La prise en compte des pertes fer dans les machines électriques est une étape cruciale lors du processus de conception. L'objectif de ce travail a donc été de valider l'implémentation d'un modèle de pertes fer tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le choix s'est porté sur l'utilisation de modèles de calcul des pertes en post-traitement d'un code par éléments finis. Ainsi, différents modèles analytiques ont été comparés en régime sinusoïdal et non sinusoïdal (sans cycles mineurs) en termes de précision, afin de choisir le plus adapté pour une implantation dans code_Carmel. Par ailleurs, nous avons montré que la prise en compte des cycles mineurs peut être améliorée en remplaçant le terme classique de Steinmetz par un modèle d'hystérésis ou par un modèle analytique adapté. L'implémentation et la précision du modèle analytique ont été évaluées d'abord sur des systèmes simples puis sur plusieurs machines tournantes. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais à vide montre une bonne concordance et démontre la capacité du modèle à estimer les pertes fer avec une bonne précision pour une large gamme de machines électriques et pour les deux types d'alimentations utilisés (sinusoïdale et MLI).

La consommation importante de nos réserves énergétiques mondiale ainsi que la sensibilisation actuelle aux problèmes d'écologie imposent aux fabricants d'augmenter le rendement de leurs systèmes électromécaniques. L'étude menée dans ce rapport s'intéresse au calcul des pertes magnétiques, méconnues bien que représentant une part non négligeable dans les bilans de puissance. Pour ce faire, nous avons astucieusement instrumenté magnétiquement et thermiquement une machine asynchrone. Ceci nous permet de localiser et d'étudier l'évolution des inductions lors de conditions de fonctionnements variées. A cette fin, un banc d'essai nous permettant d'agir sur divers paramètres (tension, fréquence, couple) a été réalisé. Dans le même temps, une modélisation numérique fine du système est menée avec le logiciel Flux2D. Elle intègre le maximum de phénomène électrique et mécanique : alimentation, cage d'écureuil, effets de bord, température des conducteurs, mouvement du rotor. La cartographie magnétique ainsi obtenue est comparée et validée par rapport aux résultats issus de l'instrumentation. Un modèle de calcul d'hystérésis dynamique basé sur la connaissance de l'induction et de sa dérivée temporelle est ensuite appliqué à chaque élément du maillage. Ce dernier permet une représentation fidèle des phénomènes magnétiques statiques et dynamiques des tôles. Validé sur des geometries simples pour différentes formes d'ondes, il est ici appliqué au cas complexe d'une machine tournante. Les résultats obtenus à vide comme en charge confirment ses performances vis-à-vis des modèles utilisés actuellement dans l'industrie.

Le développement important ces dernières années du secteur du transport s'est accompagné d'une inquiétude accrue pour le respect de l'environnement. Bien que le transport ferroviaire présente une efficacité énergétique élevée, il n'en est pas pour autant dénué de nuisances environnementales. L'intégration du développement durable lors de la conception optimale de machines électriques devient alors indéniable. Cela impose de tenir compte simultanément d'un grand nombre de phénomènes physiques. Cette thèse a alors pour objectif de mettre en avant une méthodologie de conception en accord avec la volonté actuelle d'optimisation économique et écologique. Un modèle multi-physique a alors été développé dans le but de représenter les phénomènes électromagnétiques, vibro-acoustiques et aérothermiques dans un moteur asynchrone fermé auto-ventilé dédié à la traction ferroviaire. Ce modèle est en fait composé de plusieurs modèles, analytiques ou semi-analytiques, interagissant entre eux. Chaque modèle représente des phénomènes physiques spécifiques. Un intérêt particulier a été porté au modèle aérothermique et au modèle de pertes, notamment pour la modélisation des pertes au sein du circuit magnétique. Bien qu'ils soient tous deux analytiques, le développement de ces deux modèles a fait appel à des études numériques préalables. L'efficacité du modèle multi-physique et son respect des tendances d'évolution ont pu être mis en évidence par une comparaison avec des résultats d'essais expérimentaux sur moteur réel et par une analyse de l'influence des incertitudes.

