Parmi les méthodes appliquées dans le cadre de la maintenance des installations industrielles, l'analyse vibratoire constitue une des plus répandues. En effet, les signatures vibratoires apparaissant sur une installation en cours de fonctionnement sont étroitement liées à leur comportement dynamique et à leur état fonctionnel. Ce travail a pour objectif de développer et expérimenter des techniques et outils de calculs numériques pour l'interprétation d'indicateurs d'état issus de mesures vibratoires sur une machine tournante. La validation est faite sur un ensemble motoréducteur à engrenages. Pour cela, nous avons développé deux outils d'analyse numérique : un premier permettant de déterminer les caractéristiques modales d'une structure complexe puis un second, développé sur la base des ondelettes, pour détecter les défauts naissants sur un motoréducteur. Les performances relatives des différents outils sont comparées au regard de ce qui se fait dans la littérature. Enfin, une étude expérimentale sur banc d'essais a été menée dans le but de tester la sensibilité et les limites de la méthode. Le mémoire est articulé comme suit : une première partie développe les principales techniques vibratoires actuelles avec leurs performances et limites. De la deuxième partie traitant les théories et méthodes d'analyse modale découle une troisième présentant des méthodes améliorées. Dans la quatrième partie, une étude expérimentale sur banc d'essais a été menée dans le but de tester la sensibilité de la méthode. Une approche par la décomposition en ondelettes des signaux a été notamment utilisée. Il est démontré que cette méthode a une application intéressante dans le domaine des analyses vibratoires de structures complexes / Vibrations analysis appears to be one of the most efficient methods among those that are actually used in the field of preventive and condition-based maintenance of industrial equipments. Indeed, vibration signs from a working machine depend tightly on its dynamical behaviour and health. This thesis consists on developing some new techniques and numerical calculation tools which help while interpreting indicators issued from vibrations measurements of rotating machinery. Validation has been done especially on case study of a complex bench constituted by motor with gear transmission. Technically, it aims on one part in determining modal characteristics of the whole system, and on another part in finding out a reliable method for rotating machinery defaults detecting. The first part resumes main present vibrating techniques. From the second part which treats theoretical modal analysis arises a developing improved methods third one. At this step, some numerical codes permitting treatment and quick interpretation of analysis results were drawn up. On the fourth part, an experimental study on a test bed was carried out with the aim of confronting theoretical, analytical and numerical results with real ones.An approach by wavelet decomposition of signals was particularly used here. It is shown that this method has got interesting application in the field of complex structures vibration analysis

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Le principe de la maintenance conditionnelle consiste à évaluer en permanence l’intégrité des machines industrielles, à partir des mesures et de traitements du signal appropriés, afin d’intervenir uniquement au moment le plus opportun. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de développer une technique de détection, aussi précoce que possible, de l’amorce de dégradation lente d’une structure vibrante, telle que les fissures de fatigue, pour éviter toute défaillance inattendue des machines. Notre approche se base sur les données mesurées à l’aide de deux moyens expérimentaux mis en œuvre au laboratoire. L’étude a démarré avec une poutre encastrée-libre sollicitée en flexion et s’est poursuivie sur un banc d’essais plus représentatif de la problématique industrielle. Dans les deux cas, l'endommagement de la structure a été naturel et progressif, depuis un état réputé sain jusqu’à l’apparition de la fissure. Le comportement dynamique a été suivi à l’aide d’accéléromètres. Ainsi, afin d’identifier des indicateurs sensibles au phénomène d’endommagement, plusieurs pistes ont été envisagées. Nous avons examiné les indicateurs scalaires descriptifs des signaux mesurés, qui sont les moments statistiques, fréquences moyennes et médianes. Ces indicateurs sont utilisés avec succès pour la détection de défaut sur les éléments de machines tournantes, mais ils se sont montrés peu sensibles pour détecter des défaillances structurales. Les fréquences propres identifiées automatiquement à partir des signaux temporels acquis sous chargements opérationnels ont également été étudiées. Ensuite, nous nous sommes orientés vers une approche plus globale pour surveiller les changements spectraux causés par l’apparition d’un défaut sur une structure. En se basant sur les matrices spectrales, fonctions et matrices de transmissibilité, des indicateurs multi-capteurs ont été développés et testés pour les deux cas d’étude. Une Analyse en Composantes Principales a permis d’identifier, entre les indicateurs analysés, ceux qui sont les plus pertinents pour la surveillance de l’intégrité des structures. / The principle of the conditional maintenance consists in continuously evaluating the health state of industrial machines, from measurements and appropriate signal processing, in order to carry out maintenance operations only at the most convenient time. In this context, the objective of this PhD thesis is to implement a technique for detecting as soon as possible slow damage initiation in vibrating structures, such as the fatigue cracks, to avoid the unexpected failure of machines. We have conducted empirical investigations with two experimental setups built in the laboratory. The study started with a cantilever beam subjected to dynamic bending loads, and continued on a test-bench more representative of the industrial problem. In both cases, the structure was naturally and progressively damaged, from a state considered to be healthy, until the crack occurs. Its dynamical behavior was monitored using accelerometers. Therefore, in order to identify damage-sensitive features, many leads were investigated. We have examined the features describing the measured signals waveform, which are statistical moments, mean frequencies and median frequencies. They are successfully used for fault detection on rotating machinery, but they did not demonstrate enough sensitiveness to detect structural damage. The natural frequencies automatically identified from the measured time signals under operational loads have also been studied. Thus, we oriented our work towards a more global approach to monitor the spectral changes caused by the appearance of damage on a structure. Based on the spectral matrices and transmissibility quantities, multi-sensor indicators were developed and tested for the two cases of study. A Principal Component Analysis allowed us to identify, between the surveyed features, the ones most relevant for monitoring the integrity of structures.

