Les matériaux magnétiques doux (Fe, Ni, Co, ... sous forme cristalline, polycristalline ou amorphe) sont utilisés en électrotechnique pour convertir l'énergie, guider les lignes de flux et transmettre des signaux. Leur principale caractéristique est de s'aimanter aisément. Ces matériaux sont aussi conducteurs et des courants sont induits en régime transitoire et périodique. Ces derniers peuvent être classiquement<br />diffusés à une échelle macroscopique mais aussi et surtout localement induits dans une microstructure magnétique en mouvement et réarrangement incessant. Ces effets d'amortissement et de pertes dynamiques ont plusieurs conséquences parfois difficilement prévisibles:<br />des pertes d'énergie, des temps de retard, de la distorsion de signal et de la rémanence. Nous nous intéressons à la recherche de modèles<br />fidèles dans le but de comprendre les propriétés des matériaux ferromagnétiques doux en régime statique et dynamique et de simuler avec précision le comportement des dispositifs électrotechniques. Nous choisissons de nous concentrer particulièrement sur l'effet des courants induits microscopiques en plus de ceux macroscopiques, puisqu'ils sont à l'origine des pertes en excès et de l'hystérésis dynamique qui sont observées expérimentalement.<br />Après avoir longuement étudié la problématique, les enjeux et les modèles existants; nous avons entrepris la construction d'une représentation des matériaux à l'échelle mésoscopique, intermédiaire entre l'échelle microscopique et macroscopique, utilisable aussi bien en Ingénierie des Matériaux qu'en simulation numérique type Eléments Finis. Pour ce, les équations de champs dans la matière ont été redérivées en présence des processus physiques dynamiques mis en jeu.<br />Ensuite nous nous sommes attachés à résoudre analytiquement certains problèmes simples pour appréhender les apports et limites de<br />notre modélisation. Il s'est agit de comparer la théorie à l'expérience et de caractériser des échantillons sur bancs de mesure normalisés.<br />Enfin, nous avons mis en oeuvre, à l'aide d'une méthode numérique (la Méthode des Eléments Finis), des formulations électromagnétiques 3-D et 2-D dédiées. Nous les avons testées sur des cas tests simples en les comparant systématiquement aux résultats standards et antérieurs, aux calculs analytiques et aux observations. Des premières configurations simples d'applications de sécurité électrique ont aussi été simulées et étudiées : un transformateur de courant et un actionneur électromécanique.

Ce travail concerne les machines synchrones à excitation (rotor bobiné). Leur modélisation est effectuée sous forme analytique; elle peut être employée lors des phases d'étude et de conception de ces machines (par exemple, pour la prédétermination des formes d'ondes et des pertes fer). Le premier chapitre présente les véhicules électriques et les particularités de leur chaîne de traction. Nous en déduisons ensuite les contraintes qui influent sur les paramètres magnétiques de ces machines. La méthode de calcul utilisée est détaillée dans le deuxième chapitre. Celle-ci permet d'analyser les effets de la saillance des machines au cours de leur rotation. Cette méthode se base sur une étude de la perméance d'entrefer (unique point traité par résolution numérique) qui conduit à un modèle de cette zone soit ponctuel, soit harmonique. Nous présentons ensuite les éléments permettant d'adapter cette caractérisation au cas des machines synchrones à aimants permanents. Les chapitres suivants sont consacrés à l'exploitation et à la validation de ce modèle pour différents points de fonctionnement de la machine. Le calcul des inductances (directe et en quadrature) en régime permanent, ainsi que la détermination de la répartition instantanée des flux en rotation, y sont traités. Les résultats obtenus avec le modèle analytique sont comparés à ceux obtenus avec des résolutions intégralement numériques (éléments finis). Divers cas ont été testés, notamment le fonctionnement en survitesse avec une forte réaction d'induit et le fonctionnement à couple maximum. Le modèle a permis de reconstituer avec une bonne précision ces différents cas, même en présence de saturation. Ces résultats valident le concept développé ici.

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L'utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l'actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l'actionneur à partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d'induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorisés pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, à ce stade, la thermique de la machine n'est prise en compte qu'indirectement en fixant une densité de courant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d'optimisation de la machine. Des modèles adaptés au processus d'optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu'un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et les têtes de bobines. Ces résultats ont été corroborés par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantés dans une modélisation multi-physique pour l'outil d'optimisation et pour l'outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhicule hybride Kangoo où la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artémis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport à un dimensionnement établi par les règles de l'art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé.

