Les travaux de cette thèse portent sur l'optimisation de gammes dans la conception des machines synchrones à concentration de flux. Dans un premier temps, un modèle de dimensionnement multi physique dédié à l'optimisation a été développé pour chaque machine retenue pour cette étude. Un modèle analytique pour la structure à bobinage reparti et un modèle semi-analytique à base de réseaux de réluctances pour la machine à bobinage sur dents. Dans un second temps, nous avons validé nos modèles par comparaison avec des essais expérimentaux. L'aspect gamme de notre étude nous a contraints à faire cette validation sur différentes machines et pour différents points de fonctionnement. Une première phase d'optimisation classique, réalisée grâce au couplage de nos modèles avec une méthode déterministe à base de gradient a montré la possibilité d'optimiser nos machines. Une démarche originale d'optimisation de gammes basée sur le partage des composants a été mise au point. Son application sur une série de machines a montré que la discrétisation optimale de tôles dans un diamètre donné est fonction de la vitesse des machines.

Ce travail s'intéresse à l'étude des machines synchrones à double excitation (MSDE) et au dimensionnement des machines synchrones à aimants permanents (MSAP) dans le cadre des applications de type véhicule hybride. Celle-ci se place dans le cadre général de la réduction des rejets de substances polluantes des véhicules. Le véhicule hybride, associé aux MSAP et aux MSDE constitue de ce point de vue une solution intéressante pour résoudre ces problèmes. Nous avons mis au point plusieurs modèles électromagnétiques analytiques (linéaires ou non) de MSAP basés sur la transformation de Park et sur l'utilisation de réseaux réluctants. Ceux-ci permettent de concilier précision, rapidité et simplicité. Nous avons dimensionné et réalisé une MSDE au laboratoire SATIE répondant à un cahier des charges de véhicule hybride fourni par le groupe PSA. Celle-ci a pu répondre aux contraintes des spécifications à la fois en terme d'encombrement et de performances.

L'objet de ce travail est la validation expérimentale de modèles numériques de turboalternateurs par éléments finis bidimensionnels et tridimensionnels. Cette validation concerne des régimes permanents et des régimes transitoires, tels que des courts-circuits triphasés à vide et des faux-couplages sur le réseau à 180° et à 120°. Un alternateur et son banc d'essai ont été construits. En parallèle, des modèles numériques 2D et 3D de la partie droite et des extrémités de l'alternateur d'essai ont été conçus. La comparaison des résultats obtenus par simulation numérique 2D et par calcul analytique, avec les résultats des essais de courts-circuits triphasés et de faux-couplages sur le réseau a confirmé la validité du calcul par éléments finis 2D pour l'étude des régimes transitoires des alternateurs. Par ailleurs, des relevés d'induction effectués aux extrémités de l'alternateur d'essai ont été analysés et comparés aux calculs par éléments finis 3D. Le modèle numérique 3D donne satisfaction pour les régimes permanents à vide. En outre, les limitations actuelles du calcul 3D sont apparues pour les simulations des régimes transitoires. Enfin, les résultats des essais de faux-couplages de l'alternateur sur le réseau sont présentés et analysés.

Les travaux de cette thèse portent sur l'optimisation de gammes dans laconception des machines synchrones à concentration de flux. Dans un premier temps, unmodèle de dimensionnement multi physique dédié à l'optimisation a été développé pourchaque machine retenue pour cette étude. Un modèle analytique pour la structure à bobinagereparti et un modèle semi-analytique à base de réseaux de réluctances pour la machineà bobinage sur dents. Dans un second temps, nous avons validé nos modèles par comparaisonavec des essais expérimentaux. L'aspect gamme de notre étude nous a contraints à fairecette validation sur différentes machines et pour différents points de fonctionnement. Unepremière phase d'optimisation classique, réalisée grâce au couplage de nos modèles avec uneméthode déterministe à base de gradient a montré la possibilité d'optimiser nos machines.Une démarche originale d'optimisation de gammes basée sur le partage des composants aété mise au point. Son application sur une série de machines a montré que la discrétisationoptimale de tôles dans un diamètre donné est fonction de la vitesse des machines.