Suite aux directives européennes incitant les constructeurs de moteurs électriques à supprimer<br />de leur offre, les moteurs à faible rendement, une politique de conception de moteurs à haut<br />rendement est engagée. Toutefois, l'évaluation préalable, en simulation, de ce paramètre, et<br />notamment des pertes fer de la machine reste aujourd'hui un problème difficile. Dans cette<br />optique, depuis quelques années, un modèle, nommé « Loss Surface », de calcul a posteriori<br />des pertes fer sous le logiciel éléments finis Flux2D™ a été développé. Au cours de ce travail,<br />plusieurs améliorations sont apportées à ce modèle LS. Un nouveau banc de caractérisation à<br />partir d'un onduleur de tension performant a permis de prolonger en fréquence la surface<br />dynamique LS. Une nouvelle formulation de l'identification de la contribution dynamique, plus<br />simple, a également été réalisée. Au final, les gains apportés sont conséquents. Deux machines<br />synchrones à aimants aux caractéristiques très différentes ont ensuite été utilisées pour évaluer<br />les améliorations sur des structures complexes. La première machine, nous a permis de tester<br />l'impact du niveau d'induction sur l'évolution des pertes fer, et la seconde machine, l'influence<br />de la fréquence. Deux phénomènes physiques importants ont également été étudiés afin de<br />connaître leurs contributions aux pertes d'origine magnétique : les pertes par courants induits<br />dans un matériau massif tel qu'un aimant, et l'effet sur les propriétés magnétiques des contraintes<br /> mécaniques induites par le poinçonnage du circuit magnétique.

Dans le cadre de la lutte contre l'augmentation des gaz à effet de serre et la préservation de l'environnement, l'efficacité énergétique est un enjeu majeur du XXIème siècle. Par exemple, les moteurs et actionneurs électriques sont de plus en plus nombreux dans le monde, les transformateurs de distribution affichent une efficacité énergétique de 97 à 99 %. Cependant, en raison de leur utilisation intensive, leur impact environnemental est loin d'être négligeable. De ce fait une compréhension et une détermination plus précise des pertes dans ces machines électriques permettraient d'améliorer l'efficacité énergétique des dispositifs d'électronique de puissance et des machines électriques. Ces dispositifs sont le siège de pertes dans les bobinages et dans les circuits magnétiques. L'objectif de cette thèse est de pouvoir modéliser, par des méthodes numériques de type éléments finis, les pertes dans les circuits magnétiques feuilletés des machines électriques.Cependant le laminage de ces circuits magnétiques, qui permet de réduire les courants de Foucault, induit de fortes contraintes de modélisation. En effet la nécessité de disposer d'au moins deux éléments finis dans l'épaisseur de peau pour obtenir une solution de qualité, conduit à la réalisation de maillages de taille très importante, incompatible avec les moyens de calcul disponibles aujourd'hui.L'objectif de ce travail est de développer des modèles de lois de comportement homogénéisé des matériaux magnétiques feuilletés dans le cadre de l'utilisation de la méthode des éléments finis en 2D et 3D, avec application aux machines tournantes et aux transformateurs. Ces modèles à priori permettront de prendre en compte les pertes en cours de résolution, afin d'obtenir des résultats précis sur les grandeurs locales et globales, et notamment les pertes, en fonction du temps. / Energy efficiency becomes a global major issue of XXIst century as we are dealing with greenhouse emissions. For instance electric rotating machines and actuators are globally more used than before. Distribution transformers do have 97 to 99% efficiency rate, with a non negligible environmental impact due to their intensive use. A thorough understanding and modeling of losses in those electric devices could help improving and maintaining that level of environmental impact and energy efficiency. This could be productive to many electrical devices from power electronics devices to electric machines and networks, because of losses in windings and magnetic cores. The main aim of this study is to model eddy current losses in laminated magnetic cores of electric machines by means of numerical methods such as Finite Element Methods (FEM).Laminating magnetic cores besides reducing eddy current loops, induces new modeling constraints . The necessary assignment of at least two elements in the skin depth in order to have good quality solutions, leads sometimes to unsolvable problems using actual computation solutions.The purpose will be to develop source code of homogenized behavior laws of laminated magnetic cores using 2D and 3D finite element methods, applied to transformers and electrical motors. Those a priori models consider losses in the main solving process allowing to have accurate results on local and macroscopic entities varying temporally.

