Wave energy has the potential to provide an energy resource in this challenging energyenvironment. Wave energy converters are devices used to extract this energy and convertit into electricity. Wave Carpet is an example of such a novel wave energy converters andin its final form, it consists of a submerged membrane which covers an arbitrarily largearea above the sea floor. Incident waves create a pressure difference between the upper andlower surfaces, which triggers an up-and-down movement. The power take-off attached tothe surfaces serve to restrict this movement and thereby extract hydraulic power which isconverted to electricity.The Wave Carpet, is a type of wave energy converter that is beingdeveloped at University of California Berkeley′s Theoretical and Applied Fluid DynamicsLaboratory (TAFLab).The thesis aims at modeling and designing the different power conversion chainof the entire wave energy converter device. The process of energy conversion that yieldsthe required electrical energy for connecting a wave energy converter to an electricalnetwork is termed as the power conversion chain. A detailed electro-mechanical modelof the wave energy converter system connected to power grid is developed in theMatlab/SIMULINK environment and its corresponding generator and hydraulic controlstructure is implemented. The simulation response of the wave energy converter alongwith the power conversion chain is investigated. / Vågenergi har potential att bli en energiresurs i en utmanande energimiljö. Vågkraftverkär maskiner som används till att utvinna denna energi och omvandla den till elektricitet.Wave Carpet är ett exempel på ett vågkraftverk som i sitt slutglitiga stadie bestårav ett nedsänkt membran som täcker ett godtyckligt stort område ovanför sjöbotten.Inkommande vågor skapar en tryckskillnad mellan den övre och nedre ytan som gerupphov till en lodrätt rörelse. De mekaniska armarna kopplade till membranet bromsardenna rörelse och kan genom hydraulik omvandla bromsenergin till elektricitet. The WaveCarpet är en typ av vågkraftverk som utvecklas vid University of California Berkeley′sTheoretical and Applied Fluid Dynamics Laboratory (TAFLab).Uppsatsen syftar till att modellera och designa effektomvandlingskedjan i ett sådantvågkraftverk. Energiomvandlings processen som ger upphov till elektriciteten via ettvågkraftverk är benämnt som effektomvandlingskedjan. En detaljerad elektro-mekaniskmodell över ett vågkraftverksystem kopplat till ett elnät med motsvarande generator ochhydraliska regulatorer är utvecklad i Matlab/Simulink miljön. Simuleringsresultaten fråndet modellerade vågkraftverket undersöks tillsammans med effektomvandlingskedjan.

The electrification of automobiles has emerged as the sustainable powertrain solutionto meet United Nations sustainable development goals of sustainable cities andcommunities, affordable and clean energy, and climate action. The success of theelectrification depends on the efficiency of traction motors. Hence, the automobileindustry is dedicated to improving the performance of electrical traction machinesfor high performance and sustainability. The thesis aims to build various electricalmachine’s concept designs and quantify their behaviour on sustainability andperformance. The thesis objective is to design Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM),Synchronous Reluctance Motor (SynRM), and Permanent Magnet SynchronousReluctance Motor (PM­SynRM). The thesis work comprises of accurate performanceestimation and optimisation of these electrical machines through a finite element based method. The in­house scripts are developed to estimate the performance, electrical losses, and efficiency of these electrical machines through flexible open-source tools. The performance of PMSM with rare-­earth magnet Neodymium Ferrite Boron(NdFeB) and without rare­-earth magnet (ferrite) is done to evaluate the role of bothmagnets in producing torque density. The SynRM is evaluated and optimized usinggenetic algorithms in the thesis. The electrical machines are designed without the useof rare-­earth magnets to eliminate the degradation of the environment and reduce thecost and weight of the motor. / The electrification of automobiles has emerged as the sustainable powertrain solutionto meet United Nations sustainable development goals of sustainable cities andcommunities, affordable and clean energy, and climate action. The success of theelectrification depends on the efficiency of traction motors. Hence, the automobileindustry is dedicated to improving the performance of electrical traction machinesfor high performance and sustainability. The thesis aims to