Dans un contexte ou la question de la préservation de l'environnement est devenue un sujet sociétal majeur, la recherche de nouvelles technologies pour remplacer la voiture à essence constitue un véritable enjeu industriel. Les véhicules hybrides et électriques sont une alternative prometteuse aux véhicules conventionnels. Ce travail de thèse porte sur la conception et l'optimisation des machines électriques pour la motorisation de ces voitures.Au cours de ces travaux, nous avons développé une nouvelle méthodologie de dimensionnement et d'optimisation des machines synchrones à double excitation. L'intérêt de cette méthode est son bon compromis entre la précision et le temps de calcul et sa capacité d'adaptation à plusieurs types de machines. Le second volet de la thèse est consacré à la proposition d'une nouvelle structure de machine synchrone à rotor bobiné. Une technique originale de compensation de la réaction magnétique d'induit est mise en place, elle consiste en l'insertion d'aimants secondaires permettant de créer un flux dans l'axe q de la machine. Ce dernier a pour rôle d'affaiblir le flux de la réaction magnétique d'induit. / In a context where the question of the environmental protection has become a major social problem, research new technologies to replace the gasoline car is a real industrial challenge. The hybrid and electric vehicles are a promising alternative to conventional vehicles. This thesis focuses on the design and optimization of electrical machines for electric and hybrid cars.In this work, we developed a new methodology for design and optimization of hybrid excitation synchronous machines. The advantage of this method is its good compromise between accuracy and computation time and its ability to be adapted to a wide range of machines. The second part of this thesis is devoted to the development of a new structure of a wound rotor synchronous machine. A novel technique for compensating the armature reaction of this machine is introduced, it involves the insertion of secondary magnets to produce a quadratic axis flux (q-axis), this latter has the function of weakening the armature reaction flux.

Dans un cadre de modélisation des machines électriques, la méthode qui connaît une grande popularité, car réputée pour la qualité de ses résultats est la méthode des éléments finis. Cependant, les temps de calcul deviennent importants lorsque les modèles éléments finis sont associés à une démarche d’optimisation et de prédimensionnement dans le cadre d’un cahier des charges complexe. Les méthodes de modélisation bien souvent utilisées comme alternative aux éléments finis sont les approches de modélisation par constantes localisées. Ces dernières se prêtent bien aux différentes physiques impliquées dans le fonctionnement des machines électriques, i.e. électromagnétique, mécanique et thermique. Ainsi, les stratégies de conception optimisée d’une machine électrique utilisent ces modèles pour déterminer les propriétés et performances de cette dernière dans différentes conditions de fonctionnement. Cependant, la mise en place de ce type de modèles nécessite un temps de développement important par manque d’outils dédiés tels que ceux existants pour les éléments finis. Dans le contexte électromagnétique, les travaux de cette thèse présentent une contribution à l’approche de modélisation par réseaux de réluctances par le développement d’outils permettant leurs générations automatiques. Cette approche est intégrée dans un outil permettant le traitement automatisé d'une géométrie, fournissant un modèle précis dans un délai plus court que celui nécessaire à la construction d'un modèle dédié. L’outil, intégralement développé sur MATLAB®, a été appelé MRNsoftware (pour Mesh-based Reluctance Network Software). Ce mémoire s’organise en quatre parties. Le premier chapitre est consacré à un état de l’art détaillé sur les méthodes de modélisation par réseaux de réluctances. Dans la deuxième partie, nous abordons les méthodologies mises en place en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des blocs élémentaires bidirectionnels et dans le cadre d’un maillage conforme. Le maillage non conforme fera l’objet du troisième chapitre. Une interpolation des potentiels se révélera utile pour connecter les différentes branches des interfaces de non-conformité dans le maillage de l’espace d’étude. Différents découpages d’une même structure sont testés et la précision ainsi que le temps d’évaluation des modèles en réseaux de réluctances sont comparés aux modèles de référence réalisés par éléments finis. Le quatrième chapitre présente en premier lieu l’interface graphique de l’outil. Par la suite, les approches de modélisation développées seront utilisées pour réaliser les modèles de la machine linéaire à aimants permanents et la machine linéaire à commutation de flux à excitation bobinée. Ces approches de modélisation sont le fruit de la collaboration entre les laboratoires SATIE et GREAH et s’inscrivent dans la problématique générale de développement d’outils de modélisation multiphysiques de dispositifs électromagnétiques en vue de leurs dimensionnements optimisés. / In the field of electrical machine modeling, the method that is experiencing great popularity as renowned for the quality of its results is the finite element method. However, computation time becomes important when the finite element models are associated with an optimization and predesign process as part of a complex technical specification sheet. The alternate modeling solution is the lumped parameter models approach. The latter is well suited for the individual physical domains involved in the operation of electrical machines, namely electromagnetic, mechanical and thermal. The latter is well suited for the individual physical domains involved in the operation of electrical machines, namely electromagnetic, mechanical and thermal. Thus, electric machine design routines have been used to determine the properties and performance of the latter under different operating conditions. However, the implementation of these modeling approaches requires significant development time for lack of dedicated tools such as those existing for the finite element method. In the electromagnetic context, the work of this thesis presents a contribution to the reluctance network modeling approach by developing tools allowing their automatic generation. This approach is integrated into a software tool allowing the automated processing of a geometry, providing a precise model in a shorter time than that required for the construction of a dedicated model. The tool, fully developed on MATLAB®, has been called MRNsoftware (for Mesh-based Reluctance Network Software). This dissertation contains four chapters. The first chapter is devoted to a detailed state of the art on reluctance network modeling methods. In the second chapter, we discuss the methodologies implemented based on a conformal mesh of the study space by bidirectional elementary blocks. The non-conformal mesh will be the subject of the third chapter. Magnetic scalar potential interpolation will prove useful to connect the different branches of the block elements at the edge of the non-conformal interfaces. Different mesh patterns of the same structure are tested and the accuracy as well as the evaluation time of the reluctance network models are compared with the finite element reference models. The fourth chapter presents, at first, the graphical interface of the tool. Subsequently, the developed modeling techniques are used to realize the models of the permanent magnet linear machine and the linear wound excitation linear machine. These modeling approaches are the result of the cooperation between SATIE and GREAH laboratories and are part of the general endeavor of developing multiphysics modeling tools for the optimal sizing of electromagnetic devices.

