De nos jours, les outils de CAO contribuent grandement à réduire le coût et le temps de la phase de conception des produits technologiques, donc celle des actionneurs et les capteurs électromagnétiques. Ces travaux de thèse portent sur la considération de différentes problématiques pour réaliser la simulation dynamique de ces dispositifs dans le logiciel RelucTool, un outil de modélisation dédié aux actionneurs et capteurs électromagnétiques via l'approche des réseaux de réluctances. Cet outil, initialement développé lors de la thèse de B. du Peloux était capable de réaliser le calcul et l'optimisation statique. Afin de prendre en compte le fonctionnement dynamique, de nouveaux modèles de matériaux magnétiques et de nouvelles méthodes de résolution sont étudiés et mis en place. L'implémentation de tous ces éléments dans RelucTool est réalisée en suivant une méthodologie spécifique en génie logiciel pour la capitalisation des modèles.

Les générateurs d'électricité actuels dans les automobiles sont des alternateurs à griffes. Ils présentent une bonne puissance massique à un prix compétitif, mais ont, en contrepartie, un mauvais rendement. Ainsi, comme le besoin en énergie électrique embarquée est en constante évolution, il en résulte que l'impact de la génération d'électricité sur la consommation de carburant n'est plus négligeable. Les travaux de cette thèse ont pour but de modéliser le comportement de l'alternateur à griffes en fonction des paramètres de construction pour pouvoir, par la suite, utiliser des processus informatiques pour optimiser le rendement et / ou la puissance massique. La méthodologie choisie pour modéliser cet alternateur repose sur la théorie des réseaux de réluctances analytiques. Pour déterminer le courant débité par l'alternateur, le réseau de réluctance est couplé à un modèle analytique du redresseur. Ensuite un modèle analytique est établi pour l'ensemble des pertes. Ce modèle est ensuite intégré dans un logiciel d'optimisation sous contraintes de type gradient. Ceci permet alors d'obtenir un ensemble de solutions répondant à des cahiers des charges bien définis avec un nombre important de paramètres variables (18 paramètres de construction sont optimisés). Cette approche présente différentes évolutions possibles pour améliorer le rendement des alternateurs à griffes. Pour finir, une méthode fondée sur des optimisations multi objectifs est proposée pour déterminer le meilleur compromis entre un rendement élevé et une bonne puissance massique.

Ce travail s'intéresse à la modélisation pour le dimensionnement de moteurs à reluctance variable. Dans une première partie, on donne notre approche du problème de dimensionnement, puis on définit les trois grands types de modèles que le concepteur en électrotechnique sera amené à rencontrer. Enfin, on présente différentes méthodes de conception de moteurs à reluctance variable qui ont été mises en œuvre. Dans une seconde partie, nous présentons une méthodologie permettant d'intégrer des modèles semi analytiques dans un processus d'optimisation de type gradient : les boites de calcul. Nous présentons celles que nous avons créées, puis un exemple de leur application au dimensionnement d'un moteur à reluctance variable de type classique. On s'intéresse dans la troisième partie à la modélisation en vue du dimensionnement d'un moteur à reluctance variable à motifs. Après une présentation de la structure d'un tel moteur, on en présente un modèle analytique, puis un modèle numérique, modulaires. Enfin, on s'appuie sur la complémentarité qui existe entre ces deux modèles pour proposer une méthode de dimensionnement.

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) avec pour application le véhicule électrique. Dans une première partie, nous avons abordé du contexte de l'étude et de la problématique du dimensionnement. A l'occasion, nous avons montré qu'il est nécessaire d'adopter une méthodologie de design appropriée en fonction de l'avancement de chaque projet dans le cadre du processus de conception. Nous avons alors proposé différents niveaux de modélisation afin de repérer la machine optimale face au cahier des charges pour ensuite la caractériser plus finement et l'optimiser. La seconde partie du rapport traite donc de la modélisation et de l'optimisation de la MSAP. En premier lieu, un modèle analytique permet d'évaluer les performances globales des centaines de machines très rapidement. Ce premier calcul permet de sélectionner les meilleures machines à l'application pour ensuite les optimiser. Puis, le second niveau de modélisation se base sur les réseaux de réluctances. Ce niveau plus fin permet d'une part de retrouver les performances affinées des MSAP et également de procéder à l'optimisation. Enfin, la dernière partie du rapport est consacrée à l'optimisation de la MSAP en vue d'améliorer grandement les performances et de satisfaire au mieux au cahier des charges.