build various electricalmachine’s concept designs and quantify their behaviour on sustainability andperformance. The thesis objective is to design Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM),Synchronous Reluctance Motor (SynRM), and Permanent Magnet SynchronousReluctance Motor (PM­SynRM). The thesis work comprises of accurate performanceestimation and optimisation of these electrical machines through a finite element based method. The in­house scripts are developed to estimate the performance, electrical losses, and efficiency of these electrical machines through flexible open-source tools. The performance of PMSM with rare-­earth magnet Neodymium Ferrite Boron(NdFeB) and without rare­-earth magnet (ferrite) is done to evaluate the role of bothmagnets in producing torque density. The SynRM is evaluated and optimized usinggenetic algorithms in the thesis. The electrical machines are designed without the useof rare-­earth magnets to eliminate the degradation of the environment and reduce thecost and weight of the motor.   Sammanfattning på svenska / Abstract in Swedish Elektrifieringen av bilar har framstått som en hållbar drivlinelösning för att mötaFörenade Nationernas hållbara utvecklingsmål för hållbara städer och samhällen, medprisvärda och rena energi och klimatåtgärder. Framgången med elektrifieringen berorpå effektivitet på motorer för framdrivningen. Därför är bilindustrin dedikerad tillatt förbättra prestanda för elmotorer för hållbarhet och hög prestanda. Avhandlingensyftar till att bygga olika konceptdesign för elmotorer för framdrivning och kvantifieraderas beteende på hållbarhet och prestanda. Uppsatsmålet är att utforma Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM),Synchronous Reluktance Motor (SynRM) och permanent magnetassisterad SynRM(PM­SynRM). Examensarbetet består av noggrann prestationsuppskattning ochoptimering av dessa elektriska maskiner genom finit element metod (FEM). Deskripten för att hantera FEM för elektormagnetisk design är in­house utveckladeför att uppskatta flexibelt prestanda, elektriska förluster och effektiviteten hos dessaelektriska maskiner genom att använda öppen källkod. Prestanda för PMSM med en sällsynta jordartsmagnet (NdFeB) och PMSM utansällsynta jordartsmagnet (ferrit) räknades fram för att utvärdera båda magneternasroll för att producera vridmomentdensitet. SynRM och PM­SynRM maskinernautvärderas och optimeras med hjälp av genetiska algoritmer i avhandlingen.De studerade elektriska maskinerna är designad utan användning av sällsyntajordartsmagneter för att eliminera miljöförstöring och minska motorns kostnad ochvikt.

Wave energy is a promising renewable resource with a higher energy density than both wind and solar. Waves can travel thousands of kilometers with minimal energy loss, making them more reliable than the previously mentioned alternatives. A device that utilizes wave energy to generate electricity is calleda Wave Energy Converter. The converter studied in this thesis is a non-resonant point absorber, a floating device that absorbs energy through its displacement in the water. An incident wave approaching the converter combined with a latching strategy transforms the wave into a water jet, which emerges as a pulse wave and varies from zero to maximum velocity. The kinetic energy of the water jet gets converted to electricity through a Pelton turbine and a permanent magnet synchronous motor that acts as a generator. The thesis investigates three generator velocity control strategies and two deadtime strategies and aims to answer which strategy yields the best efficiency for the selected wave fields. The strategies strive to maximize the efficiency of the Pelton turbine while minimizing the frictional and electrical losses. The first velocity control approach relies on historical data and computes the average based on the previous wavefield. The second approach maintains a predetermined turbine velocity based on the average jet velocity of each incident wave. Lastly, the third strategy continuously adapts the speed during each jet pulse to maximize the Pelton turbine efficiency. The dead-time strategies refer to the approaches employed between waves. The first approach maintainsa constant generator velocity, reducing the necessary acceleration to match the next incident wave. The second approach freewheels the generator, allowing it to decelerate due to friction losses. During the deceleration, the generator draws no current, but as the next wave arrives it must instead accelerate. Consequently, drawing more current but during a shorter period. The results reveal that there is no significant difference between the