Dans les dernières décennies, la surveillance vibratoire des machines tournantes a acquis un intérêt particulier fournissant une aide efficace pour la maintenance dans l'industrie. Aujourd'hui, de nombreuses techniques efficaces sont bien établies, ancrées sur des outils puissants offerts notamment par la théorie des processus cyclostationnaires. Cependant, toutes ces techniques reposent sur l'hypothèse d’un régime de fonctionnement (c.à.d. vitesse et/ou charge) constant ou éventuellement fluctuant d’une façon stationnaire. Malheureusement, la plupart des machines surveillées dans l'industrie opèrent sous des régimes non stationnaires afin de remplir les tâches pour lesquelles elles ont été conçues. Dans ce cas, ces techniques ne parviennent pas à analyser les signaux vibratoires produits. Ce problème a occupé la communauté scientifique dans la dernière décennie et des techniques sophistiquées de traitement du signal ont été conçues pour faire face à la variabilité du régime. Mais ces tentatives restent limitées, dispersées et généralement peu soutenues par un cadre théorique. Le principal objectif de cette thèse est de combler partiellement cette lacune sur la base d'une formalisation théorique du sujet et d’un développement systématique de nouveaux outils de traitement du signal. Dans ce travail, la non-stationnarité du régime est limitée à celle de la vitesse— c.à.d. vitesse variable et charge constante— supposée connue a priori. Afin d'atteindre cet objectif, la méthodologie adoptée consiste à étendre le cadre cyclostationnaire avec ses outils dédiés. Nous avons élaboré cette stratégie en distinguant deux types de signatures. Le premier type comprend des signaux déterministes connus comme cyclostationnaires au premier ordre. La solution proposée consiste à généraliser la classe cyclostationnaire au premier ordre à la classe cyclo-non-stationnaire au premier ordre qui comprend des signaux déterministes en vitesse variable. Le second type comprend des signaux aléatoires périodiquement corrélés connus comme cyclostationnaires au deuxième ordre. Trois visions différentes mais complémentaires ont été proposées pour traiter les variations induites par la non-stationnarité de la vitesse de fonctionnement. La première adopte une approche cyclostationnaire angle\temps, la seconde une solution basée sur l'enveloppe et la troisième une approche cyclo-non-stationnaire (au second ordre). De nombreux outils ont été conçus dont les performances ont été testées avec succès sur des signaux vibratoires réels et simulés. / In the last decades, vibration-based condition monitoring of rotating machine has gained special interest providing an efficient aid for maintenance in the industry. Nowadays, many efficient techniques are well-established, rooted on powerful tools offered in particular by the theory of cyclostationary processes. However, all these techniques rely on the assump-tion of constant— or possibly fluctuating but stationary— operating regime (i.e. speed and/or load). Unfortunately, most monitored machines used in the industry operate under nonstationary regimes in order to fulfill the task for which they have been designed. In this case, these techniques fail in analyzing the produced vibration signals. This issue, therefore, has occupied the scientific committee in the last decade and some sophisticated signal processing techniques have been conceived to deal with regime variability. But these works remain limited, dispersed and generally not supported by theoretical frameworks. The principal goal of this thesis is to partially fill in this gap on the basis of a theoretical formalization of the subject and a systematic development of new dedicated signal processing tools. In this work, the nonstationarity of the regime is confined to that of the speed— i.e. variable speed and constant load, assumed to be known a priori. In order to reach this goal, the adopted methodology consists in extending the cyclostationary framework together with its dedicated tools. We have elaborated this strategy by distinguishing two types of signatures. The first type includes deterministic waveforms known as first-order cyclostationary. The proposed solution consists in generalizing the first-order cyclostationary class to the more general first-order cyclo-non-stationary class which enfolds speed-varying deterministic signals. The second type includes random periodically-correlated waveforms known as second-order cyclostationary. Three different but complementary visions have been proposed to deal with the changes induced by the nonstationarity of the operating speed. The first one adopts an angle\time cyclostationary approach, the second one adopts an envelope-based solution and the third one adopts a (second-order) cyclo-non-stationary approach. Many tools have been conceived whose performances have been successfully tested on simulated and real vibration signals.

