation and control of multilevel converters and the synchronous machines control. To satisfy the needs of GS Maintenance's customers and for maintenance reasons, a control strategy for a current fed self controlled synchronous machine is validated by experiments tests. The proposed strategy focus on a very low speed because the machine counter electromotive force is insufficient for inverter thyristors switching. Recently, the company proposed for its customers a power converter with medium voltage to keep its place in the speed variation. So, a modern voltage control of the synchronous machine fed by a voltage inverter is proposed and validated by simulation results. Medium voltage operation encouraged the company to choose the multi-level converter. Then, the flying capacitor converter is proposed in this work and a direct control based on the sliding mode theory and the priority principle is designed to guarantee the voltage balance. This control strategy has been generalized for any number of cells of the converter and validated by simulation results for a 7 cells converter. To reduce the cost and complexity of the converter, an adaptive observer floating voltages is proposed by taking into account the switching states of the converter. This observer is then associated with the direct control in closed loop. A test bench of a 3 cells converter is set up in the company. Experimental tests of « observer based direct control » are then conducted on this test bench.

Aujourd'hui, l'électrification des véhicules constitue une des solutions mises en œuvre par les constructeurs automobiles dans la lutte contre les émissions de gaz polluants et pour la réduction des consommations. Comme le prix des aimants terres rares a fortement augmenté ces dernières années, les moteurs électriques sans aimants permanents sont attractifs, comme les moteurs asynchrones, synchrones à rotor bobiné, à réluctance variable (double saillance ou synchrone). Dans cette thèse, les machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont étudiées et comparées pour des véhicules électriques. Ces deux machines ont un coût faible et possèdent des structures de puissance et de contrôles similaires.Des modèles analytiques non linéaires de machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont établis et validés. En outre, leurs modèles économiques et mécaniques sont également mis en œuvre. Sur la base des modèles analytiques établis, la géométrie et les paramètres de commande des machines étudiées sont dimensionnés afin de réduire les pertes énergétiques durant des cycles de conduite. Une optimisation bi-objective est proposée afin de minimiser en même temps les pertes énergétiques et le coût du moteur. Enfin, les machines optimisées sont comparées, à l’aide de Fronts de Pareto, pour évaluer leurs performances électriques, énergétiques et économiques. / Today, the concerns of the energy crisis and the reduction of gas emissions stimulate the research in several electric vehicle domains. As the cost of rare earth magnetic materials has increased significantly in recent years, electrical motors without permanent magnets draw more attention, such as induction motors, wound-synchronous motors, switched reluctance motors, and synchronous reluctant motors. In this thesis, induction and synchronous reluctant machines are chosen to be studied for the electric vehicle traction application since they are low costly and fed up with similar power electronics and control strategies.Nonlinear analytical models of induction and synchronous reluctant machines are established and validated. Besides, economical and mechanical models are developed as well. Based on established analytical models, the geometry and the control parameters of these studied machines are calculated to define the total energy losses during the driving cycle. A bi-objective optimization is carried out to minimize total energy losses and motor costs. At last, the optimized machines are compared from their electric, energetic and economic performances, with the help of the Pareto Fronts obtained.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Compacité qui vise à développer un compresseur électrique pour véhicules électriques à l’aide d’une démarche mécatronique. Dans cette thématique, le rôle du LGEP est de développer la partie électromécanique du compresseur. Cette thèse est constituée de deux parties, la première concerne la conception d’un moteur pour le compresseur et la deuxième a trait à la commande sans capteur mécanique de ce moteur. La première partie de la thèse est d'abord consacrée au dimensionnement d'une machine électrique pour un compresseur électrique. Le cahier des charges impose une machine compacte (97mm de diamètre et une profondeur inférieure à 50mm) et ayant une puissance massique élevée (6kW pour une masse de 1.8kg). Au préalable, un modèle analytique a été développé pour effectuer un dimensionnement rapide. Par la suite, la méthode des éléments finis a été appliquée à différents modèles physiques (magnétique, thermique, mécanique (résistance des matériaux et vibration)) pour une étude approfondie de la structure choisie. A l'issue de ces études, un prototype et un banc expérimental ont été réalisés. Dans un second temps, des algorithmes de commande avec ou sans capteur mécanique ont été étudiés pour le pilotage du moteur. La particularité de cette deuxième partie de thèse est la réalisation d'une commande peu gourmande en temps de calcul et implantable dans des microcontrôleurs de faibles performances. A l'issue de cette partie, une nouvelle loi de commande appelée commande passive échantillonnée ainsi qu'un observateur adaptatif étendu (observateur fondé sur l'estimation des fem) ont été développés et testés sur un banc expérimental. / This thesis is part of