Les préoccupations environnementales croissantes et la raréfaction des énergies fossiles amènent les constructeurs automobiles à proposer des véhicules efficients hybridant des chaînes de traction conventionnelles. Ces travaux de recherche sont focalisés sur l'hybridation thermique/électrique. Ils présentent une méthodologie de conception optimale pour identifier des voies de progrès et orienter la définition de futures chaînes de traction à haut rendement énergétique. Ils sont basés sur une démarche d'ingénierie systémique qui s'appuie sur trois principaux leviers: l'architecture de la chaîne de traction, la stratégie de gestion énergétique et la définition des organes électriques de puissance. Différentes architectures de chaînes de traction hybrides électriques sont comparées en se basant sur la consommation minimale atteignable par chacune d'entre elles sur cycles automobiles. Pour déterminer ces seuils de consommation, une stratégie de commande optimale basée sur un algorithme de programmation dynamique est développée. Les résultats montrent l'intérêt de l'hybridation parallèle pour concevoir une chaîne de traction efficiente.Les sollicitations des organes électriques de puissance sont déterminées et analysées pour en spécifier le dimensionnement optimal. Deux structures de machines électriques ont été modélisées par réseaux de réluctances pour établir des cartographies de pertes et comparer la performance en émissions de CO2 du véhicule. Cette approche permet d'identifier des axes d'améliorations et on montre qu'une solution de type alterno-démarreur permettrait des gains d'environ 33% en émissions de CO2 par rapport au véhicule conventionnel. / On-going oil stock depletion and growing environmental concerns lead automakers to develop more efficient powertrains. Today, one of the most promising way forward consists in research on hybrid systems. The present work is focused on thermal/electric hybridization for HEV vehicle and presents an optimal methodology to identify key guidelines and design efficient systems. Defining the most promising efficient powertrain requires a systemic design which is based in this study on three main levers : powertrain architecture, energy management and electric components design. Different powertrains architectures are compared to the lowest fuel consumption that can be reached by each powertrain for a given driving cycle. Their optimal energetic performances are determined by using optimal control strategies and dynamic programming. The simulations results show that the most promising hybrid powertrain is the parallel one. At each step of time of the drivings cycles, the parallel hybrid powertrain behavior is more closely analyzed so as to provide technical specifications for an optimal sizing of the electric components. It points out the operating point and the driving cycles for which the electric machine has to be optimized. Two electric machines topologies derived from a starter-alternator architecture, are modeled by using reluctance network to provide losses map and compare CO2 saving of the vehicle. This approach has both identified areas for powertrain architecture improvement and components design optimization to achieve a better global efficiency of the system. It is shown that a starter-alternator could provide 33% of CO2 saving compared to a conventional car.

Les travaux de cette thèse portent sur l'optimisation de gammes dans la conception des machines synchrones à concentration de flux. Dans un premier temps, un modèle de dimensionnement multi physique dédié à l'optimisation a été développé pour chaque machine retenue pour cette étude. Un modèle analytique pour la structure à bobinage reparti et un modèle semi-analytique à base de réseaux de réluctances pour la machine à bobinage sur dents. Dans un second temps, nous avons validé nos modèles par comparaison avec des essais expérimentaux. L'aspect gamme de notre étude nous a contraints à faire cette validation sur différentes machines et pour différents points de fonctionnement. Une première phase d'optimisation classique, réalisée grâce au couplage de nos modèles avec une méthode déterministe à base de gradient a montré la possibilité d'optimiser nos machines. Une démarche originale d'optimisation de gammes basée sur le partage des composants a été mise au point. Son application sur une série de machines a montré que la discrétisation optimale de tôles dans un diamètre donné est fonction de la vitesse des machines.

