L'évolution des réseaux électriques d'une transmission de puissance unidirectionnelle classique vers un réseau diversifié avec, une grande variété de consommateurs et producteurs d'électricité, requiert le développement des technologies de mesure et de communication avancés et/ou nouvelles. Dans le cadre du projet SOGRID, une méthode innovante de mesure de courant a été développée pour enrichir la gamme existante des capteurs de courant et pour faciliter l’installation dans le réseau électrique. En effet, le capteur innovant développé ici est non seulement non-intrusif, mais peut également être déporté du câble.Dans les réseaux électriques, l'obstacle principal pour une mesure précise du courant est la nature triphasée de transmission de puissance. Un capteur de courant qui doit être utilisé dans le réseau électrique doit donc fournir une sélectivité géométrique entre les différentes phases. Les solutions commerciales existantes sont dites non-intrusives, mais nécessitent tout de même de venir entourer le conducteur d'intérêt pour mesurer le champ le long d'un chemin fermé. Ces solutions comprennent des bobines de Rogowski et les mesures en boucle fermée avec des capteurs de champs comme les magnétorésistances, les capteurs à effet Hall ou les fluxgates. Toutefois, un placement autour du conducteur limite la miniaturisation requise par le développement des réseaux intelligents : des capteurs miniatures peuvent être intégrés avec d'autres unités de mesure et de transmission de données pour permettre le suivi et le contrôle des réseaux intelligents modernes avec une maille plus dense.Afin de rependre à ces exigences, et pour améliorer la sélectivité géométrique des conducteurs, une méthode de mesure de courant basée sur la décomposition du champ en harmoniques spatiales a été développée dans cette thèse.Cette décomposition est basée sur le développement du champ magnétique à l'intérieur d'une région défini avec une série de fonctions périodiques angulaires, une loi d’évolution radiale particulière et des coefficients de développement correspondants, de sorte que la somme des ordres (théoriquement infini) de développement reconstruit le champ avec précision. Si ce développement est effectué pour une région sans sources, qui est donc entouré des sources de champ, il est défini comme une décomposition interne, qui utilise des fonctions croissantes du rayon, à partir du centre de décomposition en direction de la source de champ. Le procédé de mesure de courant est basé sur la détermination des coefficients de développement pour les différents ordres, dans lequel les ordres supérieurs présentent une dépendance réduite aux sources de perturbation (plus éloignes du conducteur d’intérêt). La relation entre ces coefficients et le courant d'intérêt est linéaire et défini par des facteurs de transfert.Afin d'exploiter la sélectivité géométrique accrue des ordres supérieurs, il est nécessaire d'effectuer un nombre suffisant de mesures du champ magnétique sur la limite d'une région appropriée afin de déduire les coefficients de développement à partir de la résolution d'un problème inverse. La taille et le positionnement de ce réseau de capteurs jouent des rôles essentiels dans la détectabilité des contributions d'ordre supérieur. Des prototypes appropriés pour une décomposition en 2D (pour les conducteurs rectilignes) et en 3D (pour les conducteurs avec des chemins arbitraires) ont été conçus, mis en œuvre et ensuite testés en laboratoire au cours de cette thèse.D'autres développements se concentrent sur la détermination des facteurs de transfert caractéristiques. En effet, tandis que ceux-ci peuvent être facilement déterminés si un courant contrôlé connu est introduit dans le conducteur, une méthode qui permet de les retrouver dans des conditions d'opération réelles doit être développée pour des applications industrielles. Afin de répondre à ce besoin, une méthode de calibration appropriée est aussi présentée dans cette thèse. / The evolution of electrical grids from conventional unidirectional power transmission to diverse networks with a large variety of electricity consumers and producers requires the development of advanced and/or novel measurement and communication technologies, in order to create smart grids. As a part of the SOGRID project, an innovative current measurement method was developed to supplement the existing range of current sensors and to facilitate the installation, since the sensor is not only non-intrusive but can also be located at a distance from the cable.The primary obstacle for precise current measurement in power grids is the three-phase nature of power transmission. A current sensor that is to be employed in the electrical grid must therefore provide geometrical selectivity between the individual phases. Existing commercial current sensors are non-intrusive but require placement around the conductor of interest, e.g. to measure the field along a closed path. Solutions include Rogowski coils, magnetoresistors, Hall effect or fluxgate sensors as well as magneto-optical solutions. However, a placement around the conductor limits the miniaturization required by smart grid development: miniature sensors can be integrated with other measurement and data transmission units, thus enabling the densely meshed monitoring and control of modern smart grids. In order to avoid