Les travaux présentés concernent la modélisation analytique et l’optimisation des machines synchrones à aimants devant fonctionner à haute vitesse dans le cadre de la traction partiellement ou totalement hybrides.Toutefois, une telle application cumule des difficultés d’ordre électromagnétique, thermique et mécanique. D’où l’intérêt de la première partie qui s’intéresse à établir un état de l’art des particularités du fonctionnement à haute vitesse. Ensuite, une modélisation analytique multi-physique simplifiée a été mise en œuvre afin de mener une première comparaison entre quatre types de rotors à aimants. Celle-ci a été basée sur une optimisation multi-objectifs de manière à optimiser la vitesse de base tout en améliorant le rendement sur un cycle. Dans l’optique d’atteindre les performances souhaitées, une modélisation fine des interactions multi-physiques a été réalisée. Les verrous s’opposant à cette amélioration sont bien connus et sont principalement liés à la compacité des structures recherchées.Le cœur de la modélisation interactive que nous avons proposée réside dans la modélisation électromagnétique qui, à l’aide d’un calcul par des schémas réluctants maillés, permet de faire un choix entre deux types de commandes : en courant ou en tension. L'augmentation de la vitesse nécessite de s'intéresser sérieusement aux pertes fer et aux pertes mécaniques. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à développer un modèle mécanique qui estime la vitesse maximale de rotation pouvant s’intégrer aisément dans une procédure d’optimisation. La modélisation est ensuite couplée à un algorithme par essaims particulaires selon une méthodologie de conception faisant intervenir l’approche du dimensionnement optimal.Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet ANR AAP TTD « e-MECA » (électromécanique Embarquée à Compacité Améliorée) dont les partenaires sont : Valeo (porteur), SKF, IFPEn, TEMPO, Dynfluid et le SATIE. / The work presented concern the analytical modeling and optimization of high speed permanent magnet synchronous machines for Hybrid Electric traction motor.However, such an application accumulates difficulties of electromagnetic, thermal and mechanical order. The first part is interested in establishing a state of the art of the high-speed applications’ particularities. Then, a simplified multiphysic and analytic modeling was implemented to conduct a first comparison between four kinds of PM rotors. This was based on a multi-objective optimization in order to optimize the delivery speed while improving the cycle efficiency. In order to achieve the desired performance, precise multiphysics interactions’ modeling was performed. Bolts opposing this improvement are well known and are mainly related to the compactness of the desired structures.The core of the proposed interactive modeling is the electromagnetic modeling which, using a reluctance network, allows to choose between two kinds of control: current control or voltage control. The high speed constraint requires serious interest to iron and mechanical losses. In this work, we are interested in developing a mechanical model which estimates the maximum speed which can be integrated easily into an optimization procedure. The model is then coupled with a particle swarm algorithm in order to involve the optimal sizing approach.These works join within the framework of the project ANR AAP TTD "e-MECA" (électromécanique Embarquée à Compacité Améliorée) where the partners are: Valeo (project leader), SKF, IFPEn, TEMPO, Dynfluid and SATIE.