Au cœur des moyens de transport, de transformation d'énergie, et de biens d'équipements, les machines tournantes peuvent avoir des comportements dynamiques complexes dus à de multiples sources de non linéarités liées aux paliers hydrodynamiques, à la présence de fissures, aux touches rotor-stator, ... Des phénomènes comme les décalages fréquentiels et donc de vitesses critiques, les cycles d'hystérésis avec sauts d'amplitudes, le changement brutal du contenu fréquentiel des réponses, sont des expressions de ces comportements. Résoudre les équations du mouvement induites par des modélisations avec des éléments finis de type poutre ou volumique, pour calculer les réponses à des sollicitations diverses (comme le balourd ou le poids propre), est réalisable avec des méthodes d'intégration pas à pas dans le temps mais au prix de temps de calcul prohibitifs. Cela devient particulièrement préjudiciable au stade du pré-dimensionnement où il est nécessaire de réaliser rapidement des études paramétriques. Aussi une alternative intéressante est de mettre en {\oe}uvre une méthode numérique, à la fois générale et efficace pour analyser la réponse non linéaire des rotors en régime stationnaire. La démarche proposée combine, dans un premier temps, la méthode de la balance harmonique (HBM) et la technique de bascule Temps-Fréquence (AFT) afin d'obtenir rapidement dans le domaine fréquentiel les réponses périodiques des rotors à grand nombre de degrés de liberté apportés par les éléments finis volumiques. Puis, l'association à la méthode de continuation par pseudo-longueur d'arc aboutit à établir continûment l'ensemble des solutions d'équilibre dynamique sur la plage de vitesse de rotation. Enfin la stabilité dynamique locale de la solution périodique est analysée grâce à des indicateurs de bifurcation basés sur l'évolution des exposants de Floquet. Ainsi sont détectées les bifurcations de branches de solutions périodiques de type point limite, point de branchement et notamment Neimark-Sacker. Leur localisation est déterminée précisément en résolvant un système augmenté constitué de l'équation du mouvement et d'une équation supplémentaire caractérisant le type de bifurcation considéré. En déclarant un paramètre du système (coefficient de frottement, jeu rotor/stator, amplitude de l'excitation,...) comme nouvelle variable, l'utilisation de la technique de continuation conjointement avec le système augmenté détermine directement le cheminement des bifurcations en fonction de ce paramètre sur la nappe des réponses non linéaires. Les suivis de bifurcations délimitent les zones de fonctionnement spécifiques, extraient efficacement l'essentiel du comportement dynamique et offrent ainsi une nouvelle approche pour dimensionner de façon efficace les systèmes notamment en rotation. Nombre des développements réalisés sont implantés dans le code de calcul Cast3M. / Generally speaking, the rotating systems utilized in the energy production have a small rotor-stator gap, are able to run during long periods, and are mounted on hydrodynamic bearings. Rotor-stator interactions in case of blade loss, crack propagation due to fatigue, and a variable stiffness due to the nonlinear restoring forces of the bearings can make the rotordynamics nonlinear and the responses complicated: significant amplitude and frequency shifts are introduced, sub- and super-harmonics appear, and hysteresis occurs. It is of great importance to understand, predict and control this complicated dynamics. Due to the large number of DOFs and the broad range of study frequency, the computation time for solving the equations of motion by a temporal integration method can be quite prohibitive. It becomes particularly disadvantageous at the design stage where a parametrical study need to be quickly performed. An alternative numerical method, which is general and effective at the same time, is proposed in order to analyse the nonlinear response of the rotors at steady state. Firstly, the periodic responses of nonlinear rotors are calculated in the frequency domain by combining harmonic balance method (HBM) and alternating frequency-time (AFT). With the help of continuation method, all dynamic equilibrium solutions of nonlinear systems are determined for the range of study frequency. Then, Floquet exponents which are the eigenvalues of Jacobian are sought for stability analysis of periodic solutions. Then the local stability of the periodic solution is analysed through the bifurcation indicators which are based on the evolution of Floquet exponents. The bifurcations of periodic solution branch, such as limit point, branch point, and Neimark-Sacker bifurcation, are thus detected. By declaring a system parameter (friction coefficient, rotor / stator gap, excitation amplitude, ...) as a new variable, applying once again the continuation method to the augmented system determines directly the bifurcation's evolution as a function of this parameter. Thus, parametric analysis of the nonlinear dynamic behaviour is achieved, the stability boundary or the regime change boundary is directly determined. Numerous developments are implemented in the calculation code Cast3M.