Ce travail de recherche présente la mise au point d’une méthodologie de conception par optimisation globale des machines synchrones sans encoches à aimants permanents à haute vitesse utilisant des matériaux magnétiques composites doux (SMC) au stator et des frettes au rotor éventuellement conductrices. Cette méthodologie tient compte des différentes contraintes imposées par la haute vitesse, notamment les courants de Foucault induits dans les pièces massives, les pertes, l’alimentation en commutation électronique et les efforts mécaniques sur le rotor. Un outil de dimensionnement générique est développé pour différentes structures de machines sans encoches fonctionnant en moteur ou en générateur et alimentées par divers types de convertisseurs statiques à commutation de tension ou de courant. Il utilise un modèle de dimensionnement analytique basé sur la prédiction du champ magnétique 2D par une résolution harmonique des équations de Maxwell en magnétodynamique en tenant compte des courants de Foucault induits dans les parties conductrices. Ce modèle intègre un modèle électrique équivalent global de l’ensemble convertisseur-machine et un modèle détaillé de calcul des pertes validés par un calcul numérique du champ en 2D. Une validation expérimentale des pertes magnétiques dans le stator en SMC est effectuée. Le modèle de dimensionnement est associé à une procédure d’optimisation et à un mécanisme de correction itératif, basé sur le calcul numérique du champ en 3D, pour tenir compte des effets de bord sur les pertes par courants de Foucault dans le stator. Lorsque la machine est couplée à un convertisseur à commutation de courant, un autre mécanisme de correction, permettant la résolution du couplage fort entre la machine et son convertisseur, est utilisé. Les différents outils de modélisation et de conception réalisés sont utilisés pour dimensionner et comparer plusieurs topologies de machines sans encoches pour des cahiers des charges spécifiques. Différentes études de faisabilité et de sensibilité sont aussi effectuées. / This research work presents the development of a design methodology with global optimization of high-speed permanent-magnet slotless synchronous machines using soft magnetic composite materials (SMC) in the stator and retaining sleeves in the rotor that can be conductive. This methodology takes into account the different constraints imposed by the high speed such as the eddy currents induced in the massive parts, the losses, the converter-machine interactions and the mechanical stress in rotor. A generic design tool is developed for different slotless machines structures used as motors or generators and coupled to different kind of static power converters with voltage or current commutation. It uses a design model based on analytical prediction of the two-dimensional magnetic field by a harmonic resolution of Maxwell equations taking into account the eddy currents induced in the conductive parts. This model includes an equivalent electric model of the converter-machine system and a detailed losses calculation model validated by 2D finite element analysis. Experimental validation of magnetic losses in the SMC stator is also performed. The design model is associated to an optimization procedure and an iterative correction mechanism performed by 3D finite element simulations to take into account the influence of end-effects on the SMC stator eddy current losses. When the machine is coupled to a current static converter, another correction mechanism is used in order to resolve the strong coupling between the machine and its converter. The developed modeling and design tools are used to design and compare different slotless machines topologies for specific requirements. Various feasibility and sensitivity studies are also performed.