Parmi les différentes structures de machines électriques existantes, les machines à flux transverse (MFT) sont reconnues pour leur fort couple massique et volumique. Malgré cet avantage, leur complexité et leur coût de fabrication élevés font que ce type de machine ne dépasse que rarement le stade de prototype. De plus, d’importantes pertes fer dues à des fréquences de fonctionnement élevées limitent encore l’utilisation de ces machines aux applications basse vitesse et fort couple : la MFT est alors principalement utilisée dans des dans les aérogénérateurs à attaque directe et dans certaines applications de traction électrique (bus, automobile, tram, navire, …). Le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle configuration de MFT : la MFT à griffe ou claw-pole, à stator hybride. Grâce à l’utilisation combinée de tôles électriques et de poudre de fer au stator de la machine, les pertes fer de cette configuration de MFT sont considérablement réduites et sa fabrication grandement simplifiée. Le concept de stator hybride peut être exploité pour réduire les pertes fer de la MFT encore davantage, par l’emploi de matériaux possédant des propriétés magnétiques supérieures à celles des matériaux actuellement utilisés au stator de la machine. L’effet de la substitution des noyaux de tôles électriques au stator par des noyaux fabriqués à partir de matériaux amorphes est étudié dans ce mémoire. Des mesures expérimentales de pertes fer permettent, dans un premier temps, de prouver la réduction des pertes totales d’une MFT claw-pole à stator hybride monopolaire utilisant des noyaux amorphes. Dans un second temps, des simulations par éléments finis couplées à des résultats expérimentaux montrent l’augmentation du rendement d’une MFT complète à noyaux amorphes et le maintien de ce dernier à un niveau élevé à des fréquences de fonctionnement supérieures à 400 Hz. / Transverse flux machines (TFM) are known for their excellent torque-to-mass and torque-to-volume ratio when compared to conventional machines. Despite this advantage, they have some serious shortcomings like complex construction and high cost, explaining why TFM that can be found in the literature are usually only prototypes. Moreover, the TFM shows a dependence of its force density upon its pole pitch and airgap thickness, which leads to high electrical frequencies and thus to high core losses. For all these reasons, this type of machine could be considered in high-torque low-speed applications such as wind turbines or electrical traction drives. The work presented in this document contributes to the development of a new TFM configuration: the claw-pole TFM with hybrid stator (CPTFMHS). Such a stator built from a combination of Fe-Si laminations and powdered iron (SMC), enables reducing iron losses significantly and improving the ease of manufacturing of the machine. The concept of the hybrid stator can be further developed by using new magnetic materials with lower specific losses. The substitution of Fe-Si laminations by amorphous cores in the stator of the CPTFMHS is studied in this work and presented here. Experimental measurements are conducted on a one-pole pair CPTFMHS machine with an amorphous core: the results show a reduction of the total iron losses, thus proving benefits of amorphous cores used in the machine. Finite element simulations coupled with experimental measurements lead to the following conclusion: the efficiency of a CPTFMHS machine can be maintained to a high level at frequencies above 400 Hz, thanks to the use of amorphous cores, which may not be possible with Fe-Si laminations.

Le mémoire investiguera une stratégie de commande non linéaire dont l'objectif est de maximiser la puissance active Pékc de sortie d'une machine synchrone à aimant permanent à flux transverse (MSAPFT) monophasée, utilisant un redresseur actif à commutation forcée dans une application éolienne. Dans une MSAPFT, la reactance statorique Xs en p.u. est élevée et la saturation dans le noyau magnétique du stator engendre des comportements non linéaires que la stratégie de commande doit considérer. L'emphase sera portée sur le développement d'une relation entre le couple moyen T et le courant statorique is, déterminée à l'aide d'un outil de modélisation de MSAPFT, basé sur des simulations par éléments finis. C'est à partir de cette relation couple-courant qu'une loi de commande ic(T) est déduite, maximisant ainsi le couple moyen T et donc la puissance active de sortie Pélecét la machine. Des gains de puissance de l'ordre de 10% peuvent être observés lorsque l'on applique cette loi de commande ic(T) dont la valeur d'angle de phase y/opl est optimale comparativement à une loi de commande qui impose un angle de phase y/ égale à zéro. Enfin, des simulations du système de commande, incluant le modèle de MSAPFT conçu ainsi qu'un redresseur actif à MOSFET, permettent de valider ces résultats. Des essais expérimentaux de la commande en courant d'un prototype d'alternateur de MSAPFT viennent aussi appuyer l'argumentation.

