Ce mémoire traite de la problématique d’hybridation éolienne-hydrolienne. Elle pose d’abord l’hypothèse d’une éolienne basée sur une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) et une hydrolienne utilisant une Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA). Puis, elle présente la modélisation des différents éléments qui composent chacune des chaines de conversion, de la turbine à la connexion au réseau en passant par la machine électrique et les convertisseurs statiques. Des stratégies de commande y sont aussi développées. Celles-ci permettent d’extraire le maximum d’énergie tout en tenant compte des limites des systèmes. La thèse étudie également deux possibilités de couplage d’une éolienne et hydrolienne qui toutes deux utilisent une MSAP. Les résultats de simulation obtenus des modèles que nous avons développés dans l’environnement Matlab/Simulink/ SimpowerSystem permettent de valider les stratégies de commande utilisées et de conclure qu’un bon choix serait d’opter pour le couplage au niveau du bus continu. / AThis thesis addresses the problem of wind-tidal turbines hybridization. It first raises the hypothesis of a wind turbine based on Synchronous Permanent Magnet Machine (PMSM) and a tidal using a Double-Fed Induction Generator (DFIG). So, it presents the modeling of different elements that make up each system studied, from the turbine to the network connection through the electric machine and static converters. Control strategies are also developed. These are used to extract the maximum energy while taking into account the limitations of the systems. The thesis also examines two possible coupling of wind and tidal turbines which both use a PMSM. The simulation results of the models that we have developed in Matlab / Simulink / SimpowerSystem allow to validate the control strategies and conclude that a good choice would be to opt for coupling to the DC bus.

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: In this dissertation a new type of electrical machine, a Radial Flux Air-Cored Permanent Magnet machine with a Double-sided Rotor and utilising concentrated, non-overlapping windings, is proposed. The concept of the Double-sided Rotor Radial Flux Air-Cored Permanent Magnet machine, or RFAPM machine for short, was derived from the Double-sided Rotor Axial Flux Air-Cored Permanent Magnet (AFAPM) machine. One of the problems that AFAPM machines experience, is the deflection of the rotor discs due to the strong magnetic pull of the permanent magnets, especially with double-sided rotor machines. The main advantage of a RFAPM machine over a AFAPM machine is that the rotor back-iron is cylindrically shaped instead of disk shaped. Due to the structural integrity of a cylinder, the attraction force between the two rotors does not come into play any more. The focus of this dissertation is on a thorough analytical analysis of the Double-Sided Rotor RFAPM machine. With the RFAPM being an air-cored machine, the feasibility to develop a linear, analytical model, to accurately predict the radial flux-density and hence the induced EMF in the stator windings, as well as the accurate calculation of the developed torque of the machine, needed to be investigated. The need for a thorough analytical examination of the Double-Sided Rotor RFAPM machine stemmed from the need to reduce the blind reliance on Finite Element Modelling (FEM) software to calculate the back-EMF and torque produced by these machines. Another problem experienced with the FEM software was to obtain accurate torque results. Excessive ripple torque oscillations were sometimes experienced which took a considerable amount of time to minimise with constant refinement to the meshing of the machine parts. Reduction in the mesh element size unfortunately also added to the simulation time. The requirement for an accurate analytical model of the RFAPM machine was also necessary in order to reduce the amount of time spent on successive FEM simulation to obtain the optimum pole arc width of the permanent magnet in order to minimise the harmonic content of the radial flux-density distribution in the the stator windings. In this dissertation, the use of single-layer and double-layer, non-overlapping, concentrated winding for the RFAPM machine is also investigated. It was decided to include a comparison of these two non-overlapping winding configurations with a “hypothetical” concentrated, overlapping winding configuration. This would allow us to gauge the effectiveness of using nonoverlapping winding with respect to the reduction in copper losses as well as in the reduction in copper volume. It would also allow us to investigate the extent of how much the developed torque is affected by using non-overlapping windings instead of overlapping windings. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie proefskrif word ’n nuwe tipe elektriese masjien, ’n Radiale-vloed Lugkern Permanent Magneet Masjien met ’n dubbelkantige rotor en nie-oorvleuelende Windings voorgestel. Die konsep vir die Radiale-vloed Lugkern Permanent Magneet Masjien, of RVLPM vir kort, is afgelei vanaf die Dubbelkantige Rotor, Aksiale-vloed Lugkern (AVLPM) masjien. Een van die probleme wat met AVLPM masjiene ondervind word, is die defleksie van die rotorjukke as gevolg van die sterk aantrekkingskragte van die permanente magnete, veral in dubbelkantige rotor masjiene. Die hoof voordeel wat die RVLPM masjien inhou bo die AVLPM masjien, is die feit dat die RVLPM se rotorjukke silindries is in plaas van ronde skywe. As gevolg van die strukturele integriteit van ’n silinders, speel die aantrekkingskrag van die permanente magnete nie meer ’n rol nie. Die fokus van die proefskrif gaan