Cette thèse s’inscrit dans une thématique de recherche prioritaire développée par le laboratoire GREAH et portant sur l’optimisation de l'efficacité énergétique des systèmes de gestion et de production de l’énergie électrique. Dans ce cadre, les performances de convertisseurs d’énergie (machines électriques pour la conversion de l'énergie électromécanique) ont un impact déterminant sur l'efficacité énergétique de la conversion et sur la qualité de gestion de l'énergie électrique en termes de rendement, de maximisation de la puissance massique, de réduction des émissions, de réduction des coûts, ce qui nécessite, par conséquent, un effort particulier de conception et de dimensionnement. L’objectif principal de cette thèse vise à développer un modèle léger permettant d’exploiter assez rapidement l’espace des solutions potentiellement optimales dans la première phase de la conception des machines synchrones à aimants permanents. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse portent sur la modélisation électromagnétique pour le pré-dimensionnement et la conception des machines synchrones à aimants permanents intégrées dans l’éolien de fort puissance. Dans ce manuscrit, deux approches de modélisation des machines électriques ont été proposées. La modélisation par réseau de réluctances présentée consiste à découper le domaine d’étude en un certain nombre d’éléments volumiques dont chacun est décomposé en tubes de flux. La modélisation analytique hybride proposée est basée sur un couplage fort entre un réseau de réluctances généré à partir d’un maillage du domaine d’étude et une solution formelle des équations de Maxwell dans les régions de faible perméabilité (entrefer magnétique). Les résultats obtenus à partir de ces modèles sont validés par les résultats correspondants issus de la méthode des éléments finis. Pour montrer le gain obtenu en temps de calcul, les temps d’exécutions des codes de calcul sont comparés aux temps mis par le logiciel Flux. / This subject of the thesis is part of a priority research theme developed by the GREAH laboratory on the optimization of the energy efficiency of electrical energy management and production systems. In this context, the performance of energy converters (electrical machines for the conversion of electromechanical energy) have a decisive impact on the energy efficiency of the conversion and on the quality of electrical energy management in terms of efficiency, reduction of emissions, reduction of costs, which therefore requires a special effort to design. The main objective of this thesis is to develop a light model allowing to exploit fairly quickly the space of potentially optimal solutions in the first phase of machine design. The work presented in this thesis focuses on electromagnetic modeling for the pre-design of permanent magnets synchronous machines integrated into high power wind turbines. In this manuscript, two modeling approaches of electric machines have been proposed. The presented reluctance network modeling is generated from the mesh of studied domain as the finite element method. Reluctance elements are used for the mesh. The proposed hybrid analytical modeling is based on a strong coupling between a reluctances network generated from a mesh of the study domain and analytical models based on the formal solution of Maxwell’s equations in regions of low permeability (magnetic gap). This approach can help solve the problem of air-gap modeling in MEC method, and the consideration of the local magnetic saturation in modeling approaches involving analytical technique. The results obtained from these models are validated by the corresponding results from the finite element method and very good has been observed. To indicate the gain obtained in time, the execution times of the programs are compared to the times set by the Flux software.

Pour certaines applications de positionnement dans les systèmes embarqués la puissance ou les couples mis jeu en peuvent être faibles. Les actionneurs utilisés pour ces applications sont équipés de machines pas à pas telles que les machines réluctance variable excitées ou non, ou encore des machines synchrones à aimants permanents. En aéronautique, ces actionneurs doivent être les plus compacts possibles et la continuité de service est exigée. La redondance partielle ou totale de l'actionneur est solution permettant d'assurer la continuité de service. Nous avons étudiés plusieurs structures de machines notamment les machines à deux voies d'enroulement pour leurs compacité telles les machines à reluctance variable à excitation homopolaire (MRVH-2C) et les machines synchrones à aimants permanent (MSAP-DE). Dans le but faciliter ou motiver le choix de l'une ou l'autre des structures, nous avons développé des modèles de machines capables de fournir des informations sur les grandeurs mesurables ou non, et sur le comportement des actionneurs. Ainsi à partir d'un calcul éléments finis 2D nous avons mis au point plusieurs modèles couplés EF 2D réseau de perméances de la MRVH-2C qui tiennent compte de l'état de saturation magnétique et du caractère tridimensionnel de cette machine. Ceux-ci ont été utilisés pour simuler le comportement de l'actionneur dans différents situations. Toujours pour une application de positionnement à faibles puissance et basse vitesse, nous avons dimensionné, modélisé et simulé une MSAP-DE commandée en boucle fermée et qui, de façon intrinsèque tolère le défaut de court-circuit triphasé grâce à sa résistance de phase qui est élevée / For certain applications of positioning in embedded systems power or torque needed can be low. Actuators used for these applications can be equipped with stepper machinery such as variable reluctance machines excited (or not) or permanent magnets synchronous machine. In aeronautic these actuators should be as compact as possible and continuity of service is required. Partial or total redundancy of the actuator can ensure the continuity of service. We have studied various structures of machines particularly double channel machines for their compactness such as two channels hybrid variable reluctance machines (2C-HVRM) and double channel permanent magnets synchronous machines (DC-PMSM). In the aim of facilitating or of justifying the choice of one or the other of these structures, we have developed models of able to provide information on measurable (or non measurable) features, and the behavior of the actuators. So from a 2D finite element calculation we have developed several coupled 2D FE permeances network models of a 2C-HVRM tacking account of the magnetic saturation state of this machine and its three-dimensional character. These models were used to simulate the behavior of the actuator in different situations. Always for positioning application with low power and low speed, we sized, modeled and simulated a DC-PMSM close loop controlled. That machine is intrinsically tolerant to phase short-circuit fault, thanks to its high phase resistance