Les rotors sont excités non seulement par le balourd tournant mais aussi par les différents mouvements de leur support : turbocompresseurs de véhicules, turbomoteurs aéronautiques, pompes à vide portées en sont des exemples industriels. Ainsi la conception de rotors robustes capables de bien fonctionner sous de telles conditions (excitations extrêmes) est nécessaire pour éviter des instabilités, source de défaillance catastrophique. Le présent travail a pour objectif de prévoir le comportement dynamique d’un rotor embarqué monté sur des paliers rigides ou élastiques hydrodynamiques et soumis à des excitations du support rigide. Les énergies cinétiques et de déformation ainsi que le travail virtuel des composants d’un rotor flexible tournant sont calculés. Le modèle proposé de rotor embarqué est basé sur les éléments finis de poutre de TIMOSHENKO. Il contient les effets relatifs à l’inertie de rotation des sections droites, à l’inertie gyroscopique, à la déformation de cisaillement d’arbre et à la dissymétrie géométrique de l’arbre et/ou du disque rigide et considère six types de mouvements déterministes (rotations et translations) du support. Suivant le type d’analyse utilisé pour le palier, les forces de rappel hydrodynamiques agissant sur l’arbre et calculées avec l’équation de REYNOLDS sont linéaires/non linéaires. L’utilisation des équations de LAGRANGE fournit les équations différentielles linéaires/non linéaires du mouvement du rotor embarqué en flexion par rapport au support mobile supposé rigide, qui représente un système de coordonnées non inertiel. Les équations du mouvement contiennent des termes paramétriques périodiques en raison de la dissymétrie géométrique du rotor et des termes paramétrique variables dans le temps en raison des rotations du support. Ces termes paramétriques sont considérés comme des sources d’excitation intérieure et conduisent à une instabilité dynamique latérale. Dans les applications numériques proposées, trois configurations de rotor embarqué sont analysées. Tout d’abord, un rotor symétrique monté sur des paliers rigides est soumis à un balourd combiné avec des mouvements de rotation constante et de translation sinusoïdale du support. Ensuite, un rotor avec une dissymétrie géométrique du disque monté sur des paliers rigides est excité par l’effet de balourd et par des mouvements combinés de rotation constante et de translation sinusoïdale du support. Enfin, un rotor symétrique monté sur des paliers hydrodynamiques est soumis au balourd et aux excitations sinusoïdales de rotation ou de translation du support. / Rotors are excited not only by the rotating mass unbalance but also by the different motions of their support: vehicle turbochargers, aircraft turbo-engines, carried vacuum pumps, are different industrial applications. Thus the design of robust rotors able to run well under such conditions (extreme excitations) and to avoid catastrophic failure is required. The present work aims to predict the dynamic behavior of an on-board rotor mounted on rigid or elastic hydrodynamic journal bearings and subjected to rigid support excitations. The kinetic and strain energies as well as the virtual work of the rotating flexible rotor components are computed. The proposed on-board rotor model is based on TIMOSHENKO beam finite elements. It includes the effects relative to the rotating inertia, the gyroscopic inertia, the shear deformation of shaft as well as the geometric asymmetry of shaft and/or rigid disk and considers six types of deterministic motions (rotations and translations) of the support. Depending on the type of analysis used for the bearing, the restoring fluid film forces acting on the shaft and computed with the REYNOLDS equation are linear/non-linear. The use of LAGRANGE’s equations yields the linear/non-linear differential equations of vibratory motion of the on-board rotor in bending with respect to the moving rigid support which represents a non-inertial reference frame. The equations of motion contain periodic parametric coefficients because of the geometric asymmetry of the rotor and time-varying parametric coefficients because of the support rotations. These parametric coefficients are considered as sources of internal excitation and can lead to lateral dynamic instability. In the proposed numerical application examples, three rotor configurations are studied. Firstly, a symmetric rotor mounted on rigid bearings is subjected to rotating mass unbalance combined with constant rotation and sinusoidal translation of the support. Secondly, a rotor with geometric asymmetry due to the disk mounted on rigid bearings is excited by the mass unbalance effect and by the combination of a constant rotation and a sinusoidal translation of the support. Thirdly, a symmetric rotor mounted on linearized/non-linear hydrodynamic bearings is subjected to the excitation due to the mass unbalance and to the sinusoidal rotational or translational excitations of the support.

