Le collisionneur SuperKEKB, dédié à l'expérience Belle II, prévoit une très haute luminosité, inégalée à ce jour. Son objectif est de fournir une luminosité instantanée de 8x10³⁵ cm⁻²s⁻¹ en mettant en collision des faisceaux minuscules au point d'interaction (IP) sur la base du schéma "nano-beam". Par conséquent, un excellent contrôle de l'orbite du faisceau à l’IP est nécessaire pour assurer un recouvrement géométrique optimal entre les deux faisceaux en collision, et ainsi maximiser la luminosité. Dans ce cadre, cette thèse présente le développement et l'implémentation d'un système de monitoring rapide de la luminosité de SuperKEKB basé sur des détecteurs en diamant sCVD. Pour atteindre une précision relative aussi élevée et couvrir une gamme dynamique de luminosité élevée, le processus de diffusion Bhabha radiatif à très petit angle est utilisé, dont la section efficace d’interaction est très importante et relativement bien connue. Des détecteurs diamant sCVD, dont le signal est rapide et qui ont une bonne tolérance au rayonnement, sont utilisés pour détecter les particules chargées dans les gerbes électromagnétiques induites par l’interaction entre les particules Bhabha diffusées et perdues dans le tube à vide du faisceau, et dans les autres matériaux, en particulier un radiateur, à des emplacements choisis spécialement en aval de l'IP, dans les deux anneaux LER et HER. Une simulation de bout en bout du système d'asservissement de l'orbite du faisceau à l'IP basé sur notre signal de luminosité rapide et précis a été réalisé, qui comprend: une estimation du signal du détecteur de diamant sCVD, basé sur des mesures de laboratoire à l'aide d'une source radioactive, la construction de séquences de signal représentative de SuperKEKB comprenant les bruits de fond à un seul faisceau et les particules diffusées par le processus Bhabha, un traitement du signal de luminosité, et la simulation de l'asservissement de l'orbite. Il a été possible de vérifier la faisabilité de ce système pour maintenir la très haute luminosité de SuperKEKB en présence des mouvements du sol et a de déterminer la précision relative du signal de luminosité rapide qu'il est possible d'obtenir toutes les 1 ms. Au cours des phases de mise en service de SuperKEKB, la phase 2 et le début de la phase 3, notre moniteur de luminosité rapide basé sur des détecteurs en diamant sCVD a été installé et utilisé avec succès. Les processus de perte de faisceau, principalement ceux provenant des processus de Bremsstrahlung et de Touschek, ont été étudiés en détail et, par rapport à la simulation, un bon accord a été trouvé. Lors de la mise en service de la collision, des signaux de luminosité intégrés toutes les secondes étaient fournis en continu pour le réglage des paramètres des faisceaux à l'IP. En outre, un signal de luminosité intégré toutes les 1 ms avec la précision relative attendue a également été fourni et utilisé comme entrée du système d'asservissement de l'orbite à l'IP, notamment pour des premiers tests conduits avec succès avec des décalages de faisceau horizontaux introduits volontairement. Davantage de tests de ce système d'asservissement sont attendus pour assurer son bon fonctionnement en continu à l'avenir. Cette thèse présente le développement et l’application d’un système de surveillance rapide de la luminosité basé sur les détecteurs de sCVD diamant de SuperKEKB. / SuperKEKB is at the foremost frontier of high luminosity e⁺e⁻ colliders, dedicated to the Belle-II experiment. It aims to provide an instantaneous luminosity of 8x10³⁵ by involving extremely tiny beams colliding at the Interaction Point (IP) based on the "nano-beam scheme". Therefore, excellent control of its beam orbit at the IP is required to ensure the optimum geometrical overlap between the two colliding beams, and thereby maximize the luminosity. Besides, effective instrumentation to diagnose the behavior of the beam at the IP and possible beam interactions between bunches along the train are also quite essential during the long and rather difficult process of machine tuning towards the nominal beam parameters. This thesis presents the development and application of a fast luminosity monitoring system based on sCVD diamond detectors at SuperKEKB, including: (1),train integrated luminosity signals every 1 ms which will be used as input to the dithering orbit feedback system, its relative precision is expected to be better than 1% when luminosity reaches 10³⁴ (2), sensitive train integrated luminosity signals over a large luminosity dynamic range every 1 s which will be sent to the SuperKEKB control room as immediate observable for machine collision tuning, and (3) bunch integrated luminosity signals every 1 s with sufficient relative precision to monitor the collision performance for each single bunch. To achieve such high relative precision and cover a large luminosity dynamic range, the radiative Bhabha process events