Les travaux de cette thèse portent sur l'optimisation de gammes dans laconception des machines synchrones à concentration de flux. Dans un premier temps, unmodèle de dimensionnement multi physique dédié à l'optimisation a été développé pourchaque machine retenue pour cette étude. Un modèle analytique pour la structure à bobinagereparti et un modèle semi-analytique à base de réseaux de réluctances pour la machineà bobinage sur dents. Dans un second temps, nous avons validé nos modèles par comparaisonavec des essais expérimentaux. L'aspect gamme de notre étude nous a contraints à fairecette validation sur différentes machines et pour différents points de fonctionnement. Unepremière phase d'optimisation classique, réalisée grâce au couplage de nos modèles avec uneméthode déterministe à base de gradient a montré la possibilité d'optimiser nos machines.Une démarche originale d'optimisation de gammes basée sur le partage des composants aété mise au point. Son application sur une série de machines a montré que la discrétisationoptimale de tôles dans un diamètre donné est fonction de la vitesse des machines.

Ce mémoire de thèse constitue une contribution à l'investigation des génératrices destinées à une application éolienne en mer. Le but est de rechercher les solutions optimales dans un domaine de recherche vaste contenant entre huit et onze variables d'optimisation, tout en respectant un cahier de charge bien précis. Afin d'y parvenir, un modèle multi-physique a été développé permettant la détermination des distributions du champ électromagnétique et de température dans les topologies de génératrices choisies avec prise en considération des non-linéarités des matériaux. La méthode des constantes localisées couplée aux fonctions d'interpolations a été choisie comme solution offrant un bon rapport temps de calculs/précision, prenant ainsi en considération les caractéristiques des matériaux (thermiques et magnétiques). Le modèle développé a été couplé à un algorithme d'optimisation génétique, NSGAII, permettant dans un premier temps ; d'investiguer le poids nécessaire des aimants permanents et des parties actives de deux topologies de génératrices synchrones à aimant permanent où dans la première les aimants sont montés en surfaces et dans la seconde insérés en concentration de flux, trois puissances différentes ont été investiguées 5, 8 et 15 [MW]. Dans un second temps, l'intégration d'un multiplicateur de vitesse magnétique dans la chaîne de conversion éolienne a été étudiée à travers la même approche optimale utilisée précédemment tout en comparant le poids nécessaires des aimants permanents pour ce type d'entrainement avec celle des topologies à attaque directe (sans multiplicateur de vitesse). / The aim of this PhD report is the investigation of electrical generators dedicated to an offshore wind turbine application. The main goal is to find optimal solutions in a vast research domain containing between eight and eleven optimization variables, while respecting a the imposed constraints. In order to achieve this goal, a multi-physics model was developed allowing the determination of the electromagnetic and temperature fields distributions in the selected topologies. Lumped models coupled to the interpolation functions were chosen as a solution offering a good computation time / precision ratio, thus taking into consideration the characteristics of the materials (thermal and magnetic). The developed model was coupled to a genetic optimization algorithm, NSGAII, allowing at first; the investigation of the necessary permanent magnets weight and the active parts one of two permanent magnet synchronous generator topologies where in the first the magnets are mounted in surfaces and in the second inserted in order to have flux concentration, three different powers have been investigated 5, 8 and 15 [MW]. Second, the integration of a magnetic gear in the wind energy conversion chain was studied using the same optimal approach previously used, while comparing the weight required of permanent magnets for this type of training with that of direct drive topologies (without gearbox).