the project Compacite which aims to develop an electric compressor for electrical vehicles using a mechatronic approach. In this way, the LGEP contribution is to develop the electromechanical part of the compressor.The document is divided in two parts: the first one is related to the design of the motor and the second part is dedicated to the sensorless control.In the first part, the electromagnetic design is proposed to comply with the industrial constraints according to the compressor operation. The specifications require a compact motor (external diameter equal to 97 mm and an active depth less than 50 mm) and a good power/mass ratio (6 kW for a weight of 1.8 kg). At first the design is based on an analytical model in order to obtain a fast sizing. Thereafter the finite element method is used for multiphysical studies (magnetic, thermal and mechanical (in terms of strength of materials and vibration)). A prototype is built and characterized on a test bench. In the second part, some algorithmic control laws have been developed with sensor and sensorless control. In this part a particular control law (sampled data passivity based control) with a low algorithmic cost has been developed for driven the motor and has been validated on the test bench. At the end an observer based on the estimation of the electromotive force is used for sensorless control and validated on the test bench.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet Compacité qui vise à développer un compresseur électrique pour véhicules électriques à l'aide d'une démarche mécatronique. Dans cette thématique, le rôle du LGEP est de développer la partie électromécanique du compresseur. Cette thèse est constituée de deux parties, la première concerne la conception d'un moteur pour le compresseur et la deuxième a trait à la commande sans capteur mécanique de ce moteur. La première partie de la thèse est d'abord consacrée au dimensionnement d'une machine électrique pour un compresseur électrique. Le cahier des charges impose une machine compacte (97mm de diamètre et une profondeur inférieure à 50mm) et ayant une puissance massique élevée (6kW pour une masse de 1.8kg). Au préalable, un modèle analytique a été développé pour effectuer un dimensionnement rapide. Par la suite, la méthode des éléments finis a été appliquée à différents modèles physiques (magnétique, thermique, mécanique (résistance des matériaux et vibration)) pour une étude approfondie de la structure choisie. A l'issue de ces études, un prototype et un banc expérimental ont été réalisés. Dans un second temps, des algorithmes de commande avec ou sans capteur mécanique ont été étudiés pour le pilotage du moteur. La particularité de cette deuxième partie de thèse est la réalisation d'une commande peu gourmande en temps de calcul et implantable dans des microcontrôleurs de faibles performances. A l'issue de cette partie, une nouvelle loi de commande appelée commande passive échantillonnée ainsi qu'un observateur adaptatif étendu (observateur fondé sur l'estimation des fem) ont été développés et testés sur un banc expérimental.

Ce mémoire de thèse traite la problématique des émissions vibroacoustiques dès les premières phases de conception de machines électriques dans le but de mettre en œuvre des machines robustes, fiables et surtout efficientes répondant aux contraintes dans un large domaine d’applications et spécialement pour le véhicule électrique et hybride. Ce manuscrit ne s’intéresse pas seulement à l’identification et la mise en exergue de la problématique vibroacoustique mais surtout a apporté des solutions et des éléments de réponse à certaines contraintes. La problématique vibroacoustique étant trop vaste et trop complexe, ce travail de thèse se focalise sur les aspects vibroacoustiques d’origine électromagnétiques. Pour ce faire, les méthodes de réduction de bruit sont présentées mais seules les solutions de réduction passive sont évoquées. Ces solutions se basent sur le dimensionnement et la conception par optimisation de machines électriques performantes et moins bruyantes. Cela nous ramène au cœur de ce travail qui est le développement d’outils et de modèles multi-physique réunissant les critères de généricité, rapidité, précision et facilité de couplage. Dans ce cadre, plusieurs modèles électriques, magnétiques, mécaniques, thermiques, et acoustiques sont présentés. Différentes stratégies de couplages et d’approches de modélisation sont investiguées. Des conclusions sont tirées à chaque fois en fonction des besoins pour le cas d’application. / This PhD thesis deals with the issue of vibroacoustic emissions from the first design phases of electrical machines in order to have robust, reliable and above all efficient machines that meet the constraints in a wide range of applications and especially electrical vehicles. This manuscript is not only interested in the identification and highlighting the vibroacoustic problem, but above all to brought solutions and response elements to certain constraints. Knowing that the vibroacoustic problem is too vast and complex, this thesis focuses on vibroacoustic aspects of electromagnetic origin. To do so, the methods of noise reduction are presented but only the passive reduction solutions are used. These solutions are based on the design and optimization of efficient and less noisy electrical machines. This brings us back to the core of this work, which is the development of tools and multi-physics models combining the criteria of genericity, speed, accuracy and simplicity of coupling. In this context, several electric, magnetic, mechanical, thermal and acoustic models are presented. Different coupling strategies and modeling approaches are investigated. Conclusions are drawn each time according to the needs for the application use case.