oor die deeglike analitiese analise van die dubbelkantige RVLPM masjien. Weens die feit dat die RVLPM masjien ’n lugkern masjien is, is daar besluit om ondersoek in te stel na die moontlikheid om ’n lineêre, analitiese model vir die masjien op te stel waarmee die radiale-vloeddigtheid, teen-EMK asook die ontwikkelde draaimoment vir die masjien akkuraat bereken kan word. Die behoefde aan ’n akkurate analitiese model vir die dubbelkantige rotor RVLPM masjien is om die blinde vertroue te elimineer wat daar in Eindige-Element Modellering (EEM) sagteware gestel word om die teen-EMK en ontwikkelde draaimoment van die RVLPM masjien uit te werk. ’n Verdere probleem wat daar met EEM sagteware ondervind is, is die akkurate berekening van die ontwikkelde draaimoment. Oormatige rimpel draaimoment ossillasies is soms ondervind wat heelwat tyd geverg het om te minimeer, deur voortdurende verfyning van die EEM maas in die verskillende dele van die masjien. Soos die maas egter kleiner word, verleng dit die simulasie tyd van die EEM aansienlik. Nog ’n rede vir ’n akkurate analitiese model van die RVLPM masjien, is om vinnige metode te verkry om die optimale permanente magneet pool hoekwydte te verkry, wat die minste Totale Harmoniese Vervorming (THV) in die radiale-vloeddigtheidsdistribusie in die statorgebied sal veroorsaak, sonder om herhaaldelike EEM simulasies te loop. In die proefskrif word die gebruik van enkellaag en dubbellaag, nie- oorvleuelende, gekonsentreerde wikkelings vir die RVLPM masjien ook ondersoek. Daar is besluit om hierdie twee nie-oorvleuelende windingskonfigurasies met ’n “hipotetiese” gekonsentreerde, oorvleuelende windingskonfigurasie te vergelyk. Dit behoort ons in staat te stel om die doeltreffendheid van nie-oorvleuelende windings te bepaal, met betrekking tot die afname in koperverliese asook die afname in kopervolume. Verder sal dit ons in staat stel om ook mate waartoe die ontwikkelde draaimoment deur nie-oorvleuelende windings beïnvloed word, te ondersoek.

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.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse concernent les petites machines à aimants permanents, à flux axial et à auto-commutation électronique ayant la topologie d’un rotor intérieur discoïdal avec des aimants Nd-Fe-B montés en surface et de deux stators extérieurs identiques, chacun avec enroulement triphasé distribué dans des encoches. Après l’examen des topologies candidates pour applications d’entraînement direct basse-vitesse, une modélisation électromagnétique analytique de pré-dimensionnement d’un prototype de telles machines est réalisée. Ensuite, une approche numérique originale est développée et couplée à l’optimisation géométrique des aimants rotoriques en vue de réduire les harmoniques d’espace de l’induction magnétique dans l’entrefer et aussi les ondulations du couple électromagnétique. Des nombreux tests expérimentaux sont effectués sur le prototype de machine pour vérifier son dimensionnement ainsi que pour valider la stratégie d’auto-commutation électronique et de contrôle de base / The research work presented in this thesis is concerned with small electronically-commutated axial-flux permanent-magnet (AFPM) machines having the double-sided topology of an inner rotor with surface-mounted Nd-Fe-B magnets, sandwiched between two outer slotted stators with distributed three-phase windings. After reviewing the small double-sided AFPM machine candidate topologies for low-speed direct-drive applications, the thesis hinges on the size equations and the analytical electromagnetic design of the inner-rotor AFPM (AFIPM) machine topology under study. Original methods of modelling and design optimization of a small prototype AFIPM machine are then proposed with the view to reducing the airgap flux density space-harmonics and the torque ripple by rotor-PM shape modification. Extensive experimental tests are carried out on the small three-phase AFIPM machine prototype in order to validate its proper design and to check its electronic commutation and basic control technique

The induction machine with a squirrel cage is a workhorse of the industry. The main advantage of an induction machine is the low manufacturing price, simple and robust construction, low maintenance requirements. However, for high-speed applications, induction machine with a squirrel cage requires design modification due to the mechanical restrictions. The objective of this thesis is to show design process, methodology and assembly of the induction machine for high-speed applications. In this thesis, the rotor dimensioning data are presented. The results are demonstrated on the design of the 6 kW, 120 000 rpm solid rotor squirrel cage induction machine. This thesis also contains calculation and design of three different electrical machine topologies for a turbo circulator application. The electrical machines are designed with 6 kW output power at 120 000 rpm. The machines are estimated by using electromagnetic, thermal, and mechanical calculations. The drawbacks and advantages of each topology under study are described. For other high-speed applications, a comparative method helps in choosing the suitable electrical machine topology by examinations of discussed criteria. Rotor design effect on the electromagnetic performance of the induction machine is shown. Mechanical stresses are calculated with Finite Element Method analysis. Various assembly technologies to produce solid rotor with squirrel cage are discuss and compare. Describe approach enables high electromagnetic performance and durable construction of the high-speed induction machine. Work is confirmed by measurement on the manufactured prototype.