La conception d'une machine haute vitesse est un problème multiphysique très complexe. Les contraintes mécaniques au rotor sont très élevées et la dynamique du rotor ne peut pas être négligée sinon les vibrations excessives risquent de détruire la machine. Même les pertes aérodynamiques créées par le frottement entre le rotor et l'air dans l'entrefer ne peuvent être négligées. La vitesse élevée implique également une fréquence électrique très élevée et donc des problèmes de pertes additionnelles dans le bobinage, de pertes fer, de pertes par courant de Foucault au rotor et de pertes de commutation dans les composantes de puissance de l'onduleur. Les pertes par courant de foucault au rotor, par exemple, augmentent la température des aimants risquant ainsi d'altérer leur performance ou même de les démagnétiser. Le concepteur doit faire preuve d'ingéniosité pour trouver des solutions et des compromis entre ces nombreux problèmes tout en considérant les couplages multiphysiques entre les modèles. Par exemple, l'augmentation de la fréquence de hachage permet la réduction des pertes par courant de foucault au rotor, mais augmente les pertes par commutation dans l'onduleur d'où la nécessité de l'atteinte d'un premier compromis. Les machines synchrones à aimants permanents montés en surface étant des machines prometteuses pour fonctionner à des vitesses et densités de puissance élevées, l'objectif du présent travail de recherche est de développer un outil de CAO adapté à ce type de machine et d'en déduire des règles de conception. Le calcul de champs 2D magnétostatique et magnétoharmonique est directement piloté par un algorithme d'optimisation pour permettre une estimation précise des paramètres les plus complexes à modéliser pour des espaces de conception et des topologies variés. Une étude comparative de moteurs optimisés pour différentes vitesses et densités de puissance a permis de déduire des règles de conception comme le choix du nombre de pôles et l'équilibre entre les pertes cuivre et les pertes fer. Le **Chapitre 1** traite de l'état de l'art actuel de la conception de machines haute vitesse. Les différents défis de conception et de réalisation sont exposés et discutés ainsi que les principales solutions possibles. Le **Chapitre 2** présente différents modèles adaptés aux machines haute vitesse permettant d'aider le concepteur dans son processus. L'implantation de la méthode de conception directe par calcul de champs à l'aide de MATLAB, PYTHON et CEDRAT FLUX est exposé dans le **Chapitre 3** alors que son utilisation pour l'obtention de règles de conception et son application sur un générateur de 80kW fonctionnant à 70000 rpm sont traités au **Chapitre 4**. Finalement, le **Chapitre 5** traite des différentes solutions aux problèmes majeurs des pertes dans les aimants. / Conception of a high-speed electrical machine is a complex multiphisics problem. Mechanical constraints in the rotor are high and rotor dynamics cannot be neglected otherwise excessive vibrations could destroy the machine. Even aerodynamic losses caused by friction between the rotor and the air in the air gap cannot be neglected. High-speed also implies high electrical frequency and therefore additional losses in the windings, iron losses, losses in the rotor et switching losses in power electronics. Rotor losses, for example, raise the temperature of the magnets and may alter their performance or even demagnetize them. The designer must therefore show ingenuity to find solutions and compromises between these numerous problems while considering the multiphysics couplings. For example, increasing switching frequency of the inverter allows the reduction of rotor losses, but increases switching losses in power components, hence the need to reach a compromise. Since Surface Mounted Permanent Magnet synchronous (SMPM) machines are promising for operating at high speeds and power density, the aim of this research is to develop an optimization process adapted to this type of machine that makes it possible to deduce design rules. Parametric magnetodynamic and magneto-harmonic FEA simulations are directly driven by an optimization algorithm to allow accurate estimation of parameters that are difficult to evaluate for various design spaces and topologies. A comparative study of motors optimized for different speeds and power density made it possible to deduce design rules such as the choice of the number of poles and the balance between copper losses and iron losses. First, Chapter 1 introduces the current state of the art for high-speed machines designs. Various design and fabrication challenges are discussed as well as popular solutions. Chapter 2 shows models adapted to high-speed machines to help the designer in his process. Implementation of the optimization process by direct field calculation using MATLAB, PYTHON and CEDRAT FLUX is shown in chapter 3 while its use for obtaining design rules and its application for an 80 kW generator are in chapter 4. Finally, a few solutions for magnet losses are studied in chapter 5.

Un pont à diodes ne peut pas être utilisé avec une génératrice à flux trans verse en raison de sa grande inductance statorique. Le but de cette étude est d'examiner différentes solutions pour des redresseurs utilisés avec une génératrice à flux transverse fonctionnant à vitesse variable en regardant leurs avantages et inconvénients. Comme solutions conventionnelles, des ponts à diodes avec compensation passive et des redresseurs à MLI sont étudiés. Aussi, une nouvelle topologie de redresseur à haut rendement sera présentée qui peut être utilisée avec des sources à fréquence variable ayant une inductance très élevée et saturable incluant les machines à flux transverse

Ce mémoire porte sur le développement d'une méthode de conception d'entraînements à vitesse variable par modèles analytiques en appliquant un processus d'optimisation sur les machines synchrones cylindriques. Cette méthode de conception permet de considérer l'ensemble des points de fonctionnement de l'entraînement et ses cycles d'opération. Après avoir réalisé le dimensionnement de la machine, on utilise un modèle de type circuit électrique équivalent pour vérifier les performances dans des conditions de fonctionnement variées. Une méthode d'optimisation globale permet de rechercher la meilleure solution possible pour satisfaire l'ensemble des contraintes du cahier des charges. On utilise aussi une méthode de correction itérative pour améliorer la précision des modèles et valider la solution optimale avec un logiciel de calcul des champs par éléments finis. Nous développons une méthode permettant de prendre en compte les caractéristiques non linéaires des matériaux magnétiques et la saturation. On présente deux exemples de la méthode de conception pour des cahiers des charges d'applications utilisant des ensembles convertisseur-machine sur une large plage de vitesse. Le premier est un alternateur à griffes d'automobile de type Lundell et le deuxième, un moteur de traction pour un véhicule électrique. / This project presents a design method of variable speed drives with analytical models by applying an optimization process. It concerns synchronous machines. This design method permits to consider the set of points in a torque-speed chart of the drive and its cycles of operation. After having calculated the dimensions of the machine, one uses an electrical circuit model to verify performances. A method of global optimization is used to search for the best solution to satisfy the set of constraints and specifications. One also uses an iterative method of parameter correction to improve the precision of models and to validate the optimal solution with FE software. We develop a design method taking account non linear magnetic characteristic of materials and magnetic saturation. One presents two design examples for applications using drive Systems on a wide range of speed. The first is a claw-pole lundell car alternator and the second, an electric traction System.