at vanishing scattering angle will be measured, whose interaction cross-section is quite large and reasonably well known. The sCVD diamond detectors, which have fast signal formation and good radiation tolerance, were used to detect the charged particles in the secondary showers induced by the interaction between the lost Bhabha scattered particles and the beam pipe and specific radiator materials at carefully chosen locations downstream of the IP in both the LER and HER. A start-to-end simulation was performed on the dithering orbit feedback system using fast, precise luminosity signal as input, which includes: sCVD diamond detector signal estimation based on laboratory measurements with a radioactive source, signal sequence construction at SuperKEKB including single beam backgrounds and Bhabha scattered particles, luminosity signal procession, dithering orbit feedback simulation. It enabled verifying the feasibility of this system to maintain very high luminosity in the presence of ground motion, in particular it determined the relative precision of the fast luminosity signal every 1 ms. Besides, the radiation damage of the sCVD diamond detectors in the LER was also estimated based on a FLUKA simulation and applying the NIEL hypothesis. During the Phase-2 and early Phase-3 commissioning periods of SuperKEKB, our fast luminosity monitor based on sCVD diamond detectors was installed and operated successfully. Single beam loss processes, mainly Bremsstrahlung and Touschek, were studied in detail and compared with the simulation, showing good agreement. During the collision commissioning, train and bunch integrated luminosity signals every 1 s were provided for machine tuning. e.g. the vertical beam sizes were determined with the vertical offset scan technique based on our luminosity signals, both the average and for the individual bunches, which is very important and useful for the collision and IP local optics tuning during the long and rather difficult process of SuperKEKB machine tuning towards the nominal beam parameters. Besides, a train integrated luminosity signal every 1 ms with the expected relative precision was also provided and used as input to the dithering orbit feedback system for its first successful tests with deliberately introduced horizontal beam-beam offsets. More tests on the dithering orbit feedback system are expected to ensure its future continuous operation.

Les stratégies de commande avancée des machines électriques nécessitent une connaissance précise de la position et/ou de la vitesse du rotor. Ces grandeurs mécaniques sont traditionnellement mesurées par des capteurs, ce qui augmente le coût et diminue la fiabilité et la robustesse du système. D’où l’importance de la commande sans capteurs mécaniques, dite commande sensorless : elle consiste à remplacer les capteurs physiques par un observateur d’état, qui estime les grandeurs mécaniques en se basant sur un modèle de la machine et à partir de ses entrées (tensions) et ses sorties (courants mesurés). Toutefois, avant d’entamer la synthèse d’un observateur, il faut examiner l’observabilité du système, c.à.d. vérifier si les grandeurs à estimer peuvent être reconstruites à partir des mesures et des entrées du système.Ce travail de thèse concerne la modélisation et l’étude d’observabilité des machines électriques en vue de la commande sensorless. Dans un premier temps, les modèles des machines électriques sont établis, et il est montré qu’une modélisation unifiée des machines à courant alternatif est possible. Ensuite, en se basant sur ces modèles, l’observabilité des machines électriques est étudiée en vue de la commande sensorless. La théorie d’observabilité instantanée locale est appliquée, ce qui permet de formuler des conditions analytiques, faciles à interpréter et à vérifier en temps-réel, et qui font le lien avec les phénomènes physiques dans les machines. La validité des conditions d’observabilité est confirmée par des simulations et sur des données expérimentales, en appliquant un observateur de type Kalman étendu.Cette thèse contribue à une nouvelle vision des machines à courant alternatif commandées sans capteurs mécaniques, et à une compréhension plus profonde de leurs propriétés. Elle contribue ainsi à la synthèse de stratégies d’observation plus performantes dans les régimes de fonctionnement critiques (à vitesse nulle et/ou à fréquence d’entrée nulle).Les nouveaux concepts proposés dans cette thèse, tels que le flux équivalent et le vecteur d’observabilité, avec les résultats obtenus, ouvrent de nouveaux horizons dans un domaine qui paraît devenir assez mature. / High-performance control of electric drives requires an accurate knowledge of the rotor position and/or speed. These mechanical variables are traditionally measured using sensors, which increases the cost and reduces both the robustness and the reliability of the system. This emphasizes the importance of