L’objectif de ce travail est d’élaborer un modèle performant/précis de la machine électrique permettant de proposer une technique de pronostic. Dans cette thèse, nous commençons par un état de l’art sur les véhicules électriques hybrides (VHE), les différents types de machines électriques utilisées dans les VHE ainsi que les différents types de défauts pouvant survenir dans ces machines électriques. Nous identifions également les indicateurs de défauts appropriés aux différents défauts considérés. Ensuite, une synthèse de techniques de pronostic pouvant être appliquées est proposée. Le modèle à éléments finis électromagnétiques, thermiques et vibratoires (FEM) de la machine à aimants permanents est présenté. Le modèle est élaboré en fonctionnement normal et défaillant. Les types de défauts considérés sont : démagnétisation, court-circuit et excentricité. Une comparaison entre les deux approches analytique et FEM (méthode numérique) pour la modélisation de machines électromagnétiques est effectuée. Les indicateurs de défauts analysés pour l’extraction les plus pertinents utilisent les différents signaux mesurées suivants : le couple, la température ainsi que les signaux vibratoires en états sains et défectueux. L’approche de pronostic adoptée qui est le modèle de Markov caché (HMM) est développée. L'aspect technique de la méthode est présenté et le module du pronostic est formulé. La méthode de HMM est utilisée pour détecter et localiser les défauts à petites amplitudes. Une stratégie systématique a été développée. Le vieillissement de l’équipement de la machine, en particulier des éléments sensibles comme la bobine de stator et l’aimant permanent, est une question très importante pour le calcul du RUL (Remaining Useful Life). Une stratégie d’estimation pour le calcul RUL est présentée et discutée. La configuration en boucle fermée est très importante. Elle est adoptée par tous les systèmes de véhicules disponibles. Par conséquent, les mêmes étapes mentionnées précédemment s'appliquent également à une configuration en boucle fermée. Un modèle global où l’entrée du FEM de la machine provient de l’onduleur modélisé est élaboré. / The core of the work is to build an accurate model of the electrical machine where the prognostic technique is applied. In this thesis we started by a literature review on hybrid electric vehicles (HEV), the different types of electrical machine used in HEV’s and the different types of faults that may occur in those electrical machine. We also identify the useful monitoring parameters that are beneficial for those different types of faults. Then, a survey is presented where all the prognostic techniques that can be applied on this application are enumerated. The electromagnetic, thermal and vibration finite element model (FEM) of the permanent magnet machine is presented. The model is built at healthy operation and when a fault is integrated. The considered types of faults are:demagnetization, turn to turn short circuit and eccentricity. A confrontation between analytical and FEM (numerical method) for electromagnetic machine modeling is illustrated. Fault indicators where useful measured parameters forfault identification are recognized and useful features from the measured parameters are extracted; torque, temperature and vibration signal are elaborated for healthy and faulty states. The strategy of the adopted prognostic approach which is Hidden Markov Model (HMM) is explained. The technical aspect of the method is presented and the prognostic model is formulated. HMM is applied to detect and localize small scale fault small scale faults were where a systematic strategy is developed. The aging of the machine’s equipment,specially the sensitive ones that are the stator coil’s and the permanent magnet, is a very important matter for RUL calculation. An estimation strategy for RUL calculation is presented and discussed for those mentioned machine’s components. Closed loop configuration is very important; it is adopted by all available vehicle systems. Hence, the same previously mentioned steps are applied for a closed loop configuration too. A global model where the input of the machine’s FEM comes from the modeled inverter is built.