L’analyse vibratoire constitue une part très importante des moyens de mesures pour la surveillance et la détection des défauts mécaniques des machines tournantes. Le positionnement des accéléromètres est stratégique et contribue fortement à la réussite du diagnostic ; la proximité du capteur de l’élément défaillant est une condition très utile, mais pas toujours réalisable. La corrélation entre le bruit émis par une machine et son état est assez étroite et montre l’apport des mesures acoustiques pour l’optimisation du diagnostic. L’imagerie acoustique, très appliquée pour détecter des sources dans le domaine du transport, avec ses multiples méthodes (holographie, beamforming, etc…) peut être un moyen pour remonter aux défauts mécaniques. Dans cet objectif, plusieurs stratégies basées sur l’algorithme de beamforming sont développées. Premièrement, des indicateurs communément utilisés pour le diagnostic des machines sont visualisés en fonction de l’espace. Le kurtosis permet de localiser les sources impulsives qui peuvent être reliées à un défaut. De nouveaux indicateurs basés sur le spectre d’enveloppe des signaux focalisés sont également mis en place pour détecter les défauts de roulement de bague interne et externe. D’autre part, la moyenne synchrone angulaire est utilisée pour extraire le champ acoustique synchrone avec la rotation d'un composant de la machine. Les sources reliées à un défaut sont affectées au champ résiduel et peuvent être identifiées dans les cartographies. Enfin, une nouvelle méthode d'imagerie acoustique qui exploite les fonctions de transfert vibroacoustiques entre des accéléromètres positionnés sur la machine et une antenne acoustique est développée. Elle permet d'obtenir des cartographies de la pression rayonnée sur une surface de la machine uniquement à partir d'accéléromètres. Son applicabilité à la détection de défaut est également démontrée sur un banc à engrenages. / Vibration analysis is mainly used in condition monitoring and fault detection of rotating machine domain. The success of the diagnosis is strongly related to the position of the accelerometers. However, the machine geometry sometimes prevents the sensors to be placed close enough to the faulted part causing the diagnostic failure. The sound emitted by a mechanism and its condition are related. Using microphones to optimize condition monitoring is then justified. Acoustic imaging techniques (acoustic holography, beamforming, etc…) are mainly used as a source localization and quantification tool but they can be turned into a powerful diagnosis tool. Several strategies based on the beamforming algorithm are developed in this work. Firstly, diagnosis features commonly used in condition monitoring of rotating machinery are mapped as a function of space. Kurtosis allows localizing impulsive sources which eventually can be related to a mechanism failure. New features based on the squared envelope spectrum of the focused signals are also introduced. They aim toward the detection of inner and outer race fault in roller element bearings. On the other hand, angular synchronous average is used to extract the acoustic field synchronous with one component rotation. The sources related to a fault are localized in the residual field mappings. Finally, a new imaging technique based on the vibroacoustic transfer functions between a few accelerometers placed on the machine and the microphone array is developed. It allows obtaining the mappings of the radiated pressure on the machine surface only thanks to the accelerometers. It is tested as a fault detection tool on a test bench

A l’heure où la distribution de l’énergie électrique reste encore en discussion pour les nouvelles générations d’avions de transports civils ou militaires, une remise en cause du niveau des tensions continues disponibles pourrait porter les bus de tension de 270Vdc à 540Vdc. De fait, les équipementiers devront proposer des produits facilement adaptables à ces deux niveaux de tension. Par ailleurs, la course au rendement nécessite de revoir les systèmes actuels en proposant des versions plus compactes, fonctionnant à des meilleurs niveaux de rendement. L’atteinte de ces objectifs peut passer par une rupture technologique qui devrait s’opérer dans le domaine de la conversion d’énergie avec l’avènement, d’une part, des composants « grand gap », d’autre part, l’exploitation de structures innovantes de convertisseurs de puissance autore configurables. Les systèmes associant plusieurs convertisseurs et plusieurs machines, appelés communément Systèmes Multi-Convertisseurs Multi-Machines (SMCMM), jouent également un rôle prépondérant grâce aux avantages qu’ils présentent tels que, la modularité, la sûreté et l’accroissement de puissance. Néanmoins, si a priori, l’innovation technologique porte sur le convertisseur statique, le rendement d’un système électromécanique alliant convertisseur et machine ne correspond pas en général au produit des rendements de chacun des composants qui le constituent. En effet, le fonctionnement global fait apparaître de nouvelles problématiques. Dans ce contexte, la ligne directrice de ces travaux de recherche porte sur une méthodologie générale et le développement d’outils qui permettent d’étudier ces systèmes dans leur globalité. L’enjeu scientifique de cette étude consiste à adapter au mieux la machine à son convertisseur, optimiser la qualité du couple (amplitude et ondulations), donc à dimensionner et optimiser une machine qui réponde non