electric drives control without shaft sensors, often referred to as sensorless control : it consists of replacing sensors with a state observer algorithm, that estimates the desired mechanical variables from currents and voltages sensing and based on the system’s model. Nevertheless, before designing a state observer, the observability ofthe system should be examined, that is, it should be checked whether the states to be estimated can be reconstructed, unambiguously, from the input/output signalsof the system.This work addresses the modeling and the observability analysis of electric drives in the view of mechanical sensors removal. Firstly, electrical machines models areelaborated, and it is shown that a unified modeling of alternating current machines is feasible, for the purpose of designing unified control and estimation strategies.The observability of the machines’ models is next studied in the view of sensorless control. The local instantaneous observability theory is applied, which enables us to formulate physically insightful analytic conditions that can be easily interpreted and tested in real time. The validity of the observability conditions is confirmed by numerical simulations and experimental data, using an extended Kalman observer.This work contributes to novel outlooks on the sensorless alternating current drives and to a deeper understanding of its properties, in order to develop higher performance estimation techniques in the critical operating conditions (mainly at standstill and/or zero-stator-frequency).The concepts introduced throughout this thesis, such as the equivalent flux and the observability vector, with the obtained results, open new horizons in a domainthat seems to become mature enough.

Ce travail de recherche s'intéresse à la commande sans capteur mécanique du moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) à pôles saillants, particulièrement en basse vitesse, avec détection de la position initiale du rotor. Après une présentation des techniques et approches qui ont initié nos travaux, en terme d'estimation de la vitesse et/ou de la position, nous avons choisi celles qui présentent plus d'intérêt de point de vue stabilité, robustesse, précision et simplicité d'implémentation. La première approche est basée sur le Système Adaptatif avec Modèle de Référence (MRAS). Quant à la deuxième, elle est réalisée autour d'un observateur non-linéaire pour l'estimation de la position et de la vitesse du MSAP à pôles saillants. Les deux techniques d'observation de la vitesse sont associées à une commande par orientation du flux rotorique avec la technique MLI vectorielle. Pour détecter la position initiale du rotor, nous avons utilisé une nouvelle approche qui permet d'estimer cette position avec une incertitude de ±5° mécanique. Cette nouvelle approche est basée sur l'application de signaux tests aux bornes des phases statoriques du MSAP. Des résultats de simulation et expérimentaux sont présentés tout au long de ces travaux pour valider les études théoriques de la commande vectorielle sans capteur mécanique du MSAP. Enfin, nous avons étudié et analysé les performances de la commande tolérante aux défauts sans capteur mécanique du MSAP en présence de défaillances de types transistors à l'état-off. / This research focuses on the sensorless vector control of a salient pole permanent magnet synchronous motor (PMSM), particularly at low speed, with detection of the initial rotor position. In first step, an overview of the state of the art concerning the estimation of the rotor speed as well as the initial rotor position of PMSM is addressed. From such a study, we have adopted an interesting strategy based on the model reference adaptive system (MRAS). The second step in this research consists in studying the performances and the feasibility of a non-linear observer for closed-loop vector control of salient pole PMSM. The MRAS technique as well as the non-linear observer is associated to a vector control scheme based on the field oriented strategy with space vector pulse width modulation (SVPWM). To detect the initial rotor position, we have proposed a new approach which estimates the position with a resolution of ±5° mechanical degrees. This new approach is based on applying short voltage pulses to the stator winding of salient pole PMSM. Several simulation and experimental results are presented to confirm the theoretical studies of the sensorless vector control of the salient pole PMSM drive. Finally, we have analyzed the performances of the sensorless speed fault tolerant control (FTC) of salient pole PMSM under failures related to the voltage source inverter (open circuit fault). The experimental results obtained based on the proposed techniques using nonlinear and MRAS observers have been improved in term of the reliability and allow a continuous operation of the salient pole PMSM drive even when it is supplied with two inverter legs.