two deadtime strategies, but there is a significant difference between the velocity control strategies. Furthermore, the results illustrate the effectiveness of the local averaging method and the adaptive control method, which result in the highest system efficiency. / Vågenergi är en lovande energiresurs som har högre energidensitet än både vind- och solkraft. Vågor kan färdas tusentals kilometer med minimal energiförlust,vilket gör dem mer tillförlitliga än de tidigare nämnda alternativen. En anordning som kan nyttja vågors energi för att generera elektricitet kallas för vågenergiomvandlare. Omvandlaren som studerats i detta arbete är en icke-resonant punktabsorbent,vilket är en flytande anordning som absorberar energi genom dess förflyttning i vattnet. När en kommande våg närmar sig omvandlaren transformeras vågen till en vattenstråle, som framträder som en pulsvåg och varierar mellan noll och maxhastighet, via en styrstrategi vid namn ”latching”. Den kinetiska energin från vattenstrålen omvandlas till elektrisk energi via en Peltonturbin och en synkronmotor som agerar som generator. Det här arbetet undersöker tre hastighetsstyrstrategier samt två mellantidsstrategier för generatorn, och ämnar besvara vilken som är den mest effektiva strategin för en uppsättning vågor. Målet med dessa strategier är att maximera effektiviteten hos Peltonturbinen medan friktions- samt elektriska förluster minimeras. Den första hastighetsstyrstrategin håller en konstant hastighetbaserad på ett medelvärde från ett tidigare vågfält. Den andra strategin hålleren konstant hastighet, vilken anpassas till varje inkommande våg. Den tredje strategin anpassar hastigheten kontinuerligt under pulsvågen för att maximera turbineffektiviteten. Med mellantidsstrategierna menas de styrstrategier som nyttjas mellan vattenpulserna. I den första mellantidsstrategin körs generatorn som motor och håller konstant hastighet, vilket minskar de nödvändiga accelerationerna för att möta kommande vågs referenshastighet. Den andra strategin låter generatorn frihjula, vilket gör att hastigheten faller på grund av friktionsförluster. Under hastighetsminskningen drar generatorn ingen ström, men den måste då istället accelerera när kommande våg anländer. Detta innebär att generatorn kommer att dra mer ström, men under en kortare period. Resultaten avslöjade att det inte var någon signifikant skillnad mellan de två mellantidsstrategierna och att det var en signifikant skillnad mellan hastighetsstyrstrategierna. Resultatet visade att de två metoderna med variabel hastighet gav högre systemeffektivitet än metoden med konstant hastighet.

In industrial settings, a common challenge associated with electrical machines is the lack of parameters, which are not always available from the machine manufacturer. These parameters play a crucial role in tuning the control gains of Field-Oriented Control (FOC). Traditional parameter identification methods, widely accepted in the literature, are the standard IEEE tests such as DC measurement, no-load test, locked-rotor test, and short circuit test. However, their implementation can be impractical as they necessitate additional equipment that may be costly and not readily accessible. This thesis addresses self-commissioning procedures as a solution to this challenge, aiming to automatically identify electrical parameters of machine equivalent circuits. Specifically, this study focuses on the Imperix motor testbench, comprising Induction Machine (IM) and Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Machine (SPMSM). Self-commissioning utilizes signal injection through a power converter and the available sensors, with minimal operator intervention and no additional equipment. For the SPMSM, the parameters under study include the stator resistance, the synchronous inductance, and the Permanent Magnets (PM)-flux. The resistance is estimated through DC current injection considering the inverter non-linearity. The synchronous inductance and its saturation characteristic are examined using high-frequency sinusoidal injection with and without DC bias via a Current Controller (CC), and square wave voltage injection through hysteresis control. The PM-flux is determined by accelerating the SPMSM using the IM as a prime mover in an open circuit configuration. This deviation from the standstill constraint of the self-commissioning procedure is necessary as the PM’s effect becomes visible only when the rotor speed is non-zero. For the IM, the stator resistance, the leakage inductance, the rotor resistance, and the magnetizing inductance are analyzed. The stator resistance and inverter non-linearity are identified