Ce travail porte sur la modélisation et la commande de la machine synchrone à réluctance variable, l’objectif étant de réduire les ondulations de couple. La méthodologie adoptée consiste à agir à la fois sur la structure de la machine et sur ses courants d’alimentation. Un état de l’art des techniques de réduction des ondulations de couple dans les machines électriques est d’abord dressé. Un modèle électromagnétique qui tient compte des harmoniques d’espace, basé sur l’approche par les fonctions de bobinage, est ensuite élaboré dans le but de caractériser et de quantifier les ondulations de couple. La pertinence du modèle est faite à travers la confrontation avec des résultats obtenus par calcul de champ par éléments finis. Ce modèle est alors utilisé pour l’optimisation des paramètres géométriques de la machine. Il a conduit à la définition d’un prototype de machine optimisée au sens du maximum de couple moyen et du minimum d’ondulations de couple. La deuxième partie de ce travail porte sur la commande de la machine en vue de compenser les ondulations de couple. Pour les simulations dynamiques de la machine pilotée par un onduleur de tension à commande vectorielle, le modèle élaboré demandant des temps de calcul raisonnables est utilisé sans difficulté particulière. Deux méthodes de compensation des ondulations de couple sont ensuite proposées. La première consiste à déterminer les courants qui produisent un couple constant en optimisant un autre critère tel que les pertes Joule ou le facteur de puissance. Une méthode de calcul systématique de ces courants est élaborée en utilisant les multiplicateurs de Lagrange. La deuxième méthode consiste à estimer en temps réel le couple résistant, puis à injecter un courant supplémentaire dans la boucle de régulation du couple. Les simulations numériques des deux méthodes ont donné des résultats probants. La validation expérimentale des calculs est effectuée sur un prototype de machine que nous avons calculé et réalisé. Les résultats des calculs, comparés aux mesures effectuées, sont satisfaisants. / This work deals with the modelling and control of synchronous reluctance machine in order to attenuate the torque ripple. The adopted methodology concerns both the electromagnetic structure of the machine and its feeding currents waveshapes. Firstly, a state of the art of torque ripple minimisation techniques in electrical machines is drawn up. Then, an electromagnetic model, taking into account all the space harmonics, based on winding functions approach, is proposed in order to compute the electromagnetic torque with its whole harmonic spectrum. The results of this model are compared with finite elements analysis ones and a good agreement between them is obtained. A parametric analysis of the machine is then done with the goal of maximizing the mean torque and minimizing the torque ripple. An optimal structure is then defined. The second part of this work is interested in the control in order to compensate the torque ripple. For the dynamic simulations of the vector controlled machine, the proposed model being low time consuming, is favourably and easily used. Two methods for torque ripple compensation are then proposed. The first one consists to determine the feeding currents that produce a constant torque by optimizing another criterion such as Joule losses or power factor. A systematic method of calculation of these currents is developed using Lagrange’s multipliers. In the second method the load torque is tracked and corrected by the injection of an additional current into the torque control loop. Numerical simulations of the two methods give good results. The experimental validation of the calculation is performed on a prototype machine that we have calculated and realized. The results of the calculations are favourably compared to measurements.

Cette étude traite d’une machine doublement saillante à aimants permanents, utilisée en entraînement direct pour application hydrolienne. Dans un premier temps, différentes approches technologiques utilisées pour l’exploitation hydrolienne sont passées en revue. Ensuite, la génératrice est modélisée par approche circuit. Cette méthode permet de tenir compte de la saturation magnétique et de la variation d’entrefer, tout en offrant un compromis intéressant entre la précision des résultats et le temps de simulation. Le modèle de la DSPM est ensuite couplé avec son convertisseur. Un modèle thermique est également mis en place. Ce modèle est ensuite utilisé pour optimiser simultanément la denture de la DSPM et les paramètres de la commande afin de maximiser le couple et de réduire ses ondulations, importantes dans les machines à saillance. Les paramètres de commande sont également optimisés sur un cycle hydrolien. Le premier critère à minimiser sur cycle concerne les ondulations de couple. Les pertes Joule sont ensuite rajoutées comme second critère. Des fronts de Pareto sont alors déduits et analysés. Finalement, des essais à vide et en charge sur un prototype 2 kW, 50 tr/min ont permis de valider le modèle théorique développé. / This study deals with a doubly salient permanent magnet machine, used in direct drive for tidal application. First, different technological approaches used for tidal power generation are reviewed. Then, the generator is modelled by circuit approach. This method allows for magnetic saturation and airgap variation to be taken into account, while offering an interesting compromise between the accuracy of the results and the simulation time. The DSPM model is then coupled with its converter. A thermal model is also implemented. This model is then used to optimize simultaneously the DSPM teeth and its control parameters in order to maximize the torque and reduce its ripples which are important in salient machines. The control parameters are also optimized on a tidal cycle. The first criterion to be minimized on cycle is the torque ripples. Joule losses are added as a second criterion and Pareto fronts are deduced and analyzed. Finally, tests at no-load and also at load operations on a prototype 2 kW, 50 rpm validate the theoretical model developed