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) avec pour application le véhicule électrique. Dans une première partie, nous avons abordé du contexte de l'étude et de la problématique du dimensionnement. A l'occasion, nous avons montré qu'il est nécessaire d'adopter une méthodologie de design appropriée en fonction de l'avancement de chaque projet dans le cadre du processus de conception. Nous avons alors proposé différents niveaux de modélisation afin de repérer la machine optimale face au cahier des charges pour ensuite la caractériser plus finement et l'optimiser. La seconde partie du rapport traite donc de la modélisation et de l'optimisation de la MSAP. En premier lieu, un modèle analytique permet d'évaluer les performances globales des centaines de machines très rapidement. Ce premier calcul permet de sélectionner les meilleures machines à l'application pour ensuite les optimiser. Puis, le second niveau de modélisation se base sur les réseaux de réluctances. Ce niveau plus fin permet d'une part de retrouver les performances affinées des MSAP et également de procéder à l'optimisation. Enfin, la dernière partie du rapport est consacrée à l'optimisation de la MSAP en vue d'améliorer grandement les performances et de satisfaire au mieux au cahier des charges. / The works of this thesis concern the design methodology of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) for an electric vehicle application. The first part of this report introduces the context of the study and the problem of design. Then, we have shown that it is necessary to adopt an appropriate design methodology based on the progress of each project in the design process. Thus, we proposed different levels of modeling to identify the optimal machine against the specifications, and then characterize it more finely and optimize. The second part of the report deals with the modeling and optimization of the PMSM. First, an analytical model is employed to evaluate the overall performance of hundreds of machines very quickly. The first calculation is used to select the best machine for the application and then optimize them. Then, the second level of modeling is based on reluctance networks. This model allows finer resolution of the PMSM and also permits to perform optimization. The last part of the report is devoted to the optimization of the PMSM in order to greatly improve performances and meet the specifications.

Cette thèse présente l’étude d’une machine électrique à stator à flux transverse à griffes. Après une étude du SMC et des structures à flux transverse, une structure associant un stator à griffes à un rotor à aimants permanents est choisie. Un modèle de la machine par réseau de réluctances est développé, en s’appuyant sur des simulations éléments finis. Il est ensuite amendé par l’introduction d’hypothèses d’inclinaison de flux dans l’entrefer, puis il est validé par le test d’un prototype. L’architecture est alors optimisée après une analyse détaillée de la circulation des flux, qui permet d’identifier le problème de la saturation du pied de dents. Après des simulations éléments finis de la machine améliorée, un prototype est ensuite testé qui confirme l’apport de la nouvelle architecture.Une version alternative de la machine, avec un bobinage d’excitation au stator et un rotor massif est ensuite proposée. Cette machine promet une fabrication économique et une bonne robustesse. Un modèle analytique est proposé, accompagné d’une étude éléments finis, puis pour finir un prototype est testé. Une version améliorée de cette machine avec un rotor à dents isolés est ensuite proposée : un modèle analytique et des études éléments finis permettent de valider l’intérêt de cette évolution. / This thesis presents the study of a claw-pole transverse flux electric machine. At first, SMC material properties and transverse flux structures are studied, leading to the choice of a structure combining a claw-pole stator and a permanent magnet rotor. The machine is modelled by the means of a magnetic equivalent circuit, with a reluctance network, developed with the help of finite elements simulation. The model is then changed with the introduction of the hypothesis that the flux is bent inside the airgap; it is then validated by the test of a prototype.The architecture of the machine is optimized after a detailed analysis of the flux circulation, leading to the identification of the tooth-tip saturation issue. After finite element simulation of the improved machine, a prototype is later tested, which confirms the gain brought by the new architecture.An alternative version of the machine, with a field winding attached to the stator and a massive rotor is then proposed. This machine promises to be cost-effective to build and robust thanks to its massive rotor. An analytical model of the machine is introduced, along with a finite element simulation, to end with the test of a prototype which confirms the possibilities of this new concept. An improved version of the machine with a rotor with isolated teeth is finally studied, with an analytical model and a finite element leading to the validation of the interest of this evolution.