Le transformateur est aujourd’hui l’un des convertisseurs statiques les plus utilisé notamment dans la distribution électrique. Les tôles magnétiques servant à la construction de leurs circuits magnétiques sont devenues de plus en plus performantes permettant une réduction des pertes produites. Néanmoins, les tests normalisés permettant de caractériser les tôles magnétiques ne reflètent pas totalement le comportement énergétique du transformateur. De plus, une autre problématique a gagné en importance durant ces dernières années : le bruit acoustique émis. Malheureusement, il n’y pas encore de lien entre la qualité de la tôle à grains orientés choisie pour construire le circuit magnétique et le bruit acoustiques que va produire celui-ci. L’objectif de cette thèse est de répondre à cette double problématique à partir de tests simplifiés. En effet, de nombreux dispositifs expérimentaux et méthodologies ont été développés tels que la méthode des trois cadres, permettant d’étudier la répartition des pertes fer dans le transformateur, les circuits magnétiques décalés, permettant d’étudier les phénomènes à l’origine des bruit acoustique, et des modèles de transformateurs monophasés et triphasés. De plus, des simulations numériques ont été effectuées afin d’approfondir nos analyses des résultats expérimentaux. L’étude des dispositifs ont permis de mettre en évidence trois paramètres relatifs à la qualité des tôles magnétiques, entrainant des différences de répartition d’induction set donc des différences de répartition de pertes fer, d’une part, et de bruit acoustique dans les transformateurs, d’autre part. / The transformer is now a static converter most notably used in electrical distribution. The electrical steel sheet used in the construction of their magnetic circuits have become more efficient to reduce losses occurred. However, standardized tests to characterize the electromagnetic steel do not fully reflect the energy behavior of the transformer. In addition, another issue has gained importance in recent years: the acoustic noise. Unfortunately, there is no link between the quality of grain oriented steel selected to construct the magnetic circuit and acoustic noise that will produce it. The objective of this thesis is to answer this dual problem from simplified test. Indeed, many experimental devices and methodologies have been developed such as the method of three frames, to study the distribution of core losses in the transformer, the magnetic circuits shifted, to study phenomena at the origin of acoustic noise, and models of single and three phase transformers. In addition, numerical simulations were performed to deepen our analysis of the experimental results. The study of the devices have allowed to identify three parameters relating to the quality of grain oriented electrical steel, resulting from differences in the distribution of the flux density and therefore, first, the differences in distribution of core loss and, hand, acoustic noise in transformers.

Dans les applications de l’électronique de puissance, les inductances sont généralement utilisées avec des formes d’ondes triangulaire et rectangulaire. Dans ces conditions, les inductances ne peuvent pas être caractérisées avec des formes d’ondes sinusoïdales. Il existe dans la littérature plusieurs méthodes de caractérisation des inductances. Aucune de ces méthodes ne permet de caractériser les composants magnétiques intégrés dans des conditions compatibles avec les formes d’onde de l’électronique de puissance. Une nouvelle méthode de caractérisation en temps réel convenable aux composants magnétiques planaires intégrées est développée dans cette thèse. Le composant sous test est utilisé dans un convertisseur DC-DC. A partir du courant i(t) et de la tension u(t) relevés à ses bornes, il est possible de déterminer la caractéristique φ(i) du composant. Connaissant le cycle d’hystérésis φ(i), les principaux paramètres du composant tels que la valeur de l’inductance, le niveau de saturation du matériau magnétique, les pertes fer peuvent être déterminées. Il convient de préciser qu’après l’enregistrement de u(t) et de i(t), un traitement des données approprié est effectué pour obtenir des signaux exploitables. L’approche a été testée avec succès sur des inductances discrètes et planaires intégrées pour des fréquences de mesure allant jusqu’au MHz. Nous avons ainsi montré que cette méthode permet de relever des cycles mineurs jusqu’à la saturation du matériau magnétique et de tracer l’évolution de l’inductance en fonction de la composante continue du courant. Les résultats montrent que pour de très faibles courants, on a des fortes valeurs de l’inductance qui sont quasiment constantes, en revanche à des courants moyens, l’inductance diminue fortement et à des forts courants, le circuit magnétique se sature et la valeur de l’inductance devient donc très faible. Cette méthode permet également d’étudier l’évolution des pertes fer dans les mêmes conditions d’utilisation que celles rencontrées en électronique de puissance / In applications of power electronics, inductors are generally used with triangular and rectangular waveforms. In these conditions, inductors cannot be characterized with sinusoidal waveforms. Many methods of characterization are developed, but none of them allow the characterization of integrated magnetic components under conditions compatible with power electronics waveforms. A new real-time characterization method suitable for integrated magnetic components is developed in this thesis. The Device under test is inserted in a DC-DC converter. From u(t) voltage and i(t) current recordings, it is possible to determine the φ(i) hysteresis loop that allows main inductor parameters to be determined: inductance value, core losses, and saturation of the magnetic material. It should be made clear when u(t) and i(t) are recorded, suitable signal processing is completed in order to obtain usable signals. The method has been successfully tested on discrete and integrated inductors with measurement frequencies up to MHz. We have thus shown that this method makes it possible to determine minor loops up to the saturation of the magnetic material and to plot the evolution of the inductance versus the DC bias current.The results show that for very low current values, we have obtained strong values of inductor and these values are constant. However, for the mean current, the inductance value decreases drastically and for strong current values, the magnetic material is saturated which causes very small values of inductor. This method also makes it possible to study the evolution of iron losses under the same conditions of use as those encountered in power electronics