La commande intermittente a pour but principal d'augmenter le rendement de l'ensemble machine-convertisseur par une réduction des pertes. Dans le but de maintenir le couple moyen de la machine requis par la charge, cette commande augmente le couple de référence et éteint quelques phases pendant chaque période électrique ou chaque période mécanique. Par ce fait, elle réduit les pertes du convertisseur et les pertes ferromagnétiques de la machine. Elle dispose également d'une liberté de sélection des phases activées qui influence des fréquences générées du courant, de la force radiale et du couple. Par conséquent, cette stratégie de la commande intermittente, qui est appelée le glissement, peut éviter l'excitation de fréquences naturelles du stator, ou bien celles de la chaine cinématique. Elle a pour but de réduire les effets négatifs de la commande intermittente vis-à-vis de comportements vibratoire du stator et pulsatoire de la chaine cinématique qui sont respectivement à l'origine du bruit acoustique et des à-coups mécaniques. En fin, la commande intermittente est validée sur des cycles de conduite et peut économiser jusqu’à 5,17 % de l’énergie électrique consommée. / The intermittent control aims to increase the efficiency of the machine-converter system by reducing the losses. In the purpose to maintain the average torque of the machine required by the load, this control increases the reference torque and turns off some phases during each electrical period or each mechanical period. By this fact, it reduces the converter losses and the ferromagnetic losses of the machine. It also has a freedom in the selection of the activated phases which influences the generated frequencies of the current, the radial force and the torque. Therefore, this strategy of the intermittent control, which is called sliding strategy, can avoid the excitation of the natural frequencies of the stator, or those of the drivetrain. It aims to reduce the negative effects of the intermittent control vis-à-vis the vibration of the stator and the pulsation of the drivetrain which are respectively at the origins of acoustic noise and mechanical jerks. Finally, the intermittent control is validated on driving cycles and can save up to 5.17 % of the consumed electrical energy.

L'objectif principal de nos travaux consiste à développer des méthodes d’optimisation des performances de la MSRV sur le plan de la conception et de la commande. La première partie est consacrée à la commande de la MSRV avec prise en compte de la saturation, de l'effet croisé et des pertes-fer. Deux stratégies de commande permettant d’améliorer les performances de la machine en régime permanent sont présentées: commande à rendement optimal et commande à couple maximum par ampère. La deuxième partie de ce travail porte sur la commande de la MSRV en vue de réduire les ondulations de couple. L’optimisation des courants statoriques a été obtenue selon deux critères : un couple électromagnétique constant et des pertes par effet Joule minimales. Une formule originale a été présentée dans le cas où le courant homopolaire est pris en compte. Des schémas de commande neuronale en couple et en vitesse sont ensuite proposés. L’apprentissage, réalisé en ligne, fait que cette proposition est tout à fait adaptée aux applications en temps réel. La troisième partie traite de la conception au moyen de la méthode de calcul numérique par élément finis. Grâce au logiciel JMAG, les barrières du flux au rotor de la MSRV ont été optimisées permettant d’augmenter le couple moyen, le facteur de puissance et le rendement de la machine. Enfin, toutes les approches neuromimétiques ont été validées par de tests expérimentaux. De plus, des comparaisons avec les méthodes de commande classique démontrent la validité des méthodes proposées. / The main objective of our work is to develop the methods for performance optimization of the SynRM in terms of the design and control. The first part is devoted to control of the SynRM taking into account the saturation, cross coupling and iron losses. Two strategies control to improve the performances of the machine in steady-state are presented: optimal efficiency control and maximum torque per ampere control. The second part of this work focuses on the control of the non-sinusoidal SynRM to reduce torque ripple. Optimal stator currents were obtained with the objectives: a constant electromagnetic torque and minimum ohmic losses. An original formula was presented in the case where the homopolar current is considered. The torque and speed control based on artificial neural networks are then proposed to obtain optimal currents online in real time. The third part deals with the design optimization of SynRM by finite element method. With JMAG software, the barriers of the rotor SynRM were optimized to maximize the average torque, power factor and efficiency of the machine. Finally, all the approaches based on neural networks have been validated by experimental tests. Moreover, the comparisons with conventional methods demonstrate the validity of the proposed methods.