Dans cette thèse, nous nous proposons d’investiguer les signaux expérimentaux provenant des transmissions par courroie, afin d’envisager par exemple le diagnostic de la tension. N’étant pas issu du domaine de la Mécanique, nous présentons donc une bibliographie exhaustive et thématique sur la théorie et l’expérimentation dans les systèmes transmissions par courroie. Le résumé de ce travail a permis de choisir une approche de modélisation mécanique correspondant au mieux aux conditions réelles de fonctionnement de notre système. Elle inclut les variations temporelles dans la vitesse de rotation du moteur qui entraîne la transmission entière et des changements dans la tension de la courroie. Malheureusement, nous n’avons pas réussi à implémenter numériquement les équations de simulation. Néanmoins, les conclusions que nous en tirons nous aident par la suite à mieux comprendre et interpréter les résultats expérimentaux obtenus, après application de l’ensemble des procédures de Traitement du signal. Notre panoplie d’outils de traitements numériques est tirée d’une longue analyse comparative des différents algorithmes de Traitement du Signal existants, dédiés à la surveillance, au diagnostic et au pronostic des défaillances observées sur les roulements et les engrenages. Nous les avons réadaptés pour convenir à l'étude des paramètres variables (tension, charge et/ou vitesse) qui peuvent apparaître dans les transmissions par courroie. Le principal intérêt de notre travail est le développement d’une procédure automatisée et efficace, permettant un suivi fiable des défaillances, dans les domaines d’analyses : modale, traditionnelle (temporelle, fréquentielle, spectrale), synchrone, temps-fréquence et surtout « cyclostationnaire » . Dans ce dernier domaine, avec des méthodes d’extraction de sources à partir d’un signal préalablement rééchantillonné, nous étudions spécifiquement les composantes périodique et aléatoire. Chaque type de défaut (variations au niveau de la tension, la charge et/ou la vitesse) a une signature que nous cherchons à distinguer avec des indicateurs de condition(temporels, fréquentiels et spectraux). Nous essayons de comparer les résultats expérimentaux à la théorie sur les transmissions par courroie. Grâce aux méthodes et algorithmes développés dans ce travail de thèse, nous apportons une contribution permettant de traiter un certain nombre de problèmes inhérents aux transmissions par courroies, à partir de leurs signaux expérimentaux acquis sur des accéléromètres, des jauges de contraintes et des codeurs optiques / In this PHD, we investigate experimental signals recorded from belt drives with a diagnosis aim of belt tension. Our research works present an exhaustive and thematic bibliography on theory and experimentation in belt drive to complete our insufficient knowledges in mechanical domain. We choosed a theoritical approach nearest real conditions of our belt drives bench. We included time fluctuaction in drive shaft speed and blet changes. Unfortunately, we could not resolve motion equations because existence of numerical limits. All conclusions will be used to understand and interprate experimental results after our signal processing numerical procedures. Our tools panel of numerical process comes from a comparative analysis extracted in several scientific documents and differents algorithms. They dedicate to surveillance, diagnosis and pronostic oriented toward bear and gear defaults. A adaptation in our belt case is necessary with variables parameters (tension, load and/or speed) affecting our case. In our automatic approach, we study several faults in analysis domains : modal, traditionnal (time, frequency, spectrum), synchronous, time-frequency and « cyclostationary » . In this last domain, we extract both comopnent (discret and random), after an previous resmapling operation applying to raw collected signal. Each falut type has a specific signature to discriminate with pertinent condition indications (time, frequency and spectrum domains). All results are discussed at the end of this PHD document. Our developped methods and algorithms are a contribution to process belt drives problems, from exprerimental signals recording with acceleromertes, constraint gauges and optical coders