using the same method as for the SPMSM. The leakage inductance is tested with a high-frequency sinusoidal injection with stepped DC bias, with which the saturation characteristic is built. Then, a DC-biased low-frequency sinusoidal injection identifies the rotor resistance. The magnetizing inductance is not identified in this work because of the extensive nature of the problem and time constraints. Comparison with standard IEEE tests serves as validation, demonstrating close alignment of the results, except for discrepancies in the unsaturated SPMSM synchronous inductance estimation. The introduced innovation involves adapting existing procedures, initially developed for other AC machines, to SPMSM applications, for which only limited literature is available. Overall, this work makes a valuable contribution to understanding the influence of inverter non-linearity and saturation behavior on parameter identification. It also opens the door to integrating saturation effects into control algorithms, which enables dynamic adjustment of FOC gains, potentially enhancing control performance. / I industriella miljöer är en vanlig utmaning i samband med elektriska maskiner bristen på parametrar, som inte alltid är tillgängliga från maskintillverkaren. Dessa parametrar spelar en avgörande roll för att ställa in kontrollförstärkningarna för fältorienterad kontroll (FOC). Traditionella metoder för parameteridentifiering, som är allmänt accepterade i litteraturen, är standard IEEE-tester som DC-mätning, nollbelastningstest, låst rotortest och kortslutningstest. Implementeringen av dessa kan dock vara opraktisk eftersom de kräver ytterligare utrustning som kan vara kostsam och svåråtkomlig. Denna avhandling behandlar procedurer för självavstängning som en lösning på denna utmaning och syftar till att automatiskt identifiera elektriska parametrar för maskinens ekvivalenta kretsar. Studien fokuserar särskilt på Imperix motortestbänk, som består av induktionsmaskiner (IM) och ytmonterad synkronmaskin med permanentmagnet (SPMSM). Självinkoppling är en stilleståndsprocedur som använder signalinjektion genom en kraftomvandlare och de tillgängliga sensorerna, med minimal operatörsintervention och utan extra utrustning. För SPMSM studeras parametrarna statorresistans, synkroninduktans och permanentmagneter (PM)-flöde. Motståndet uppskattas genom likströmsinjektion med hänsyn till växelriktarens olinjäritet. Den synkrona induktansen och dess mättnadskarakteristik undersöks med hjälp av högfrekvent sinusinjektion med och utan DC-bias via en strömstyrenhet (CC), och fyrkantsvåginjektion genom hysteresstyrning. Flödet PM bestäms genom acceleration av SPMSM med hjälp av IM som drivmotor i en öppen kretskonfiguration. Denna avvikelse från stilleståndsbegränsningen i förfarandet för självavstängning är nödvändig eftersom PM effekt blir synlig först när rotorhastigheten är skild från noll. För IM analyseras statorresistansen, läckinduktansen, rotorresistansen och den magnetiserande induktansen. Statorresistansen och inverterns olinjäritet identifieras med samma metod som för SPMSM. Läckageinduktansen testas med en högfrekvent sinusformad injektion med stegad DC-bias, med vilken mättnadskarakteristiken byggs. Därefter identifierar en DC-baserad lågfrekvent sinusinjektion rotorresistansen. Den magnetiserande induktansen identifieras inte i detta arbete på grund av problemets omfattande natur och tidsbegränsningar. Jämförelse med standard IEEE-tester fungerar som validering och visar att resultaten ligger nära varandra, med undantag för avvikelser i uppskattningen av den omättade synkrona induktansen för SPMSM. Den introducerade innovationen innebär att befintliga procedurer, som ursprungligen utvecklats för andra AC-maskiner, anpassas till SPMSM-tillämpningar, för vilka endast begränsad litteratur finns tillgänglig. Sammantaget ger detta arbete ett värdefullt bidrag till förståelsen av hur omriktarens icke-linjäritet och mättnadsbeteende påverkar parameteridentifieringen. Det öppnar också dörren för att integrera mättnadseffekter i regleralgoritmer, vilket möjliggör dynamisk justering av FOC-förstärkningar, vilket potentiellt kan förbättra reglerprestanda.