La problématique des réfugiés fait partie du cadre plus large des politiques migratoires et de la migration internationale en général. Étant un pays d’immigration, le Canada a dû composer avec plusieurs vagues migratoires et s’y adapter en changeant sa politique d’immigration (au niveau fédéral et provincial) en définissant, en termes numériques, les objectifs annuels d’admission des immigrants (le nombre souhaité d’immigrants), ainsi que les objectifs politiques, humanitaires, économiques et démographiques à long terme. Le groupe visé par le présent rapport (les demandeurs d’asile et les réfugiés) se distingue de toute autre catégorie d’immigration par la spécificité de sa condition - une fuite involontaire et une absence de protection des autorités nationales de leur pays. Au plan international et dans le cadre de la politique canadienne, un réfugié: « l’individu qui fuit la persécution » devient un «demandeur d’asile » au moment de faire face à un processus de reconnaissance du statut de réfugié, conforme aux définitions, aux lois et à la politique d’immigration canadiennes. Les étapes de ce processus sont importantes, parce qu’elles établissent une continuité de la demande d’asile, mais aussi parce qu’elles influencent la comptabilisation et les statistiques sur les demandeurs d’asile et les réfugiés. Les données de Citoyenneté et Immigration Canada figurent parmi les rares sources disponibles donnant à la fois des informations sur les demandeurs d’asile et les réfugiés. Cette population au Canada est mal connue et assez difficile à décrire à cause de la faiblesse des statistiques. Du point de vue démographique, une meilleure connaissance du nombre et de l’évolution des immigrants de la catégorie « demandeur d’asile » ou « réfugié », ainsi que de leurs caractéristiques sociodémographiques (sexe, âge, scolarité, connaissances linguistiques, pays d’origine, etc.) aide à cerner leurs besoins en services et à leur fournir des politiques adéquates d’intégration à la culture et à la vie canadiennes. / The problem of refugees is part of the broader framework of migration policies and international migration in general. As a country of immigration, Canada has had to deal with several waves of migration and to adapt its immigration policy (at the federal and provincial level) by defining, in numerical terms, the annual targets for the admission of immigrants (the desired number of immigrants), as well as its political, humanitarian, economic and demographic objectives. The target group for this report (the asylum seekers and refugees) differs from any other category of immigration by a specific condition – an inadvertent leak and a lack of protection from the national authorities of their country. At the international level and in the context of Canadian politics, a refugee: “the individual who is fleeing persecution” becomes an “asylum seeker” when engaging a process of recognition of refugee status, consistent with the Canadian immigration policy. The steps involved in this process are important because they establish continuity in the application process for asylum, but also because they influence the accounting and statistics on asylum seekers and refugees. The data from Citizenship and Immigration Canada are among the few sources available that provides indication on both asylum seekers and refugees. From a demographic point of view, a better knowledge of the number and the evolution of the immigrants of the category “asylum seeker” or “refugee”, as well as of their sociodemographic characteristics (sex, age, education, language skills, country of origin, etc.) help to identify their needs in services and to provide them with adequate policies of integration to Canada.