Afin de rendre les machines synchrones à aimants permanents plus attractives pour l'aéronautique (actionneurs de commande de vol, systèmes de freinage, train d'atterrissage ...), il peut être intéressant de réduire le nombre de modules d'électronique de puissance utilisés en les mutualisant. De nombreuses études ont été réalisées pour des systèmes composés de plusieurs machines asynchrones et principalement en traction ferroviaire, mais peu concernent les machines synchrones. Après avoir étudié différentes structures envisageables, les travaux développés lors de cette thèse présentent une étude originale d'un système composé de deux machines synchrones à aimants permanents connectées en parallèle sur un onduleur unique mutualisé. Ces machines ont des caractéristiques identiques ou proches et doivent être pilotées à la même vitesse. La structure de commande retenue lors de cette thèse est de type maître-esclave: seule une des deux machines est autopilotée (la machine maître), l'autre (la machine esclave) fonctionnant en boucle ouverte. Afin d'assurer la stabilité d'un tel système, le synchronisme des deux moteurs doit toujours être respecté. Une stratégie de commande, qui choisit quel est le moteur maître, en prenant en compte la variation des paramètres internes et externes du système, est alors instaurée. Dans ces conditions, les évolutions théoriques des différentes variables sont déterminées. Pour valider ces résultats, un processus expérimental est mis en place. Les nombreux résultats obtenus en simulation et expérimentalement permettent alors de confirmer les résultats théoriques: que ce soient les paramètres mécaniques ou électriques qui varient, la stabilité du système est toujours garantie. Le cas supplémentaire où les deux machines déplacent une charge mécanique commune avec une liaison mécanique rigide entre les deux machines, est finalement développé. Une autre stratégie de commande, dont la structure et les résultats sont également présentés dans cette thèse, est alors nécessaire. / To make permanent magnet synchronous machines more attractive for aerospace (flight control actuators, braking systems, landing gear ...), it may be advantageous to reduce the number of power electronic modules used in the pooling. Many studies have been performed for systems composed of several machines and asynchronous traction primarily, but little concern synchronous machines. After considering various possible structures, this Ph.D. thesis presents an original study of a system consisting of two permanent magnet synchronous machines connected in parallel on a single shared inverter. These machines have characteristics identical or similar and must be driven at the same speed. The control structure chosen in this Ph.D. thesis is a master-slave : only one machine, called master machine is self-piloted, the other (the slave machine) operating in open loop. To ensure the stability of such a system, the timing of the two engines should always be respected. A control strategy, which selects which is the master motor, taking into account the variation of internal and external parameters of the system is then introduced. Under these conditions, the theoretical developments of the different variables are determined. To validate these results, an experimental process is established. The numerous results obtained in simulation and experiments are then used to confirm the theoretical results : whatever the mechanical or electrical parameters variation, system stability is always guaranteed. The additional case, when both machines move a mechanical load with a common rigid mechanical connection between two machines, is finally developed. Another required control strategy, the structure and the results are also presented in this Ph.D. thesis.

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. / A new powertrain for a hybrid electric vehicle of heavy duty was developed in this research work. In this case, the design and the optimization of electrical components of powertrain have been investigated involving the permanent magnet synchronous machines, the associated inverters and the Ravigneaux train. Regarding the design, an analytical model was created and that permits simultaneously answering to specification. The various multiphysic constraints have been taken into account in analytical model. And then the numerical model was carried out via finite element method has been implemented. The numerical model allowed us to valid electrical machine performances. Regarding the optimization, a global optimization strategy was investigated. An optimization example was based on a system which was composed of two electrical machines, two associated inverters and the Ravigneaux train; The comparison based on this example between the local optimization and the global optimization, which allowed us to valid the advantage of global optimization strategy. The experimentation has been performed with a test bench involving the prototype machine and the load machine, the two electrical machines were fed and controlled by two frequency drives. The experimental results permit to valid the theoretical models.