<p>У тези je предложен поступак развоја управљачких склопова енергетске<br />електронике заснован на технологији Hardware In the Loop. Подробно је<br />описан предложени емулатор са нагласком на специфичном<br />моделовању погодном за извршење у стварном времену што је<br />предуслов веродостојности. Сама веродостојност је проверена<br />поређењем резултата са симулацијом, као и са измереним резултатима<br />у неколико стварних погона. Затим је поступак развоја управљачких<br />склопова подробно објашњен на примеру развоја и испитивања једног<br />новог контролног алгоритма за повезивање синхроног генератора на<br />електричну мрежу.</p> / <p>U tezi je predložen postupak razvoja upravljačkih sklopova energetske<br />elektronike zasnovan na tehnologiji Hardware In the Loop. Podrobno je<br />opisan predloženi emulator sa naglaskom na specifičnom<br />modelovanju pogodnom za izvršenje u stvarnom vremenu što je<br />preduslov verodostojnosti. Sama verodostojnost je proverena<br />poređenjem rezultata sa simulacijom, kao i sa izmerenim rezultatima<br />u nekoliko stvarnih pogona. Zatim je postupak razvoja upravljačkih<br />sklopova podrobno objašnjen na primeru razvoja i ispitivanja jednog<br />novog kontrolnog algoritma za povezivanje sinhronog generatora na<br />električnu mrežu.</p> / <p>This paper proposes development of Power Electronics controllers based on<br />the Hardware In the Loop technology. Proposed emulator is describied in<br />detail where emphasis was set on specific methods of modeling which is<br />suitable for real time emulations in order to obtain emulation faithfulness.<br />Fidelity itself was checked through comparison with off-line simulations and<br />results of real drives. Procedure of controllers development was presented<br />through development and testing of one new control algorithm for connection<br />of the permanent magnet synchronous generator to the electrical grid.</p>

Ce travail de recherche s'intéresse à la commande sans capteur mécanique du moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) à pôles saillants, particulièrement en basse vitesse, avec détection de la position initiale du rotor. Après une présentation des techniques et approches qui ont initié nos travaux, en terme d'estimation de la vitesse et/ou de la position, nous avons choisi celles qui présentent plus d'intérêt de point de vue stabilité, robustesse, précision et simplicité d'implémentation. La première approche est basée sur le Système Adaptatif avec Modèle de Référence (MRAS). Quant à la deuxième, elle est réalisée autour d'un observateur non-linéaire pour l'estimation de la position et de la vitesse du MSAP à pôles saillants. Les deux techniques d'observation de la vitesse sont associées à une commande par orientation du flux rotorique avec la technique MLI vectorielle. Pour détecter la position initiale du rotor, nous avons utilisé une nouvelle approche qui permet d'estimer cette position avec une incertitude de ±5° mécanique. Cette nouvelle approche est basée sur l'application de signaux tests aux bornes des phases statoriques du MSAP. Des résultats de simulation et expérimentaux sont présentés tout au long de ces travaux pour valider les études théoriques de la commande vectorielle sans capteur mécanique du MSAP. Enfin, nous avons étudié et analysé les performances de la commande tolérante aux défauts sans capteur mécanique du MSAP en présence de défaillances de types transistors à l'état-off. / This research focuses on the sensorless vector control of a salient pole permanent magnet synchronous motor (PMSM), particularly at low speed, with detection of the initial rotor position. In first step, an overview of the state of the art concerning the estimation of the rotor speed as well as the initial rotor position of PMSM is addressed. From such a study, we have adopted an interesting strategy based on the model reference adaptive system (MRAS). The second step in this research consists in studying the performances and the feasibility of a non-linear observer for closed-loop vector control of salient pole PMSM. The MRAS technique as well as the non-linear observer is associated to a vector control scheme based on the field oriented strategy with space vector pulse width modulation (SVPWM). To detect the initial rotor position, we have proposed a new approach which estimates the position with a resolution of ±5° mechanical degrees. This new approach is based on applying short voltage pulses to the stator winding of salient pole PMSM. Several simulation and experimental results are presented to confirm the theoretical studies of the sensorless vector control of the salient pole PMSM drive. Finally, we have analyzed the performances of the sensorless speed fault tolerant control (FTC) of salient pole PMSM under failures related to the voltage source inverter (open circuit fault). The experimental results obtained based on the proposed techniques using nonlinear and MRAS observers have been improved in term of the reliability and allow a continuous operation of the salient pole PMSM drive even when it is supplied with two inverter legs.