seulement à la fonction principale visée par l’application, produire un couple mécanique à une vitesse donnée, mais qui satisfasse aussi une, voire plusieurs fonctionnalités requises pour l’utilisation d’onduleurs reconfigurables en tension. Afin de constituer une palette d’outils qui permettra de développer une méthodologie générale d’analyse des SMCMM, un outil de génération et de caractérisation systématique des bobinages et des aimants permanents est développé. Ce premier outil couplé à un modèle de type champ, basé sur la résolution analytique des équations du champ magnétique, est capable de fournir les performances électromagnétiques de la machine en fonction des critères du concepteur. Ensuite, un second outil qui permet d’appliquer la théorie d’une vision de conception par l’adéquation des sources du champ dans une machine, est développé. Nous pouvons alors rechercher la possibilité de maximiser le couple en adaptant, soit les bobinages, soit les aimants permanents. Pour étendre les précédents résultats à un cas général, un problème d’optimisation est formulé. Pour cela, un problème inverse à variables mixtes, relations complexes et non linéaires, est résolu avec un algorithme de type « boîte noire ». Les travaux se focalisent ensuite sur l’intégration de la fonction coupleur magnétique, puis sur la mise en évidence des conditions de fonctionnement optimal d’une machine synchrone à aimants permanents montés en surface et à double étoile (MSAPDE), alimentée par deux convertisseurs en parallèle reconfigurables en tension à commande entrelacée. Cette démarche est une première approche concrète de l’intégration machine convertisseur. Les courants induits dans les parties conductrices de la machine en mouvement sont modélisés afin de vérifier en fonction de la fréquence, leurs effets sur la fonction de coupleur magnétique. Finalement, après des simulations numériques qui permettent d’analyser et de classifier les avantages et les inconvénients de plusieurs solutions de machines, la réalisation de deux démonstrateurs de MSAPDE à coupleur intégré est initiée. / At the moment, distribution of electrical power is still being discussed for the new generations of civil and military aircraft. Level of DC voltage available is challenging and could take voltage from 270Vdc to 540Vdc. Hence, equipment suppliers must propose products easily adaptable to these two voltage levels. Otherwise, the race for better performances requires the revision existing systems by offering more compact versions functioning at better efficiency levels. Achieving these goals may be through a technological breakthrough that should be operated in the field of energy conversion with advent of both components "high band gap", and the use of innovative structures of self-reconfigurable power converters. Systems that combine several converters and several machines, commonly called Multi-Converters Multi-Machines Systems (SMCMM), also play a prominent part thanks to their advantages such as, modularity, safety and increased power. Nevertheless, if in principle, technical innovation concerns with the static converter, the efficiency of an electromechanical system which combines machine and converter does not correspond generally to the efficiency product of each constituent component. Indeed, overall functioning reveals new problems. In this context, the guidelines for this research work focus on a general methodology and the development of tools in order to study these systems as a whole. The scientific challenge of this study consists in adapting a machine to its converter, optimizing the torque quality (amplitude and ripples), so to size and to optimize a machine that meets not only the main function covered by the application, i.e. to produce a mechanical torque at a given speed, but also satisfies one or several functionalities required for using reconfigurable voltage inverters. In order to provide a range of tools that will allow the development of a general methodology for SMCMM analysis, a tool for automatic generating and characterizing windings and permanent magnets has been developed. This first tool coupled with an analytical model of field type, based on solving equations of magnetic field, is able to provide electromagnetic performances of the machine according to the designer's criteria. A second tool which allows us to apply theory of a design vision by the field sources adequacy in a machine has been developed. Consequently, we can look for possibility to maximize torque by adapting either windings or permanent magnets. To extend previous results to a general case, an optimization problem is formulated. For this purpose, an inverse problem with mixed variables, complex and non-linear relations, is solved with a "black box" algorithm. The work focus on magnetic coupler function integration, on the identification of optimal operating conditions of a synchronous machine with surface-mounted permanent magnets (AP) and double star (MSAPDE), supplied by two reconfigurable parallel interleaved inverters. This approach is a first practical step into machineconverter integration. Eddy currents in the moving conductive parts of the machine are modeled in order to check their effects on the magnetic coupler function according to frequency. Finally, after numerical simulations which allow us to analyze and classify pros and cons of several machine solutions, the fulfillment of two MSAPDE demonstrators integrating magnetic coupler is initiated.