Les activités du Laboratoire de recherche en Électronique, Électrotechnique et Systèmes (L2ES) sont dans le champ des transports que ce soit pour la génération d'énergie au moyen de PACs ou pour la chaîne de traction. Les travaux de recherche, dans ce dernier domaine, portent essentiellement sur les MSAPs à entraînement direct lent du type synchrone avec balais ou autopiloté à commande trapézoïdale ou sinusoïdale.<br />L'objectif consiste maintenant à orienter les recherches vers les actionneurs à vitesse élevée. Une application importante concerne l'entraînement de compresseurs pour le système PAC. Des études menées au L2ES ont montré que les turbocompresseurs constituaient une solution intéressante pour limiter la taille et la puissance absorbée.<br />Nous proposons dans cette thèse de mettre au point une méthodologie de conception de MSAPs montés en surface à vitesse élevée en vue de leur optimisation en prenant en considération les contraintes magnétiques, électriques et thermiques. Cette méthodologie prend en compte des contraintes spécifiques de la grande vitesse, et notamment les pertes électromagnétiques dans la partie tournante induites par la fréquence élevée d'alimentation. Les pertes magnétiques dans l'induit denté créées par une aimantation radiale ou parallèle des aimants permanents sont également modélisées. En effet, deux modèles analytiques complexes (magnétostatique et magnétodynamique) ont été développés pour prédire ces pertes fer significatives dans les MSAPs sans pièces polaires à inducteur intérieur ou extérieur. La méthode est générale, parce qu'elle est basée sur le calcul de champ électromagnétique bidimensionnel (2D) en coordonnées polaires (résolution des équations de Laplace/Poisson/Diffusion). L'analyse prend en compte les notions de courbures, les harmoniques de temps et d'espace de la répartition des courants de l'induit produite par un bobinage quelconque, l'effet du champ de réaction d'induit par courant de Foucault, et enfin différentes configurations de bobinages statoriques ("généralisation" des bobinages) ainsi que deux types d'aimantation (radiale et parallèle). L'hypothèse principale consiste dans le fait que l'on néglige la variation de perméance due au stator denté. Les contraintes mécaniques ont été traitées en liaison avec le mécanicien de la société NOVELTE Système de Belfort (90).<br />La MSAP réalisée tourne à 10 000 tr/min avec un résolveur analogique "sin-cos" à aimants permanents constitué de capteurs à effet Hall. Le moteur construit servira de base de validation dans la zone de vitesse concernée (i.e., de 0 à 10 000 tr/min).

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.

Les travaux de cette thèse portent sur l’optimisation de gammes dans laconception des machines synchrones à concentration de flux. Dans un premier temps, unmodèle de dimensionnement multi physique dédié à l’optimisation a été développé pourchaque machine retenue pour cette étude. Un modèle analytique pour la structure à bobinagereparti et un modèle semi-analytique à base de réseaux de réluctances pour la machineà bobinage sur dents. Dans un second temps, nous avons validé nos modèles par comparaisonavec des essais expérimentaux. L’aspect gamme de notre étude nous a contraints à fairecette validation sur différentes machines et pour différents points de fonctionnement. Unepremière phase d’optimisation classique, réalisée grâce au couplage de nos modèles avec uneméthode déterministe à base de gradient a montré la possibilité d’optimiser nos machines.Une démarche originale d’optimisation de gammes basée sur le partage des composants aété mise au point. Son application sur une série de machines a montré que la discrétisationoptimale de tôles dans un diamètre donné est fonction de la vitesse des machines. / The works of this thesis concern the ranges optimization for radial synchronousmachines conception. At first, a multiphysical sizing model dedicated to optimizationwas developed for every retained machine for our study. An analytical model for distributedwinding structure and a semi-analytical model with network reluctances for concetratedwinding motors. Secondly, we validated the models by comparison with the experimentalmesures. The range aspect of the study forced us to make this validation on variousmachines and for various operating points. A first phase of classic optimization, whichis realized due to the coupling of the models with a gradient based determinist methodshowed the possibility to optimize the motors. An original approach of range optimizationbased on the components sharing was developed. Its application on a series of motors showedthat, the optimal discretization of steel sheets in a given diameter is a function of themotor speed.