La thèse porte sur la caractérisation expérimentale des pertes singulières dans les matériaux magnétiques au sein d’actionneurs électromécaniques conçus pour le développement du programme « avion plus électrique », où la maîtrise des pertes d’énergie est un enjeu absolument majeur. Ce programme, de portée mondiale, vise, entre autre, à remplacer, dans l’avion, les actionneurs hydrauliques par des actionneurs électromécaniques, quand c’est possible.Par pertes singulières on entend toutes les pertes liées aux contraintes magnéto-mécano-thermiques liées d’une part à la mise en œuvre (découpe, assemblage contraint, isolation, traitement thermique...) des matériaux et d’autre part aux conditions réelles de fonctionnement (champ tournant, haute fréquence, saturations locales...) au sein des machines électriques (HV/HF), et qui sont très difficiles à estimer précisément de façon analytique ou via les dispositifs conventionnels de tests. Ces sollicitations influencent les caractéristiques de tôles qui peuvent s’éloigner significativement des données du fabricant (donc fausser le calcul des performances).Au début de cette thèse on s’est focalisé sur le montage d’un banc d’essai évolutif équipé de moyens de mesure directe du couple et d’une machine d’entraînement (8 ktr/min ; 42 kW) tarée par nos soins. Sur cette dernière une longue campagne d’essais a été menée pour isoler les différentes composantes de pertes, dont, par exemple, les pertes mécaniques (par frottement dans les roulements + aérodynamiques) qui ont été quantifiées via un rotor neutre. Les pertes dans les aimants sont indissociables des pertes fer, donc, elles ont été estimées par le biais d’une modélisation par éléments finis tridimensionnelle. Les pertes dans la frette de maintien sont nulles du fait qu’elle est isolante (thermo-rétractable). Le bobinage utilisé dans ce moteur est très particulier, à barres massives (remplissage de cuivre dans l’encoche jusqu’à 90%), développé dans notre laboratoire IES. Les pertes atypiques au sein de ce bobinage spécial ont été profondément abordées dans ces travaux (effet de refoulement de courants, pertes aux extrémités de la machine...).Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons exploré le fonctionnement des machines synchrones à aimants à haute fréquence afin d’accroître la densité de puissance de nos moteurs (pour franchir la barre de 2.5 kW/kg). Pour ce faire, après une étude détaillée, nous avons proposé en premier lieu un prototype avec des matériaux standard (stator FeCo Vacodur49 0.2mm, rotor FeSi, aimants NdFeB nuance N35EH, bobinage à barres cuivre) fonctionnant à 1666 Hz, tournant à 5000 tr/min, avec une densité de puissance de 4.5 kW/kg et un rendement de 94%. En second lieu, nous avons proposé un deuxième prototype de rendement plus faible (93%) mais qui a une densité de puissance proche de 6 kW/kg avec un rotor sans fer et un bobinage en Aluminium.Avant le montage final de ce prototype modulaire, nous avons effectué des mesures de pertes magnétiques, en conditions réelles de fonctionnement d’un moteur électrique, sur une multitude de tôles FeSi et FeCo (Vacodur49, NO20, M270-35A) avec la variation de différents procédés de fabrication: isolation (vernis thermo-collant « back-lack », vernis C5), découpe (laser, électroérosion) et traitement thermique. Pareillement, toutes les pertes mises en jeu ont été séparées (mécaniques, par courants induits dans les viroles...) pour pouvoir remonter aux pertes magnétiques et, donc, enfin, quantifier empiriquement le coefficient de majoration de pertes fer. / The main aim of this thesis was to study and experimentally assess the additional iron losses in the stator (electrical lamination steel) of high performance permanent magnet synchronous machines (PMSM) designed for aircraft applications, in relation with the “more-electric-aircraft” project. This international program consists of gradually introducing electrical systems to replace onboard hydraulic and pneumatic systems, for example to power the landing gear wheels (Electric Green Taxiing System)…The extra iron losses are caused by manufacturing processes (cutting, sticking, insulation, stacking, pressing, shrink-fitting, thermal treatment …) and the real conditions of use of electrical motor (namely: rotational flux, saturation, high frequency…). Indeed, the mechanical and thermal stresses during the manufacturing steps can deteriorate the magnetic properties of the material and significantly increase the iron losses. These aspects are difficult to accurately evaluate by analytical models or standard measurements (Epstein frame…) and require experimental assessment to precisely calculate the motor efficiency.First of all, we started by developing a test bench equipped with drive motor: PMSM 8000 RPM ; 42 kW. For accurate assessment, the losses in this machine are separated on the test bench, for example, the mechanical losses (bearings loss & windage loss) have been measured at different speed with a non-magnetic rotor. Rotor magnets eddy-current losses cannot be isolated from iron losses, for this reason they have been calculated using a 3D finite element model. To limit rotor loss we then used a non-conductive retaining sleeve (heat shrink sleeve). In the winding, we used bar-wound conductors, which is an original winding technology developed in our laboratory, and whose advantage among others is the unusual copper fill factor that reaches almost 90%.Subsequently, we explored the high frequency machines (>1 kHz) in order to increase the power-to-weight ratio (cross the threshold of 2.5 kW/kg). We proposed, the following to the analytical and finite element study, a first conventional prototype with a power-to-weight ratio equal to 4.5 kW/kg with: FeCo stator (Vacodur49 0.2 mm), FeSi rotor and NdFeB magnets (N35EH), operated at 1666 Hz, 5000 RPM and 94% efficiency at full load. A second motor had been also proposed with both rotor and winding in aluminum, in this case the power-to-weight ratio reaches around 6 kW with, however, less efficiency (93%).Finally, this HF motor was tested, at no load, on the aforementioned test bench. The experiments were carried out on a multitude of FeCo and FeSi stator core samples coming from different manufacturing processes (insulation: bonding varnish and C-5 varnish; cutting: laser and EDM “Electrical Discharge Machining”; thermal treatment) in real operating conditions of a high frequency PM machine in order to experimentally obtain the famous “additional coefficient” of iron losses (Kadd).