Ce travail se place dans le contexte de l'utilisation de machines à aimants permanents dans les véhicules hybrides ou électriques. Un modèle analytique, qui prend en compte les effets de la non linéarité du circuit magnétique, permet d'obtenir les pertes (Joule et fer) quel que soit le point de fonctionnement de la machine. Des cartes d'isorendement dans le plan couple-vitesse peuvent être tracées. Ce modèle a ensuite été utilisé pour étudier .des variantes d'une machine synchrone à aimants. Des comparaisons de consommation sur cycles de route ont été effectuées sur ces machines, ainsi que l'étude d'autres structures de rotor à aimants. Un second modèle a été développé pour répondre à un besoin de' conception. Il a servi pour une optimisation sous contraintes dans un objectif de réduction de coût et de volume.

Les travaux de cette thèse portent sur une nouvelle structure de machine à double excitation (MSDE) pour l'application des véhicules hybrides et électriques. Ce type de machine, ayant deux sources d'excitation, bénéficie un degré de liberté supplémentaire et un contrôle facile sur le flux. Grâce à ce degré de liberté, la machine peut être dimensionnée de manière que son meilleur rendement coïncide avec la zone de fonctionnement la plus sollicitée de la machine. Cette nouvelle structure a fait l'objet principal de ce mémoire. Le fonctionnement de la MSDE est présenté dans les deux premiers chapitres. La machine est dimensionnée suivant un cahier des charges pour véhicule hybride. La validation expérimentale a confirmé le bon fonctionnement de la structure et montré son intérêt. Une autre problématique dans le dimensionnement de la machine est l'aspect thermique car les machines sont devenues de plus en plus compactes et puissantes. Une estimation correcte des pertes est indispensable pour évaluer correctement les performances de la machine. C'est la raison pour laquelle on a décidé de consacrer une partie de cette thèse à la modélisation des pertes fer, dont l'estimation n'est pas évidente.

