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.

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.

Les contacteurs et les relais sont utilisés dans de très nombreux dispositifs pour le contrôleet la commande à distance. La plupart sont équipés d’actionneurs électromagnétiques qu’il est nécessairede produire en quantité importante pour réaliser ces fonctions. Les exigences environnementalessur l’efficacité et la consommation énergétiques sont de plus en plus contraignantes. La conception deces actionneurs est donc un enjeu important. Cette thèse porte sur le développement d’une plateforme deconception dédiée au pré-dimensionnement d’actionneurs électromagnétiques. Cette plateforme reposesur le développement de méthodes de modélisation très rapides et suffisamment précises. La premièrepartie est consacrée à la résolution des équations de la magnétostatique en linéaire et non-linéaire par lecouplage de la méthode des intégrales de frontières avec la méthode de réseaux de réluctances. L’évaluationdes grandeurs globales telles que le flux magnétique traversant une bobine et la force est étudiée.Les résultats sont validés sur un relais bistable en rotation. La seconde partie concerne la simulationmulti-physique du composant dans son environnement système, pour prendre en compte les aspects mécaniqueet électrique. Une étude de faisabilité par optimisation est réalisée pour le composant seul, puispour l’ensemble composant-système. Enfin, une ouverture sur une autre méthode de modélisation plusgénérale est proposée avec la présentation d’un couplage original et performant entre les méthodes deséléments finis et des intégrales de frontière. / Contactors and relays are used in many devices for monitoring and remote controlling. Mostof them are equipped with electromagnetic actuators, which are produced in large quantities. The environmentalrequirements on efficiency and energy consumption have become more and more strict. Thedesign of these actuators is therefore an important issue. This thesis focuses on the development of adesign platform dedicated to the pre-sizing of electromagnetic actuators. This platform is based on theimplementation of very fast and sufficiently accurate modeling methods. The first part is devoted to theresolution of linear and nonlinear magnetostatic equations by the coupling between boundary integralmethod and reluctance network method. The evaluation of global quantities such as the magnetic fluxflowing through a coil and the force is investigated. The results are validated on a rotating bistable relay.The second part concerns the multi-physics simulation of the component in its environment by takinginto account the mechanical and electrical aspects. A feasibility study by optimization is performed bothfor the component alone and for the whole component-system. Finally, a general modeling method isproposed with the presentation of an original and efficient coupling between the finite element methodsand boundary integrals.

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. / The works of this thesis concern the ranges optimization for radial synchronousmachines conception. At first, a multiphysical sizing model dedicated to optimizationwas developed for every retained machine for our study. An analytical model for distributedwinding structure and a semi-analytical model with network reluctances for concetratedwinding motors. Secondly, we validated the models by comparison with the experimentalmesures. The range aspect of the study forced us to make this validation on variousmachines and for various operating points. A first phase of classic optimization, whichis realized due to the coupling of the models with a gradient based determinist methodshowed the possibility to optimize the motors. An original approach of range optimizationbased on the components sharing was developed. Its application on a series of motors showedthat, the optimal discretization of steel sheets in a given diameter is a function of themotor speed.