Dans les systèmes embarqués, les actionneurs électriques remplacent de plus en plus les actionneurs hydrauliques pour des raisons de compacité et de manœuvrabilité. Cependant, il est nécessaire que ces actionneurs électriques soient au moins aussi fiables ou disponibles que leurs homologues hydrauliques. Il faut donc choisir les topologies d'alimentation et d'entraînement adaptées pour ces actionneurs de sorte que le système d'actionnement puisse être reconfiguré en cas de défaillance dans la chaîne de conversion électromécanique. Pour qu'en cas d'apparition d'une panne, la continuité de service puisse être assurée, il est important que différents types de défaut d'un actionneur puisse être détectés à temps. Dans ce mémoire nous avons développé deux aspects de la continuité de service des machines synchrones à aimants permanents. Le premier concerne la commande sans capteur des actionneurs synchrones à aimants permanents, avec l’amélioration de sa robustesse, puis ensuite nous montrons comment cette commande peut-être utilisée de façon fiable pour assurer la continuité de service en cas de perte du capteur mécanique. Le deuxième aspect abordé est la détection de défaut d'isolation inter-spires des bobines statoriques des machines synchrones à aimants permanents commandées par un onduleur de tension en régulation de courant ou en régulation de vitesse. Dans un premier temps nous proposons un modèle de machine présentant le type de défaut à détecter et en déduisons deux méthodes. Ces deux méthodes exploitent le déséquilibre de la machine, elles sont vérifiées expérimentalement. Une troisième méthode basée sur l’estimation de résistance est présentée. Ces trois méthodes sont des méthodes fonctionnant « en ligne » et ne nécessitant pas de capteur supplémentaire par rapport à une commande classique / In embedded systems, electric actuators tend to replace hydraulic ones for compactness and manoeuvrability reasons. However, these electric actuators should be as reliable as hydraulic ones. For these actuators, adapted power topologies should be chosen in order to operate even if a failure occurs in the electromechanical conversion chain. To ensure the continuity of service in fault case, different kinds of actuator’s failures should be detected in time. Obviously, the detection methods should be adapted to the fault types. In this work, we developed two aspects related to the continuity of service, the first one on the sensorless control of permanent magnet synchronous machines (PMSM), its robustness and its application in mechanical sensor loss case. The second one deals with the detection of inter-turn insulation fault in stator windings of permanent magnets synchronous machines supply by voltage inverter. In a first time a PMSM model with inter-turn fault is developed, this model allows us to propose two detection methods. Both methods are based on the electric unbalance of the machine and are experimentally validated. Finally a third method based on resistance estimation is presented. These three methods are real time methods and no extra sensor is needed for a standard control

La révolution technologique majeure des nouveaux aéronefs repose sur une électrification intensive de nombreux constituants de l'appareil et le fait que la vitesse des génératrices électriques n'est plus fixe mais variable. Cette nouvelle manière de générer la puissance électrique engendre des variations de tension sur les réseaux DC. De plus, pour accroître la compacité des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) à puissance donnée, on augmente autant que possible leur vitesse d'entrainement, en les associant pour certaines applications à des réducteurs mécaniques. La variation du niveau de tension du bus DC alimentant une MSAP haute vitesse implique son dimensionnement afin d'assurer sa contrôlabilité sur toute la plage de vitesse reportant d'importantes contraintes sur l'onduleur de tension. Pour pallier ce problème, une solution consiste à intercaler un convertisseur DC/DC entre le filtre d'entrée et l'onduleur de tension pour maintenir la tension DC d'entrée de l'onduleur à une valeur adaptée au fonctionnement de la MSAP et optimiser son dimensionnement. Cependant, cette solution augmente l'ordre du système, ce qui accroît la complexité de son contrôle, accentuée par les contraintes liées à la nature haute-fréquence des MSAP considérées.Les travaux menés dans cette thèse concernent l'étude, l'optimisation et le contrôle des structures d'alimentation des actionneurs haute vitesse connectés aux réseaux DC avioniques à tension variable. Il en résulte que pour les applications avioniques considérées, ces architectures d'alimentation intégrant un convertisseur DC/DC supplémentaire permettent de réduire sa masse et son volume sans dégrader le rendement global de la chaîne de conversion notamment avec les convertisseurs à source impédante qui permettent de supprimer structurellement les ondulations de courant en entrée du convertisseur. De plus, des stratégies de commande Pulse Amplitude Modulation employées avec des architectures de contrôle non-linéaires (platitude, passivité) permettent d'assurer le contrôle de ces MSAP haute-vitesse tout en assurant leur stabilité sur toute la plage de fonctionnement / The main technological revolution of the new aircrafts is based on intensive electrification of many components of the aircraft. Moreover, the speed of electrical generators is no longer fixed but variable. This new way of generating electrical power generates voltage variations on DC networks. Besides, to increase the compactness of the Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM) at a given power, their mechanical speed is increased as much as possible by combining them with mechanical reducers for certain applications. The variation of the voltage level of the DC bus supplying a high-speed PMSM implies its sizing in order to ensure its controllability over the entire speed range which carries significant stresses on the Voltage Source Inverter (VSI). To solve this problem, one solution consists in adding an extra DC / DC converter between the input filter and the VSI to maintain the inverter input voltage at a value adapted to the operating point of the PMSM and to optimize its dimensioning. However, this solution increases the order of the system, which increases the complexity of its control, accentuated by the constraints related to the high-frequency nature of the PMSMs considered. The work carried out in this thesis concerns the study, the optimization and the control of the power supply architecture of the high-speed actuators connected to variable-voltage avionic DC networks. As a result, for the avionics applications considered, these power supply architectures integrating an additional DC / DC converter make it possible to reduce the mass and the volume of the power supply structure without degrading the overall efficiency of the conversion chain, in particular by using the impedance-source converters which allow to cancel the DC input current ripples. In addition, Pulse Amplitude Modulation (PAM) control strategies used with non-linear control architectures (flatness, passivity) make it possible to control these high-speed PMSMs while ensuring their stability over the entire operating range

Cette thèse présente le dimensionnement d’une machine électrique à rotor disque pour la traction de véhicules hybrides. Un état de l’art complet sur les machines électriques à rotor disque permet de montrer que la machine à flux axial à rotor central est la plus adaptée. Différentes géométries du circuit magnétique sont successivement étudiées et comparées par simulations par éléments finis. Pour maximiser le rendement de la machine, les pertes d’origine électromagnétique sont étudiées. Un modèle analytique des pertes par effet de peau dans les conducteurs de cuivre est proposé et validé par éléments finis. Un second modèle analytique estime les pertes par courant induits dans les aimants permanents pour tous les points de travail de la machine se basant sur uniquement trois simulations par éléments finis permettant ainsi un gain de temps important lors du dimensionnement. Deux méthodes de dimensionnement sont comparées : le dimensionnement manuel par essais/erreurs et l’optimisation multi-objectifs. Cette dernière méthode automatise le dimensionnement et permet une optimisation plus pointue et une forte amélioration des performances. Dans ce cas, la densité de couple a par exemple été augmentée de 29%. La machine à flux axial dimensionnée est comparée avec une machine à flux radial pour véhicules hybrides. Cette comparaison révèle le potentiel de la machine à flux axial avec notamment une densité de couple augmentée de plus de 20%. Enfin, deux prototypes ont été construits et mesurés pour valider les simulations. / This PhD presents the design of a disc rotor electric machine for the traction of hybrid vehicles. A complete state of the art enables the selection of the internal rotor axial flux machine which is the most suited to this application. Different geometries of the magnetic circuit are successively studied and compared with finite elements simulations. To maximize the efficiency of the machine losses generated in the magnetic circuit are studied. An analytic model on the skin effect in the copper conductors is proposed and validated with finite elements simulations. A second analytic model estimates the eddy current losses in the permanent magnets for every operating point of the machine based on only three finite element simulations enabling an important time-saving. Two dimensioning methods are compared: the manual dimensioning based on a tries/errors method and the multi-objectives optimization. This last method automates the dimensioning and enables a more refined optimization and a strong improvement of the performances. For example, the torque density has been improved by 29% in that case. The designed axial flux machine is compared to a state of the art radial flux machine for hybrid vehicle. This comparison shows the potential of the axial flux machine with an improvement of the torque density by more than 20%. Finally two prototypes have been built and measured to validate the simulations.