Dans cette thèse nous présentons une étude des pertes de puissance en haute fréquence dans les rotors des machines synchrones à aimants permanent. Dans le cas des champs harmoniques temporels au rotor, nous avons montré par calcul éléments finis en 3D que la règle de segmentation des aimants présente une anomalie. Par conséquent, nous avons développé une étude sur l’efficacité de la segmentation à deux dimensions des aimants permanents, avec l’optimisation de la de segmentation des aimants afin de minimiser les pertes par courants de Foucault. Un simple critère est proposé mettant en évidence l’influence de l’effet de peau dans le calcul des pertes à haute fréquence. En deuxième lieu nous avons étudié les pertes rotoriques dues à la modification du champ fondamental par la denture statorique, Dans ce but nous avons proposé un modèle analytique représentant cette modification par un champ homogène dans une maquette 2D/3D. Ce modèle met en évidence l’influence des paramètres géométriques de la machine sur les pertes de puissance dans le rotor. Il était validé par calcul en éléments finis dans une couche mince. Le modèle analytique a donné les résultats acceptables en absence de l’effet de peau dans le cas des aimants longs. Par contre il reste à améliorer pour le calcul de pertes par denture dans les tôles du rotor. / In this thesis we present a study of high frequency rotor power losses in permanent magnet synchronous machines. In case of time harmonic fields we have shown by an analysis and confirmed by 3D finite element calculation an anomaly of the segmentation rule of the magnet. Consequently, we have proposed algorithms of optimization of the magnet segmentation aiming the minimization of eddy current losses, with a simple criterion on influence of the skin effect in losses calculation in high frequency. In the second part of the theses we have analyzed the rotor power losses dues to the stator slot harmonics. In case of homogeneous field we have proposed an analytical formulation taking into account machine’s geometrical parameters. We have then tested this model with aid of the finite element calculation. The analytical model gives acceptable results in absence of the skin effect in long magnets, but its application in laminated steels hasn’t proved successful.

Cette thèse propose des approches neuromimétiques d'identification et de commande avec des applications directes au Filtre Actif Parallèle (FAP) et au Moteur Synchrone à Aiment Permanent (MSAP). Une structure neuronale complète a été développée pour réaliser toutes les fonctionnalités d'un FAP pour compenser des harmoniques de courant. La phase instantanée et les composantes symétriques d'un système triphasé de tensions ou de courants ont été estimées avec une boucle à verrouillage de phase neuronale. L'identification des harmoniques de courant a été réalisée avec des réseaux de neurones de type Adaline opérant dans les différents repères. Plusieurs schémas de commande ont été développés pour réinjecter les courants de compensation à l'aide d'un onduleur. Ils sont basés sur des techniques neuromimétiques, sur la logique floue, ou sur leur association. Une approche neuronale a été développée pour commander une MSAP à distribution quelconque avec des contraintes prédéterminées réduisant les ondulations du couple. Elle consiste en des schémas de commande directe en couple ou en vitesse pour obtenir les courants statoriques optimaux qui donnent exactement le couple électromagnétique (ou la vitesse) désiré et qui réduisent au maximum les pertes par effet Joule. Ces commandes intègrent deux blocs neuronaux, l'un dédié au calcul des courants optimaux et l'autre pour assurer leur génération à travers un onduleur de tension. Toutes les approches neuromimétiques ont été validées par des tests de simulation et des essais expérimentaux. Des comparaisons avec les méthodes de commande classique démontrent des caractéristiques supérieures en termes de performance et de robustesse. / This thesis proposes Artificial Neural Networks (ANN) approaches for the identification and the control of an Active Power Filter (APF) and a Permanent-Magnet Synchronous Motor (PMSM). A completed neural architecture was developed for an APF for harmonic currents compensation. The instantaneous phase and the symmetrical components of a three-phase voltage or current were estimated with a neural phase Jock loop. The harmonic terms were identified by Adaline neural networks that estimate the instantaneous powers within different reference frames. Several intelligent techniques, based on neural networks, fuzzy logic or their association, were developed to control the inverter used to inject the harmonic currents phase-opposite. An original neural approach was also carried out for reducing the torque ripple of a non-sinusoidal PMSM. It consists in a direct torque or in a speed control schemes that elaborate the optimal stator currents which exactly give a desired electromagnetic torque or speed and which minimize the ohmic losses. The control schemes integrate two neural networks, one to calculate the optimal currents and one to ensure their generation through an inverter. The neural network approaches were all evaluated by simulated and experimental tests. The results confirm their excellent characteristics in terms of both performance and robustness. Comparisons with conventional methods prove their superiority.