Les stratégies de commande avancée des machines électriques nécessitent une connaissance précise de la position et/ou de la vitesse du rotor. Ces grandeurs mécaniques sont traditionnellement mesurées par des capteurs, ce qui augmente le coût et diminue la fiabilité et la robustesse du système. D’où l’importance de la commande sans capteurs mécaniques, dite commande sensorless : elle consiste à remplacer les capteurs physiques par un observateur d’état, qui estime les grandeurs mécaniques en se basant sur un modèle de la machine et à partir de ses entrées (tensions) et ses sorties (courants mesurés). Toutefois, avant d’entamer la synthèse d’un observateur, il faut examiner l’observabilité du système, c.à.d. vérifier si les grandeurs à estimer peuvent être reconstruites à partir des mesures et des entrées du système.Ce travail de thèse concerne la modélisation et l’étude d’observabilité des machines électriques en vue de la commande sensorless. Dans un premier temps, les modèles des machines électriques sont établis, et il est montré qu’une modélisation unifiée des machines à courant alternatif est possible. Ensuite, en se basant sur ces modèles, l’observabilité des machines électriques est étudiée en vue de la commande sensorless. La théorie d’observabilité instantanée locale est appliquée, ce qui permet de formuler des conditions analytiques, faciles à interpréter et à vérifier en temps-réel, et qui font le lien avec les phénomènes physiques dans les machines. La validité des conditions d’observabilité est confirmée par des simulations et sur des données expérimentales, en appliquant un observateur de type Kalman étendu.Cette thèse contribue à une nouvelle vision des machines à courant alternatif commandées sans capteurs mécaniques, et à une compréhension plus profonde de leurs propriétés. Elle contribue ainsi à la synthèse de stratégies d’observation plus performantes dans les régimes de fonctionnement critiques (à vitesse nulle et/ou à fréquence d’entrée nulle).Les nouveaux concepts proposés dans cette thèse, tels que le flux équivalent et le vecteur d’observabilité, avec les résultats obtenus, ouvrent de nouveaux horizons dans un domaine qui paraît devenir assez mature. / High-performance control of electric drives requires an accurate knowledge of the rotor position and/or speed. These mechanical variables are traditionally measured using sensors, which increases the cost and reduces both the robustness and the reliability of the system. This emphasizes the importance of electric drives control without shaft sensors, often referred to as sensorless control : it consists of replacing sensors with a state observer algorithm, that estimates the desired mechanical variables from currents and voltages sensing and based on the system’s model. Nevertheless, before designing a state observer, the observability ofthe system should be examined, that is, it should be checked whether the states to be estimated can be reconstructed, unambiguously, from the input/output signalsof the system.This work addresses the modeling and the observability analysis of electric drives in the view of mechanical sensors removal. Firstly, electrical machines models areelaborated, and it is shown that a unified modeling of alternating current machines is feasible, for the purpose of designing unified control and estimation strategies.The observability of the machines’ models is next studied in the view of sensorless control. The local instantaneous observability theory is applied, which enables us to formulate physically insightful analytic conditions that can be easily interpreted and tested in real time. The validity of the observability conditions is confirmed by numerical simulations and experimental data, using an extended Kalman observer.This work contributes to novel outlooks on the sensorless alternating current drives and to a deeper understanding of its properties, in order to develop higher performance estimation techniques in the critical operating conditions (mainly at standstill and/or zero-stator-frequency).The concepts introduced throughout this thesis, such as the equivalent flux and the observability vector, with the obtained results, open new horizons in a domainthat seems to become mature enough.