these restrictions and to improve geometrical selectivity, a current measurement method based on the decomposition of the field into spatial harmonics has been developed in this thesis. The measurement principle allows for the fabrication of innovative current sensors that can be installed besides the conductor.The decomposition of the magnetic field into spatial harmonics is based on the development of the magnetic field within a defined area/volume in a series of products of periodic functions, a radial dependence and corresponding development coefficients, so that the sum of the (in theory infinite number of) development orders reconstructs the field accurately. If this development is performed for a source-free region besides the source of the field, it is defined as an internal decomposition, which uses functions that increase from the center of decomposition toward the field source. The current measurement process is based on the determination of the development coefficients for the various orders, wherein higher orders exhibit a reduced dependence on perturbing sources (as long as the field measurements are performed closer to the conductor of interest than to the perturbing conductor). The relation between these coefficients and the current of interest is linear and defined by transfer factors.In order to exploit the increased geometrical selectivity of higher orders, it is necessary to perform a sufficient number of magnetic field measurements on the boundary of a suitable area/volume in order to derive the development coefficients from the solution of an inverse problem. The size and positioning of this sensor array also plays a vital role in the detectability of higher order contributions to the field. Suitable 2D (for straight conductors) and 3D (for arbitrary conductor paths) prototypes were designed, implemented and subsequently tested in the laboratory during this thesis.Further developments focus on determining the characteristic transfer factors. While these can be easily determined if a known controlled current is induced in the conductor, a method that allows for their determination under real operating conditions must be developed for industrial applications. A suitable calibration method is presented in this thesis.

L'objectif de la thèse est la conception d'une machine électrique dédiée à des applications Mild-Hybrid. En assurant certaines fonctionnalités, cette machine permet de réduire la consommation de carburant dans le véhicule et par conséquent réduire la quantité des gaz rejetés. Les contraintes exigées par un tel domaine à la fois pour le couple et la puissance nous amène à étudier les machines synchrone polyphasée à aimants avec un bobinage concentré autour des dents. Cette technologie de bobinage permet d'obtenir des machines de rendement élevé qui sont faciles à fabriquer, réparer et recycler, mais avec un certain niveau d'effets parasites. Afin de trouver un compromis entre ces effets et la capacité à fournir de couple, la thèse concerne l'étude des topologies de bobinage à pas dentaire avec différentes combinaisons Encoches/Pôles. Un modèle analytique constituant un outil permettant de comparer les pertes d'aimants entre les différentes combinaisons est développé. De nombreuses configurations sont comparées afin de faire le choix le plus adéquat pour minimiser les effets parasites. Les topologies rotoriques qui permettent à la machine de présenter une large plage de vitesse sont examinées, mais en tenant compte également de la nécessité de protéger leurs aimants contre des harmoniques nocifs de FMM. Enfin, l'exploitation du degré de liberté offert par une structure à 5 phases est abordée montrant que, le couple peut être significativement boosté en modifiant la structure de rotor. La cohérence de toutes les études analytiques menées dans la thèse est corroborée par des modèles en éléments finis et des mesures effectuées sur un prototype. / The aim of this thesis is to design an electrical machine dedicated for Mild-Hybrid applications. By providing certain functionalities, this machine can reduce fuel consumption in the vehicle and therefore reduce the amount of released gases. The challenges imposed by such application on both torque and power lead us to study the multiphase PM machines with concentrated windings. This windings technology provides efficient machines which are easy to manufacture, repair and recycle, but accompanied with a certain level of parasitic effects. In order to find a compromise between these effects and the ability to provide torque, the thesis concerns the study of winding topologies with different Slots/Poles combinations. An analytical model constituting a tool to compare magnet losses between various combinations is developed. Many configurations are compared in order to make the most appropriate choice which minimizes parasitic effects. The rotor topologies that allow the machine to provide a wide speed range are examined, taking into account their role in magnets protection against MMF harmful harmonics. Finally, the exploitation of freedom degree offered by a 5-phases structure is discussed, showing that the torque can be significantly boosted by modifying the rotor structure. The consistency of all analytical studies presented in the thesis is corroborated by finite element models and a prototype measurement.