Cette thèse de doctorat s'inscrit dans un projet pour le développement du transport ferroviaire piloté par la société ALSTOM Transport. Il répond aux prévisions de quadruplement des déplacements interurbains et régionaux en France à l'horizon 2020 en respectant les contraintes environnementales très sévères, dont les normes restrictives du niveau de bruit émis par les trains. Une réduction importante du bruit émis par le moteur est donc nécessaire. Notre mission dans ce projet a été de développer un outil capable de prédire le bruit d'origine électromagnétique produit par les moteurs synchrones à aimants permanents, équipés d'un bobinage distribué ou concentré, et alimentés par des tensions MLI. Pour cela, un modèle multi-physique a été développé.Un couplage numérique - analytique a été mis en place pour calculer les forces magnétiques dans l'entrefer. La perméance globale d'entrefer et les inductances synchrones sont ainsi calculées grâce à des simulations éléments finis en statique, et très rapides. Un niveau de précision et de rapidité de résolution inégalé est obtenu pour le calcul des forces magnétiques. L'alimentation MLI, la perméabilité des clavettes, la saillance du rotor et l'asymétrie des dents du stator sont pris en compte. La rapidité de l'outil permet un couplage avec un superviseur d'optimisation. Deux prototypes ont été dimensionnés et fabriqués dans le but de valider le modèle multi-physique / This thesis is part of a project for the development of rail transportation piloted by ALSTOM TRANSPORT. It meets the forecasts of fourfold increase of the interurban and regional travels in France before 2020, by respecting very severe environmental requirements, among which the restrictive standards of noise level emitted by trains. An important reduction of the noise radiated by motors is required. Our mission in this project was to develop a tool capable of predicting the electromagnetic noise produced by permanent magnet synchronous motors equipped with distributed or concentrated windings, and fed by a PWM converter. For that purpose, a multi-physics model was developed.A numerical - analytical coupling was set up to calculate the airgap magnetic pressures. Global airgap permeance and synchronous inductances are thus calculated thanks to statics finite element simulations. An unequalled level of precision and speed of resolution is obtained for the computation of airgap magnetic pressures. The PWM supply, the wedge permeability, the rotor shape and the asymmetry of stator teeth are taken into account. The quickness of the resolution allows coupling our tool with an optimization supervisor. Two prototypes were designed and built in order to validate the multi-physics model

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).

La problématique des réfugiés fait partie du cadre plus large des politiques migratoires et de la migration internationale en général. Étant un pays d’immigration, le Canada a dû composer avec plusieurs vagues migratoires et s’y adapter en changeant sa politique d’immigration (au niveau fédéral et provincial) en définissant, en termes numériques, les objectifs annuels d’admission des immigrants (le nombre souhaité d’immigrants), ainsi que les objectifs politiques, humanitaires, économiques et démographiques à long terme. Le groupe visé par le présent rapport (les demandeurs d’asile et les réfugiés) se distingue de toute autre catégorie d’immigration par la spécificité de sa condition - une fuite involontaire et une absence de protection des autorités nationales de leur pays. Au plan international et dans le cadre de la politique canadienne, un réfugié: « l’individu qui fuit la persécution » devient un «demandeur d’asile » au moment de faire face à un processus de reconnaissance du statut de réfugié, conforme aux définitions, aux lois et à la politique d’immigration canadiennes. Les étapes de ce processus sont importantes, parce qu’elles établissent une continuité de la demande d’asile, mais aussi parce qu’elles influencent la comptabilisation et les statistiques sur les demandeurs d’asile et les réfugiés. Les données de Citoyenneté et Immigration Canada figurent parmi les rares sources disponibles donnant à la fois des informations sur les demandeurs d’asile et les réfugiés. Cette population au Canada est mal connue et assez difficile à décrire à cause de la faiblesse des statistiques. Du point de vue démographique, une meilleure connaissance du nombre et de l’évolution des immigrants de la catégorie « demandeur d’asile » ou « réfugié », ainsi que de leurs caractéristiques sociodémographiques (sexe, âge, scolarité, connaissances linguistiques, pays d’origine, etc.) aide à cerner leurs besoins en services et à leur fournir des politiques adéquates d’intégration à la culture et à la vie canadiennes. / The problem of refugees is part of the broader framework of migration policies and international migration in general. As a country of immigration, Canada has had to deal with several waves of migration and to adapt its immigration policy (at the federal and provincial level) by defining, in numerical terms, the annual targets for the admission of immigrants (the desired number of immigrants), as well as its political, humanitarian, economic and demographic objectives. The target group for this report (the asylum seekers and refugees) differs from any other category of immigration by a specific condition – an inadvertent leak and a lack of protection from the national authorities of their country. At the international level and in the context of Canadian politics, a refugee: “the individual who is fleeing persecution” becomes an “asylum seeker” when engaging a process of recognition of refugee status, consistent with the Canadian immigration policy. The steps involved in this process are important because they establish continuity in the application process for asylum, but also because they influence the accounting and statistics on asylum seekers and refugees. The data from Citizenship and Immigration Canada are among the few sources available that provides indication on both asylum seekers and refugees. From a demographic point of view, a better knowledge of the number and the evolution of the immigrants of the category “asylum seeker” or “refugee”, as well as of their sociodemographic characteristics (sex, age, education, language skills, country of origin, etc.) help to identify their needs in services and to provide them with adequate policies of integration to Canada.