Les phénomènes physiques complexes peuvent être simulés numériquement par des techniques mathématiques basées souvent sur la discrétisation des équations aux dérivées partielles régissant ces phénomènes. Ces simulations peuvent mener ainsi à la résolution de très grands systèmes. La parallélisation des codes de simulation numérique, c'est-à-dire leur adaptation aux architectures des calculateurs parallèles, est alors une nécessité pour parvenir à faire ces simulations en des temps non-exorbitants. Le parallélisme s'est imposé au niveau des architectures de processeurs et les cartes graphiques sont maintenant utilisées pour des fins de calcul généraliste, aussi appelé "General-Purpose computation on Graphics Processing Unit (GPGPU)", avec comme avantage évident l'excellent rapport performance/prix. Cette thèse se place dans le domaine de la conception de ces applications hautes-performances pour la simulation des machines électriques. Nous fournissons une méthodologie basée sur l'Ingénierie Dirigées par les Modèles (IDM) qui permet de modéliser une application et l'architecture sur laquelle l'exécuter afin de générer un code OpenCL. Notre objectif est d'aider les spécialistes en algorithmes de simulations numériques à créer un code efficace qui tourne sur les architectures GPGPU. Pour cela, une chaine de compilation de modèles qui prend en compte les plusieurs aspects du modèle de programmation OpenCL est fournie. De plus, pour rendre le code raisonnablement efficace par rapport à un code développé à la main, nous fournissons des transformations de modèles qui regardent des niveaux d'optimisations basées sur les caractéristiques de l'architecture (niveau de mémoire par exemple). Comme validation expérimentale, la méthodologie est appliquée à la création d'une application qui résout un système linéaire issu de la Méthode des Éléments Finis pour la simulation de machines électriques. Dans ce cas nous montrons, entre autres, la capacité de la méthodologie de passer à l'échelle par une simple modification de la multiplicité des unités GPU disponibles.

Les machines électriques jouent un rôle très important dans la conversion d'énergie dans plusieurs applications et domaines. Les contraintes thermiques jouent ainsi un rôle indispensable dans la conception des machines électriques de plus en plus petites et performantes. En effet, la performance des machines électriques est limitée par les températures maximales admissibles dans certaines zones critiques telles que le bobinage, les aimants permanents et les roulements. Deux approches principales peuvent être utilisées pour étudier le comportement thermique de la machine: la méthode nodale ou le circuit à constantes localisées ou les modèles numériques. Dans notre étude, nous proposons d'appliquer la méthode nodale sur une machine électrique intégrée dans un environnement mécatronique complexe. Le modèle thermique développé de la machine est ainsi présenté avec ses différents éléments. En effet, un modèle précis dépend fortement de plusieurs paramètres thermiques tels que les coefficients d'échange convectif, les conductances de contact, les conductivités équivalentes du bobinage, et autres paramètres. En conséquence, des techniques d'analyse de sensibilité sont ensuite appliquées sur le modèle thermique pour identifier les paramètres d'influence significative sur les températures de la machine ainsi que pour la réduction de ce modèle. Ensuite, nous appliquons deux méthodologies d'identification des paramètres thermiques incertains sont développées et appliquées afin de recaler le modèle thermique de la machine. Cette étape permet la validation de ce modèle par rapport à des mesures thermiques sur une machine synchrone à aimants permanents internes installée sur un banc de caractérisation de machine électriques. Finalement, nous intégrons le modèle recalé dans une approche système mécatronique comportant les lois de commande de la machine ainsi que son convertisseur. Ceci permettra ainsi d'étudier l'influence de la température d'une machine électrique sur le système mécatronique complet. / Electric machines play an important role in power conversion in several applications and fields. With the increasing demand for designing lighter and more efficient machines and optimizing the existing structures, thermal analysis becomes a necessary; in fact, the performance of electric machines islimited by the allowable temperatures in many critical components like windings, permanent magnetsand bearings. Two main approaches can be employed in order to study the machine thermal behavior : the lumped parameter thermal network (LPTN) or numerical models. Considering low-computationtime-consuming and the possibility to be integrated in a mechatronics system design, the LPTN method is considered in our study. The latter is mainly applied on electric machine integrated in a complex mechatronics environment. The thermal network is presented along with the definition of the principal elements constituting this network. In fact, an accurate and reliable network strongly depends on many critical parameters like heat transfer coefficients, interface gaps, impregnation goodness, among others. For this reason, different sensitivity analysis techniques are carried out in order to, first, identify the significance of uncertainties in the evaluation of these parameters on machine temperatures and second, to reduce the thermal network. Next, we propose two optimization algorithm-based identification methodologies in order to calibrate results of the thermal network with measured temperatures obtained from a test-bench of a permanent magnet based integrated starter-generator machine. The calibrated model is then integrated in a mechatronics system consisting of an electric model of the electric machine, along with its control strategy and the power converter. This final study allows us to evaluate the impact of the machine temperature rise on the mechatronic system.