Les ensembles turbo-alternateurs des centrales électriques sont de grandes machines tournantes de plus de 50 mètres de long et de plusieurs centaines de tonnes. Lors du fonctionnement normal d'une telle machine, une probabilité non nulle existe d'un détachement accidentel d'une aube. Dans une telle situation, un balourd important est généré et du contact apparaît entre les parties tournantes et non tournantes de la machine. Il est alors capital de pouvoir simuler efficacement la dynamique de ce type d'évènement faisant intervenir de fortes non linéarités dans le système. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR (Agence Nationale de la Recherche) IRINA (SImulation et maîtRise des rIsques en coNception des mAchines tournantes) et en particulier entre le LaMCoS (LAboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures) de l'INSA de Lyon et le département AMA (Analyses Mécaniques et Acoustiques) d'EDF R et D à Clamart. Elle a pour objectif de mettre au point une technique rapide de simulation du comportement des lignes d'arbres de machines tournantes en cas de présence de non linéarité de type contact entre rotor et stator. Pour atteindre cet objectif, une double démarche a été mise en place. La première consiste à mettre au point des modèles simplifiés afin de réduire le nombre de degrés de liberté du problème. De surcroît, une technique de réduction de modèle adaptée au cas de non linéarité localisée est utilisée afin de réduire encore plus la taille du système à résoudre. La seconde démarche consiste à mettre au point une technique de résolution rapide du système réduit afin d'obtenir la solution encore plus rapidement. Pour cela, au lieu d'utiliser les traditionnelles techniques d'intégration temporelle directe, c'est la méthode de la balance harmonique qui est mise à profit. Cette technique permet d'obtenir directement la réponse stabilisée du système grâce à une résolution des équations dans le domaine fréquentiel. Dans ce cadre, une maquette numérique a été mise au point mettant en oeuvre les fonctionnalités citées. Cette dernière permet de reproduire les phénomènes physiques périodiques ainsi que quasi-périodiques et de déterminer leur stabilité. Des études paramétriques sur des exemples de problèmes de contact rotor-stator viennent illustrer cette démarche. Enfin, une application sur un cas industriel de groupe turbo alternateur EDF est présentée. / Power plants turbo-generator sets are large rotating machines of more than 50 meters long and weight several hundred tons. During normal operation of such a machine, there is a nonzero probability of an accidental disconnection of a blade. In such a situation, a significant imbalance is generated and contact may occur between the rotating and non-rotating parts. It is therefore essential to be able to effectively simulate the dynamics of this type of event involving strong nonlinearities in the system. This PhD was conducted within the framework of the ANR (Agence Nationale de la Recherche) IRINA (Simulation and risk control in rotating machinery design) and in particular between the LaMCoS (LAboratory of Contact Mechanics and Structures) of the INSA Lyon and the AMA department (Mechanical and Acoustic Analysis) at EDF R and D in Clamart. It aims to develop a fast technique for simulating the behavior of shafts of rotating machinery in case of presence of non-linearity of contact between rotor and stator. To achieve this goal, a dual approach was implemented. The first is to develop simplified models to reduce the number of degrees of freedom of the problem. In addition, a model reduction technique suitable for the case of localized nonlinearity is used to further reduce the size of the system to be solved. The second approach is to develop a technique for efficient resolution of the reduced system to obtain the solution more quickly. To do this, instead of using the traditional direct temporal integration techniques, the harmonic balance method is put to use. This technique allows to directly obtain the stabilized response of the system thanks to a resolution of the equations in the frequency domain. In this context, a numerical model has been developed to implement the features mentioned. The latter allows to reproduce the physical periodic and quasi-periodic phenomena and to determine their stability. Parametric studies of examples of problems of rotor-stator contact will illustrate this approach. Finally, an application on an industrial case of turbo generator EDF is presented.

The electromagnetic machines like the dc, induction, synchronous motor/generator and the transformer have an energy flow framework that is similar. All these machines deal with electrical energy in the electrical domain that is interfaced with the magnetic domain. Except for the transformer, the other machines also have one more energy interface i.e. with the mechanical domain. In all these machines, the magnetic domain acts as the silent energy manager. The electrical and the mechanical domain energies will have to pass through the magnetic domain and appropriately get routed. In recognition of the commonality of this pattern of energy flow, this thesis proposes a generalised model of a multiphase electromagnetic device wherein the dc machine, induction machine, synchronous machine and the transformers are special cases of the proposed generalised model. This is derived using bond graphs that is based on the underlining principle of Energy Flow rooted in the concept of Conservation of Energy. A model is a set of mathematical equations representing a physical system. A model is as good as a modeller understanding of the physical system and the underlying approximation he makes while writing down the equations describing the models behaviour to the stimulus. A modelling language tool, which can cut down the approximations made by using the power of identified analogous characteristics across the physical domain, can help make a model more close to real life situation. Bond Graph is such a modelling language which is powerful enough to model the non-linear, multi-disciplinary, hybrid continuous-discrete phenomena encountered in a real life physical system. Bond graphs as a modelling tool was introduced by Professor H.Paynter at Massachusetts Institute of Technology in 1959. The Bond Graph methodology is based on consideration of energy flows between the ports of the components of an engineering system. Bond Graph methodology enables one to develop a graphical model that is consistent with the first principle of energy conservation without having the need to start with establishing and