Le mémoire traite de la machine à réluctance variable en proposant d'une manière simultanée et du point de vue conception des solutions à ses deux inconvénients majeurs à savoir les ondulations de couple et les efforts radiaux. Les premières se propagent le long de la chaine de transmission diminuant ainsi le confort des usagers et les deuxièmes sont à l’origine d’une nuisance sonore. Dans une première partie et en s’intéressant à une structure axiale caractérisée par une faible force radiale, un bilan sur cette structure est donc établi. En effet, une configuration à deux stators et un rotor est la plus adéquate pour éventuellement remplacer la machine radiale de référence. Cette structure axiale est comparée à cette machine de référence après avoir établi des règles de passage d’une structure à une autre. Un premier passage est effectué en gardant le même encombrement et un deuxième passage en dimensionnant la machine axiale pour satisfaire le même cahier des charges que la machine radiale. Dans une deuxième partie, le travail s’oriente vers la modification de la structure radiale de la machine de référence et son optimisation. Plusieurs modifications sont proposées dont une structure avec une cale magnétique qui est la plus performante. Des optimisations géométriques à l’aide de l’algorithme génétique sur un point de fonctionnement sont ensuite effectuées pour remédier aux deux problèmes. A la fin, un récapitulatif de plusieurs structures optimisées est proposé pour servir de référence. Le choix de la machine la plus adéquate pourra donc être effectué en faisant un compromis entre la maximisation du couple, la réduction de ses ondulations et la réduction des efforts radiaux. / This report deals with switched reluctance motor by offering design solutions to the drawbacks of torque ripples and radial forces in the same time. Torque ripples reduce the user comfort and radial forces are the origin of noise. In the first part, an axial structure characterized by low radial force is analysed. Indeed, an axial configuration with two stators and one rotor is the most appropriate to replace the reference radial machine. Ones the rules of passage from one structure to another are established, the axial structure is then compared to the reference one. A first passage is made by keeping the same volume and a second one by sizing the axial machine with the same specifications as the radial one. In the second part, the work concerns the modification of radial structure of the reference machine and its optimization. Several modifications are proposed including a structure with a magnetic wedge which is the most efficient. Geometric optimization using genetic algorithm are then performed on operating points to remedy the both problems. In the end, several optimized structures are proposed. The choice of the most suitable machine can be done by making a compromise between the torque maximization, reducing its ripples and reducing radial forces.

Cette thèse est consacré à l’évaluation et l’amélioration de la performance de la machine synchrone à réluctance variable pour des applications à vitesse variable en général et pour les applications automobiles en particulier. Les deux axes de développement sont la conception de la machine et l’injection des harmoniques de courants de phase. Le rotor est un élément important dans la conception de la machine, et un intérêt particulier est dédié à la conception et l’évaluation du rotor pour améliorer la performance de la machine. Une méthode analytique est proposée dans la thèse pour concevoir le rotor. Plusieurs éléments tels que les ponts qui maintiennent le rotor mécaniquement résistant, ainsi que le rapport d’isolation d’axe q (rapport air-acier) sont étudiés. Une étude de conception assistée par ordinateur basé sur un problème d’optimisation paramétrique est présentée aussi. Les trois familles des algorithmes d’optimisation sont évaluées pour la procédure d’optimisation: un algorithme à base de gradient (algorithme de Newton Quasi), un algorithme non-évolutionnaire sur la base de non-gradient (Nelder Mead Simplex) et un algorithme évolutif sur la base non-gradient (algorithme génétique). Les designs de machines basées sur la procédure analytique et la procédure d’optimisation sont testés sur un banc d’essai. Le deuxième axe d’études de la thèse est l’injection d’harmoniques dans les courants de phase de la machine à réluctance variable synchrone. L’interaction des harmoniques de courant avec les harmoniques spatiales des inductances est étudiée et formalisée pour une machine à m-phases. Ensuite, le concept d’injection d’harmoniques est évalué dans le cas particulier d’une machine à deux phases. Cette étude montre l’avantage de l’injection d’harmoniques dans la réduction de l’ondulation de couple de la machine. Un design d’une machine est finalement développé pour une application automobile sur la base de l’optimisation paramétrique du stator et du rotor. Cette conception est évaluée pour les spécifications imposées électromagnétiques par une application de traction à puissance moyenne / This thesis is dedicated to the evaluation and the improvement of the synchronous reluctance machine’s performance for variable speed drive applications in general and for automotive applications in particular. The two axes of development are machine design and phase current harmonics injection. The rotor is an important element in the machine design and particular emphasis is placed to the design and evaluation of the rotor for enhancing the machine performance. An analytical procedure is proposed for the rotor design. The rotor elements like the ribs and the bridges that maintain the rotor mechanically strong as well as the q-axis insulation ratio (air-to-steel ratio) are studied. A computer-aided design study based on a parametric optimization problem is presented as well. The main three families of the optimization algorithms are evaluated for the optimization procedure: a gradient-based algorithm (Quasi Newton Algorithm), a non-gradient based non-evolutionary algorithm (Nelder Mead Simplex) and a non-gradient based evolutionary algorithm (Genetic Algorithm). The machine designs based on the analytical procedure and the optimization procedure are both manufactured and tested on a bench. The second axis of study of the thesis is the injection of harmonics in the phase currents of the synchronous reluctance machine. The interaction of current harmonics with the spatial inductance harmonics is studied and formalized for an m-phase machine. Then, the harmonics injection concept is evaluated in the particular case of a 2-phase machine. This study shows the benefi t of harmonics injection in the reduction of the machine torque ripple. A synchronous reluctance machine design is fi nally developed for an automotive application based on parametric optimization of the stator and rotor. This design is evaluated for the electromagnetic specifi cations imposed by a mid-power electric vehicle traction application