This thesis presents two transient models for a prototype integrated charger for use in a plug-in hybrid-electrical vehicle application. The models can be useful in order to develop control algorithms for the system or to recommend improvements to the machine design. A flux map based method, obtaining input data from simulations using the finite element method (FEM) is used to model the grid synchronization process. The grid side voltage can then be predicted by incorporating spatial flux linkage harmonics. The model is implemented in Matlab/Simulink and compared to stand alone FEM simulations with good agreement. The charging process is modeled using an inductance based model also requiring FEM simulations as input data. Since the flux linkages in the grid and inverter side windings are dependent on each other, the presented transient model is linearized around a specific operating point. This model is also implemented in a Matlab/Simulink environment. Sensorless control of a PMSynRel drive is also studied in this thesis. Focus is put on operating limits due to magnetic saturation when operating at low speeds. The rotating and pulsating voltage vector injection methods for sensorless control are studied in detail. A technique to map the feasible sensorless control region is proposed which utilizes the resulting position error signal rather than data of differential inductances. This technique is implemented experimentally and compared to corresponding FEM simulations with good agreement. The impact of spatial inductance harmonics on the quality of the position estimates is also studied. A method to predict the maximum position estimation error due to the inductance harmonics is proposed based on simplified analytical models. A technique is presented and experimentally verified which can compensate for this effect by injecting a modified rotating voltage carrier. Lastly, the impact of saturation in the rotor structure on the initial magnet polarity detection is investigated. The experimental results, in good agreement with the corresponding FEM simulations, indicate that the impact of saturation in the magnet bridges of rotor is the dominant phenomenon at lower peak current magnitudes. / QC 20110928

When developing three-phase drives for Electric Vehicles (EVs), it is essential to verify the controller design. This will help in understanding how fast and accurately the torque of the motor can be controlled. In order to do this, it is always better to test the controller using the software version of the motor or vehicle drivetrain than using actual hardware as it could lead to component damage when replicating extreme physical behavior. In this thesis, plant modelling of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) and vehicle drivetrain in MATLAB/Simulink for Model Based Design (MBD) is presented. MBD is an effective method for controller design that, if adopted can lead to cost savings of 25%-30% and time savings of 35%-40% (according to a global study by Altran Technologies, the chair of software and systems engineering and the chair of Information Management of the University of Technology in Munich) [1]. The PMSM plant models take effects like magnetic saturation, cross- coupling, spatial harmonics and temperature into account. Two PMSM models in d-q frame based on flux and inductance principles were implemented. Flux, torque maps from Finite Element Analysis (FEA) and apparent inductance from datasheets were used as inputs to the flux- and inductance-based models, respectively. The FEA of PMSM was done using COMSOL Multiphysics. The PMSM model results were compared with corresponding FEA simulated results for verification. A comparison of these PMSM models with conventional low fidelity models has also been done to highlight the impact of inclusion of temperature and spatial harmonics. These motor models can be combined with an inverter plant model and a controller can be developed for the complete model. Low frequency oscillations of drivetrain in EVs lead to vibrations which can cause discomfort and torsional stresses. In order to control these oscillations, an active oscillation damping controller can be implemented. For implementation of this control, a three-mass mechanical plant model of drivetrain with an ABS (Anti-lock Braking System) wheel speed sensor has been developed in this thesis. Analysis of the model transfer function to obtain the pole zero maps was performed. This was used to observe and verify presence of low frequency oscillations in the drivetrain. In order to include the effects of ABS wheel speed sensor and CAN communication, a model was developed for the sensor. / Testning av regulatorernas inställningar med hänsyn till snabbhet och noggrannhet i momentreglering är avgörande i trefasiga drivsystem för elektriska fordon. Oftast är det bättre att simulera i stället för att utföra experimentella tester där komponenter kan skadas på grund av fysisk stress. Detta kallas för Model Based Design (MBD). MBD är an effektiv metod för utformningen av styrningen som kan leda till kostnadsbesparingar på 25%-30% och tidsbesparingar på 35%-40% enligt en studie från Altran Technologies i samarbete med Tekniska universitet i München, TUM. Detta examensarbete behandlar en modell för en synkronmaskin med permanentmagneter (PMSM) samt en modell för drivlinan utvecklad i Matlab/Simulink för MBD. PMSMs modellen inkluderar magnetisk mättnad och tvärkoppling, MMF övervågor och temperatur. Två PMSM modeller har utvecklats. Den första baseras på magnetiskt flöde som erhålls från finita element beräkningar i COMSOL Multiphysics medan den andra bygger på induktanser givna från datablad. En jämförelse av dessa PMSM-modeller med konventionella low fidelity-modeller har också gjorts för att illustrera påverkan temperaturberoende och MMF övervågor. Modellerna kan kombineras med en växelriktarmodell för att utveckla en hel styrenhet. Lågfrekventa oscillationer i drivlinan leder till vibrationer som kan orsaka vridspänningar och försämra komforten i elfordonet. En aktiv dämpningsregulator kan implementeras för att kontrollera spänningarna men en mekanisk drivlinemodell med tre massor och en ABS (anti-lock braking system) hastighetssensor behövs. Den mekaniska modellen har implementerats och analyserats även beaktande en modell för en CAN kommunikationskanal. Oscillationer med låg frekvens kunde observeras i modellen.