Cette thèse présente le dimensionnement d’une machine électrique à rotor disque pour la traction de véhicules hybrides. Un état de l’art complet sur les machines électriques à rotor disque permet de montrer que la machine à flux axial à rotor central est la plus adaptée. Différentes géométries du circuit magnétique sont successivement étudiées et comparées par simulations par éléments finis. Pour maximiser le rendement de la machine, les pertes d’origine électromagnétique sont étudiées. Un modèle analytique des pertes par effet de peau dans les conducteurs de cuivre est proposé et validé par éléments finis. Un second modèle analytique estime les pertes par courant induits dans les aimants permanents pour tous les points de travail de la machine se basant sur uniquement trois simulations par éléments finis permettant ainsi un gain de temps important lors du dimensionnement. Deux méthodes de dimensionnement sont comparées : le dimensionnement manuel par essais/erreurs et l’optimisation multi-objectifs. Cette dernière méthode automatise le dimensionnement et permet une optimisation plus pointue et une forte amélioration des performances. Dans ce cas, la densité de couple a par exemple été augmentée de 29%. La machine à flux axial dimensionnée est comparée avec une machine à flux radial pour véhicules hybrides. Cette comparaison révèle le potentiel de la machine à flux axial avec notamment une densité de couple augmentée de plus de 20%. Enfin, deux prototypes ont été construits et mesurés pour valider les simulations. / This PhD presents the design of a disc rotor electric machine for the traction of hybrid vehicles. A complete state of the art enables the selection of the internal rotor axial flux machine which is the most suited to this application. Different geometries of the magnetic circuit are successively studied and compared with finite elements simulations. To maximize the efficiency of the machine losses generated in the magnetic circuit are studied. An analytic model on the skin effect in the copper conductors is proposed and validated with finite elements simulations. A second analytic model estimates the eddy current losses in the permanent magnets for every operating point of the machine based on only three finite element simulations enabling an important time-saving. Two dimensioning methods are compared: the manual dimensioning based on a tries/errors method and the multi-objectives optimization. This last method automates the dimensioning and enables a more refined optimization and a strong improvement of the performances. For example, the torque density has been improved by 29% in that case. The designed axial flux machine is compared to a state of the art radial flux machine for hybrid vehicle. This comparison shows the potential of the axial flux machine with an improvement of the torque density by more than 20%. Finally two prototypes have been built and measured to validate the simulations.