Le coût, l'autonomie et la durée de vie sont les principaux aspects qui freine le public dans l'achat d'une voiture électrique. Tous ces aspects sont liés à la batterie qui ne permet de stocker qu'une quantité limitée d'énergie. Dans ces conditions, il est indispensable de maîtriser les pertes d'énergie de la chaîne de traction. La machine électrique étant le principal consommateur d'énergie, elle joue un rôle important dans l'efficacité énergétique globale. Dans ce contexte, comment réduire les pertes de la machine électrique pour la rendre plus efficace ? Pour répondre à cette question, l'objectif de ce travail est de modéliser (avec une précision suffisante) et réduire les pertes fer dans notre application machine électrique de traction afin de les maîtriser. On comblera ainsi le manque de confiance en les modèles de pertes fer que peut avoir le concepteur de machine du concepteur de machine en lui permettant de réaliser des optimisations fines jusque dans les dernières phases de développement. Dans la première partie de ce manuscrit, le lecteur découvrira alors une machine synchrone à rotor bobiné du point de vue du matériau magnétique doux. Les premières conclusions montrent qu'une modélisation fine est nécessaire pour bien prendre en compte les phénomènes générateurs de pertes. On s'intéresse également à la mesure des matériaux magnétiques doux afin de comprendre de manière générale et tangible les pertes dans le matériau. On prend également conscience de la toute première source d'incertitude des modèles, la mesure du matériau. Enfin, nous présentons les démarches couramment rencontrées dans la littérature pour la modélisation des pertes fer. Face aux limitations des modèles couramment rencontrés, le modèle LS (un modèle d'hystérésis scalaire qui décompose les pertes en une contribution statique et une contribution dynamique) est redéveloppé afin qu'il réponde encore mieux aux exigences de l'industrie automobile. Il est précis et facilement identifiable à partir de mesures faciles à réaliser. La contribution statique reprend le modèle de Preisach formulé à l'aide des fonctions d'Everett dont l'identification à partir des caractéristiques mesurées est directe. La contribution dynamique quant à elle est dorénavant identifiable à partir de caractérisations en induction sinusoïdales. La précision du modèle ainsi améliorée est ensuite validée sur 63 cas tests exigeants dont la forme de l'induction est à fort contenus harmoniques. Le modèle développé est ensuite couplé avec un modèle électromagnétique élément finis de la machine électrique et validé par l'expérience. Les mesures faites sur le matériau étant l'un des points faibles des modèles, une méthodologie permettant d'évaluer la pertinence de la plage des mesures est proposée. On dresse également un état de l'art de l'impact du process (découpage, empilement et assemblage des tôles) sur les pertes fer afin d'aider le concepteur à mettre en balance les impacts liés au process qui n'ont pu être modélisés. Enfin des méthodologies parmi lesquels, les méthodologies des plans d'expériences sont mises en place afin d'optimiser les cartographies de commandes en des temps de calcul raisonnables. On montre des gains allant jusqu'à 50% de réduction des pertes totales de la machine dans certaines zones de fonctionnement par rapport à une optimisation dont l'objectif serait de minimiser uniquement les pertes dans les conducteurs de la machine. Ces résultats montrent l'intérêt d'utiliser un modèle de pertes fer précis afin de réduire les pertes totales de la machine. / Cost, range and lifetime are the main aspects that hold back the consumer to buy electric cars. These three aspects are all related to the battery which stores a limited amount of energy. Under such condition energy consumption is a major concern in electric cars. As the major electricity consumer, electrical machines play a key role for global energy savings. In this context how the electric machine can be made more energy efficient? To answer this question this thesis aim to model (accurately enough) and reduce the iron losses in traction electrical machine for electrical car. Indeed iron loss model suffer from a lack of confidence when it comes to fine optimization during the late phase of development. This thesis answers this question and takes into account the development criteria of the car industry and the constraints of the electric car. The first part of the thesis gives an overview of the application by taking a wounded rotor synchronous machine as a case study. The reader will discover the electrical machine with a soft magnetic material perspective. First, conclusion show that fine modelling of the electric machine is necessary to achieve desired accuracy. An overview on soft magnetic material behavior and measurements is then given. The reader will then acquire a broad feeling on soft magnetic material behavior and understands the first source of inaccuracy of the models (the measurements). Then, the typical models for predicting iron losses in magnetic materials are presented in a literature review. The second part of this study focus on iron loss modelling aspect. The loss surface model (a scalar hysteresis model made of a static and dynamic contribution) is used as the base of this modelling work. The static contribution is re-developed using Everett function formulation of the Preisach model is used to allow easy identification of the model directly from measurements. The identification of the dynamic contribution is re-worked to allow identification from sine-wave measurements (triangular wave measurement previously required). The model accuracy is improved and validated on 63 test cases with high harmonic distortion wave forms. The iron loss model is then coupled to finite element model of the electric machine and the limits of the model are investigated. One of the limits coming from measurement limitation, a methodology to evaluate the relevance of the measurement range is proposed. A literature review of the main impact of the process including cutting, stacking and assembling effects on electrical steel magnetic characteristics is intended to complement the modelling work to help the decision making of the designer on aspects that cannot be modeled. Finally methodologies playing with the modelling hypothesis and involving design of experiment and response surface are presented to reduce computational time and allow the optimization of the control of the machine. The optimizations carried out show total machine loss reduction up to 50% for some working point of the machine compared to an optimization dedicated to minimize only Joule's losses. This results show the interest of using a reliable iron loss model to reduce the total loss of the machine.