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. / The PhD work deals with a new structure of hybrid excited synchronous machine (MSDE) for the application of hybrid and electric vehicles. This kind of machine, with two excitation sources, benefits an additional degree of freedom and an easy control of flux. Due to this degree of freedom, the machine can be designed in the way that its best efficiency coincide with the most solicited operating zone. This new machine structure is the main subject of this study. The principle of this MSDE is presented in the first two chapters. The machine is then designed according to the specifications for an hybrid vehicle. The experimental validation has confirmed the proper functioning of the structure and shown its interest. Another important subject in the machine sizing is the thermal aspect because our machines are becoming more and more compact and powerful. A correct estimation of the iron loss is essential for evaluating correctly the machine performances. That's why we have decided to dedicate a part of this study to the modeling of iron loss, of which the estimation is not evident.

Lors de la phase de dimensionnement d’un générateur électrique, des choix préliminaires imposent généralement la topologie. Cette thèse a pour objectif d’apporter une aide décisionnelle au choix des structures de générateurs de fortes puissances. L’intérêt des machines à haute efficacité énergétique est porté par des objectifs environnementaux forts. En conséquence, maîtriser et comprendre l’origine des pertes dans les machines de production d’électricité est un enjeu capital. Ainsi, une méthodologie de calculs de pertes fer est développée pour des générateurs de fortes puissances.Dans les secteurs de la production et conversion d’énergie, les Machines Synchrones à Double Excitation présentent un fort potentiel pour répondre aux défis de la transition énergétique. Dès lors, il est important de quantifier l’impact de ces nouvelles structures par rapport aux solutions existantes. Cette thèse propose une modélisation par méthodes analytiques et semi-analytiques dans l’objectif de concevoir un ensemble de structures de générateurs. La modélisation est également comparée à deux prototypes de fortes puissances, dont un pour une application éolienne à attaque directe.Ensuite, cette modélisation est employée dans un processus de conception par optimisation. Les structures Pareto optimales sont comparées suivant différents cahiers des charges. Ces optimisations permettent de mettre en avant des gains significatifs par rapport aux solutions existantes notamment sur des données statistiques de fonctionnement éolien. / During the design phase of an electrical generator, the topology is generally imposed by preliminary criteria. This thesis aims at providing a decision support for the choice of high power generator structures. The interest for high efficiency machines is driven by strong environmental objectives. Consequently, understanding the origin of losses in power generation machines is a major issue. Thus, a methodology for iron loss calculation is developed for high power generators.In the energy production and conversion sectors, Hybrid Excitation Synchronous Machines have a great potential to respond to the challenges of energy transition. It is important to quantify the impact of these new structures compared with existing solutions. This thesis proposes analytical and lumped models to design a set of generator structures. The modeling approach is also compared with two high power generators, including one for a direct drive wind turbine. Then, this modeling is used in an optimization design process. The optimal Pareto structures are compared according to different specifications. These optimized designs show significant gains compared to the existing solutions, especially on wind profile from a Weibull probability density function.

Le travail présenté dans ce mémoire traite de la problématique de recherche de structures innovantes de génératrices pour les turbines de l’éolien offshore atteignant la dizaine de mégawatts et du dimensionnement de ces structures. À cet effet, les machines synchrones à aimants permanents, à flux axial, à entraînement direct sont celles qui ont plus de potentiel énergétique pour répondre aux besoins de ces futures turbines éoliennes offshore de grande puissance. L’étude de ces structures a rendu nécessaire le développement d’un outil de dimensionnement analytique multiphysique « léger » et suffisamment précis servant à l’analyse et l’exploration de l’espace de solutions. Une nouvelle approche de modélisation analytique magnétique quasi-3D qui prend compte des effets 3D (variations des formes d’aimants permanents au rotor et les effets de bords aux extrémités radiales), est développée à cet effet pour ces structures tridimensionnelles et confirmée par une modélisation tridimensionnelle par éléments finis. La modélisation magnétique est basée sur l’approche mathématique permettant la résolution formelle des équations de Maxwell par la méthode de séparation des variables dans les différentes régions à faible perméabilité de la machine. Couplé à une modélisation thermique nodale ainsi qu’une modélisation des pertes, ce travail aboutit à un modèle dimensionnant multiphysique des machines à flux axial avec un excellent rapport « temps de calcul/précision » servant pendant les phases préliminaires du dimensionnement. / This work deals with the search for innovative structures of generators for the offshore wind turbines reaching about ten megawatts and their design. The direct drive, axial flux, permanent magnet synchronous machines are the ones which have more energy potential for these future high power offshore wind turbines. The study of these axial flux machines required the development of a fast analytical design help tool with a good accuracy for their analysis and their design. To do so, a new approach of quasi-3D magnetic analytical modeling, which takes into account 3D effects (end effects and variations of magnets forms in the rotor) is then developed and confirmed by a 3D finite elements method. Its mathematical approach is based on the formal solution of Maxwell’s equations, in low permeability regions of the machine, by the separation of variables method. Coupled with a nodal thermal modelling and the evaluation of losses, this work succeeds in a multi-physical design tool for axial flux machines with an excellent computation time to accuracy ratio.