Le développement des véhicules hybrides et électriques s’est intensifié ces dernières années, face aux problématiques environnementales et économiques. Afin que les performances de ces derniers soient comparables à celle d’un véhicule à moteur thermique, de nombreuses avancées technologiques sont indispensables. Le déploiement de véhicule entièrement à traction électrique, ne serait être réalisable, sans des infrastructures de recharge adaptées. Cette thèse constitue une contribution à l’étude d’un chargeur de batteries intégré au véhicule électrique, dans le cadre du projet SOFRACI.L'architecture de ce chargeur entièrement réversible sert également pour la traction du véhicule. L’utilisation de tous les éléments y compris le moteur de traction pour les deux fonctions, réduit l’encombrement et le coût de la structure. L’objectif principal consiste à modéliser le système de conversion alternatif-continu du chargeur et à établir les lois de commandes.Lors de la première phase de l’étude, une attention particulière a été portée à l’utilisation des enroulements de la machine en tant qu’inductance de filtrage du convertisseur. Un modèle correspondant à ce fonctionnement a été obtenu et a permis de mettre en évidence un couplage magnétique existant entre les diverses phases.En s’appuyant sur les modèles obtenues, la seconde étape a consisté à définir les stratégies de commande. Deux méthodes ont été employées. La première, par le biais d’une transformation a permis de se ramener dans un repère, où la majorité des termes de couplage ont été éliminés. Pour l’autre méthode, tous les éléments du couplage ont été considérés. Pour chacune de ces stratégies, des correcteurs PI et RST fondés sur le placement de pôles robustes ont été dimensionnés pour garantir la stabilité du système.Une part importante du travail a été consacrée à la réalisation d’un banc d’essai expérimental reconstituant la conversion alternative-continue. Compte tenu des différences de dynamiques des grandeurs asservies, une carte FPGA et un processeur ont été utilisés. L’exploitation de ce moyen d’essai a permis de comparer et de valider les lois de commande développées. / Environmental constraints and reduction of fossil fuels resources have led industrials and laboratories to search for alternative solutions in the transportation domain. For the last few years, several vehicles or planes functions have been gradually electrified, up to their complete electrification. This thesis presents an AC/DC converter integrated in an Electric Vehicle (EV) for the charger application. The conversion is realized by using the electric traction powertrain, in order to reduce the global cost and increase compactness where a specific motor has been design.During the first phase of the study, a model of the motor used as filtering inductances has been obtained and allowed to highlight an existing magnetic coupling between the motor’s phases.The second step was to define control strategies. Two methods were used. The first one, by a transformation allowed eliminating the majority of the coupling term. In the other method, all coupling elements have been considered. For each strategies, IP and RST controllers based on robust pole placement were designed to ensure system stability.An important part of the work was devoted to the realization of an experimental test bench for AC-DC conversion. A FPGA and a processor were used for control implementation. The control laws has been compared and validated thanks to the experimental platform.

La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l’étude approfondie d’une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d’un véhicule électrique. Il s’agit d’un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes.Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l’architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire.Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l’assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d’alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l’optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d’une part et les défaillances accidentelles d’autre part.Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d’impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu’en cas de défaillance d’un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L’architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d’en améliorer le rendement sur cycle. / This Ph.D. thesis focuses on a novel combination of a frequency converter and an electric machine specially dedicated to traction drive and battery recharging modes of an electric vehicle (EV). This power architecture is composed of a six legs voltage inverter connected to a three-phase open-end winding machine. Chapter II details a quantitative comparison between two industrial power architectures and concludes that the SOFRACI powertrain is a competitive solution in terms of power converter efficiency, drive mechanical performances, and required silicon area.This architecture offers the attractive possibility of combining three important functions: traction and braking, battery charging and connecting the energy storage to a smart grid. In addition, this topology offers several advantages such as various motor feeding possibilities and a high degree of reconfiguration in degraded operating mode. The third and fourth chapters of this thesis concern the optimization of control strategies with regard to two types of faults: firstly the inherent imperfections in the converter itself (non modeled non-linearity and ineffective synchronization of control values) and secondly accidental failures. In the first case, an analysis of the pulse width modulation (PWM) methods enables the creation of a PWM strategy with a very low sensitivity to PWM uncertainties and the non-linear behavior of the power converter.In the second case, in the event of a faulty semiconductor device, it is shown that a hardware reconfiguration is required to enable an emergency traction mode. The sustainability of the traction mode is then examined with respect to the control strategy. This analysis leads to an innovative control structure based on basic and easy to implement solutions. Finally, the degraded mode operation principles have been extended to normal mode operation for the purpose of enhancing the cycle efficiency.