reformulating equations. The derivation of a mathematical model from the graphical description is automated by software tools. As a consequence, a modeller using this methodology can focus on modelling of the physical system. In the graphical representation of bond graph the vertices of a bond graph denote subsystems, system components or elements, while the edges, called power bonds, represent energy flows between them. The nodes of a bond graph have power ports where energy can enter or exit. Bond graph models are developed in a hierarchical top-down or bottom-up approach by using component models or elements from model libraries. An electromagnetic machine is a black box having an assemblage of windings in iron resulting in a combination of input/output ports on shaft and electrical terminals. Abstraction of an machine model by a modeller matching the vision of the observer above is an ideal goal. Bond graph methodology is an appropriate tool for trying to reach this goal as it is based on object oriented modelling techniques. There have been few attempts to model electric machine in bond graph earlier. A well established DC motor bond graph has been widely used in all bond graph literature. But AC rotating machine being a higher order nonlinear system poses a tougher challenge. Here too, there have been few attempts in modelling AC machines. It is observed that majority of AC machine bond graph models have been built up from their mathematical models. But as the bond graph modelling technique is based on the unifying theory of energy exchange, better insight into the system is achievable if the model is conceptualised from its physical structure. This thesis starts from the basic theory of energy port to conceptualise the generalised model from physical correspondence. In this thesis a Rotating Electrical Machine is studied as a physical system. The energy ports inside this physical system is identified. When a physical system receives the energy through its energy port in one energy cycle, it processes this energy in one of the three ways. The received energy is converted into useful work or it is dissipated or stored. The storage can further be classified into two ways, either as kinetic energy or as potential energy. For a rotating electric machine the input-output port for energy exchange are either in electrical or mechanical domain depending on the class of the machine. The magnetic domain across all class of electromagnetic device acts as the energy manager. In order to capture the features of the energy jumping across the air gap in a rotating electrical machine, wherein the magnetic fields from spatially distributed windings of the stator and rotor interplay, an Axis Rotator (AR) element -a mathematical commutator, is introduced in this thesis as a new bond graph element. In a multiphase device, the energy from the various phases and spatial axes are transferred through the axis rotator element. The Axis Rotator is a critical element which helps distinguish between the various classes of electromagnetic devices. The defining features of the Axis Rotator helps in deriving the various special electromagnetic devices (such as the dc machine, induction machine, synchronous machine and the transformer) from the generalised model. The Axis Rotator exists in the magnetic domain. It naturally inherits the characteristics of the magnetic domain. The Axis Rotator as a bond graph element is complex. In a specific case of 3φ Induction Motor an alternative bond graph model with all integral elements is developed. By one to one correspondence with the AR bond graph model, the inner component of ’AR’ can be identified. Another advantage of using this model is that saturable and non-saturable magnetic permeance can be separated out, a useful feature in the nonlinear model discussed next. One of the most distinguishing features of the magnetic domain is the existence of Magnetic Hysteresis. Magnetic Hysteresis is a well understood and studied subject. But this physical process is wilfully ignored by the modelling community at large. The main reason for this is the difficulty of modelling a nonlinear phenomena. The bond graph modelling naturally allows the inclusion of such non-idealities within its framework. This thesis proposes the generalised model along with the inclusion of magnetic non-linearities and non-idealities into the model of the system. This inherent strength of bond graph model flows from the fact that the models in bond graph are developed from the first principles of energy conversation and the mathematical equations are derived later from the evolved graph. The tools that are available for bond graph simulation are not adequate for power electronics systems. The existing tools do not address space vectors and frame transformations. As a consequence it is difficult to simulate the electromagnetic device models developed in this thesis. The need for a bond graph tool to address vectors and frame transformations, a common occurrence in electric machines dynamic model study was acutely felt. This necessitated a support for handling complex data class from the underlying mathematical engine of the software. MATLAB/Simulink is the commonly available mathematical tool which has a support for complex variables. Therefore during the course of this research work a new software tool box was developed which meets the need of electromagnetic machines in particular and other engineering domains in general. For developing the new bond graph simulation software, the language extender approach was chosen, as it combines the capabilities of existing popular mathematical engine with its tested graphical frontend and the flexibility of combining different modelling technique like bond graph, block diagram, equations etc. It also ensures portability as they are compiled by interpreted language compiler of the mathematical engine and are thus independent of the computer operating system. C-MEX S-function methodology was used to develop the software as it has access to lower level functions and methods of the underlying mathematical engine. This helps in speeding up the software execution time alongwith the flexibility in defining new complex elements like the Nonlinear Axis Rotator. In conclusion, this thesis makes the following contributions: (i) The Axis rotator concept to handle space vectors and frame transformations, (ii) generalised model of the electromagnetic device, (iii) introduction of the saturation and hysteresis non-linearity in the magnetic domain, (iv) development of the bond graph toolbox to handle vector and frame transformations.