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).

Les travaux de recherche présentés dans ce document portent sur le dimensionnement de machines synchrones pour des applications de véhicules hybrides. L’utilisation de la machine électrique au sein du véhicule hybride est caractérisée par des appels de puissance de courtes durées. Cette thèse propose donc une stratégie de dimensionnement permettant de minimiser considérablement le volume de l’actionneur par la prise en compte des limites thermiques réelles lors du cycle de conduite. La stratégie de dimensionnement est composée de deux étapes. La première étape est l'optimisation du dimensionnement de l’actionneur a partir des points de fonctionnement du cycle. Nous autorisons des niveaux d’induction dans le fer élevés et des niveaux de densité de courant dans les conducteurs dépassant les niveaux habituellement autorises pour un fonctionnement en régime permanent thermique. Ces deux points ont un impact réel sur le volume de la machine. Cela-dit, a ce stade, la thermique de la machine n’est prise en compte qu’indirectement en fixant une densité decourant dans les conducteurs. La seconde étape permet alors de vérifier la thermique par une simulation sur cycle pour ensuite réajuster si besoin la densité de courant et reprendre la première étape d’optimisation de la machine. Des modèles adaptes au processus d’optimisation ont alors été mis en place et offrent un bon compromis entre le temps de calcul et la précision requise. Par conséquent, un modèle magnétique prenant en compte la saturation croisée dans la machine utilisant la méthode nodale a été développé ; un modèle permettant une meilleure prise en compte des pertes fer notamment dans le zone de défluxage a également été développé ainsi qu’un modèle thermique en transitoire utilisant également la méthode nodale. Le modèle thermique étant la clé de la stratégie de dimensionnement, une grande attention y a été portée. Ce modèle permet de prendre en compte la direction des flux dans les trois dimensions et fournit de bonnes estimations des températures dans la machine notamment aux endroits les plus chauds comme les encoches et lestêtes de bobines. Ces résultats ont été corrobores par des essais expérimentaux réalisés dans les bancs IFPEN sur une machine spécialement instrumentée en thermocouples. Cela a permis de valider le comportement thermique en régime permanent thermique et en régime transitoire thermique. Ces modèles ont ensuite été implantes dans une modélisation multi-physique pour l’outil d’optimisation et pour l’outil de simulation. Une étude de cas a été présentée pour un véhiculehybride Kangoo ou la machine doit pouvoir assurer son fonctionnement pour un cycle Artemis urbain. Les résultats de la stratégie de dimensionnement permettent alors de conclure que sur cycle, le volume extérieur des parties actives de la machine électrique peut-être réduit de 40 % par rapport a un dimensionnement établi par les règles de l’art en régime permanent. De plus, la réduction du volume de fer dans la machine induit également une réduction des pertes fer ce qui nous permet de conclure que, toujours sur cycle, son rendement moyen reste élevé. / This work deals with the sizing of synchronous machines for hybrid vehicle applications. The use of the machine in the hybrid vehicle is characterized by high power consumption during a short time. This work proposes a strategy for minimizing the volume of the actuator by taking into account the real limits of temperature during the operating cycle. The sizing strategy is composed of two steps. The first step is the sizing optimization of the actuator with the operating point of the cycle. In thisstep we allow high level of flux density and the level of current density in the conductors exceeds the usual level for the continuous operating of the machine. These two parameters can reduce significantly the volume of the machine. However in this step, the temperatures are node checked. The second step checks the temperatures in the machine by simulating the entire cycle. So suitable models for optimization tools are carried out and are a compromise between the time computing and the required accuracy. Consequently, a magnetic model taking account of the cross saturation in the machine by using the nodal network method has been carried out ; efficient iron losses model in the flux weakening operation has been carried out and thermal model using too the nodal network method has been carried out. The thermal model is the main point for the sizing strategy so, a particular attention is needed. This model takes account of the flux directions in 3d and provides a good estimation of the temperatures in the actuator particularly in the heat zones as the slots and the end-windings. These results are checked by experimental tests realized in IFPEn on a special machine where thermocouples are implanted inside. We validated the thermal behavior in temperatures stabilized operation and in transitory temperatures operation. Next, these models have been implemented in multi-physics modeling for the optimization tool and for simulation tool. A study case has been introduced for a Kangoo hybrid vehicle where the electrical machine has to operate on each operating points of the Artemis cycle. With the results of the sizing strategy, we canconclude that for a working on cycle, le external volume of the magnetic parts of the machine can be reduce of 40 % compared with a sizing established by the usual rules in stabilized temperature operation. Furthermore, the volume reduction of the iron in the machine induces a reduction of the iron losses and we can conclude that the mean efficiency during the cycle stays good.