Cette thèse est dédiée à la conception optimale de la machine synchrone à rotor bobiné modulaire sans balais pour les systèmes embarqués. Cette machine est basée sur une structure POKIPOKITM développée par Mitsubishi Electric Coopération avec les convertisseurs de puissance intégrée pour augmenter la capacité de tolérance aux défauts. L'analyse électromagnétique est utilisée pour étudier les différentes machines synchrones à rotor bobiné et donc, pour sélectionner la structure qui offre la meilleure tolérance aux défauts et les performances les plus élevées. D’abord, le choix des nombres de phases, d’encoches et de pôles est un point critique. Ensuite, quelques machines sont analysées et comparées selon les critères tels que la densité de couple, le rendement, l'ondulation de couple. La machine avec 7 phases, 7 encoches et 6 pôles est alors choisie. Cette machine est ensuite comparée à la machine synchrone à aimant permanent monté en surface. Le résultat démontre que la machine synchrone à rotor bobiné modulaire sans balais possède le potentiel de remplacer la machine synchrone à aimant permanent dans notre application parce qu’elle présente des performances similaires avec une capacité de tolérance aux défauts élevée. Dans un second temps, une fois la structure 7phases/7encoches/6pôles choisie, cette machine est optimisée en utilisant NOMAD (qui est un logiciel d'optimisation de boîte noire) afin de minimiser le volume externe sous les contraintes électromagnétiques, thermiques et mécaniques. Comme ce problème d'optimisation est extrêmement difficile à résoudre, quelques relaxations ont été effectuées pour tester les différents algorithmes d'optimisation : fmincon (de Matlab) et NOMAD. Nous remarquons que NOMAD est plus efficace que fmincon pour trouver des solutions à ce problème de conception où certaines contraintes sont calculées par des simulations numériques (ANSYS Maxwell ; code éléments finis). En utilisant la méthode NOMAD basée sur l’algorithme Mesh Adaptive Direct Search, nous obtenons des résultats optimaux qui satisfont toutes les contraintes proposées. Il est nécessaire de valider ce design optimisé en vérifiant toutes les contraintes par des simulations électromagnétiques et thermiques en 3D. Les résultats montrent que le couple moyen obtenu par la simulation en 3D est inférieur à la valeur souhaitée. Par conséquent, en augmentant la longueur de la machine, une nouvelle machine corrigée est ainsi obtenue. Nous observons que les pertes de fer obtenues en 3D sont plus élevées qu'en 2D en raison du flux de fuite dans la tête de bobinage. En prenant les valeurs des pertes analysées par la simulation en 3D, la température de surface de la nouvelle machine analysée par la méthode Computational Fluid Dynamics est plus élevée que celle calculée dans l’optimisation. Enfin, un prototype de machine est construit et quelques tests expérimentaux est réalisés. Le résultat montre que la force électromotrice à vide a une forme d'onde similaire par rapport à la prédiction numérique en 3D et la différence de couple statique maximum entre les tests expérimentaux et les simulations par éléments finis en 3D est faible. / This thesis is dedicated to the design and the optimization of modular brushless wound rotor synchronous machine for embedded systems. This machine is constructed based on POKIPOKITM structure with integrated drive electronics. Finite element analysis based optimization becomes more popular in the field of electrical machine design because analytical equations are not easily formalized for the machines which have complicate structures. Using electromagnetic analysis to comparatively study different modular brushless wound rotor synchronous machines and therefore, to select the structure which offers the best fault tolerant capability and the highest output performances. Firstly, the fundamental winding factor calculated by using the method based on voltage phasors is considered as a significant criterion in order to select the numbers of phases, stator slots and poles. After that, 2D finite element numerical simulations are carried out for a set of 15 machines to analyze their performances. The simulation results are then compared to find an appropriate machine according to torque density, torque ripple and machine efficiency. The 7phase/7-slot/6-pole machine is chosen and compared with a reference design surfacemounted permanent magnet synchronous machine in order to evaluate the interesting performance features of the wound rotor synchronous machine. In the second design stage, this machine is optimized by using derivative-free optimization. The objective is to minimize external volume under electromagnetic, thermal and mechanical constraints. Given that an accurate finite element analysis for machine performance takes a long time. Moreover, considering that the average torque can be obtained by simulating the model with only four rotor positions instead of one electric period, optimization strategy is proposed to reduce computational time and therefore, obtain a fast convergence ability by defining relaxed problems which enable minimizing the external volume of the machine under only several constraints such as average torque, torque ripple and copper losses. By testing relaxed problems, two different optimization methods (NOMAD and fmincon) are compared in order to select an appropriate method for our optimization problem. Using NOMAD method based on Mesh Adaptive Direct Search, we achieve optimal results which satisfy all of the constraints proposed. In the third design stage, all constraints are validated by 3D electromagnetic and thermal simulations using finite element and computational fluid dynamics methods. The 3D results show that the average torque obtained is lower than the desired value. By increasing the length of the machine, a new corrected machine is thus obtained. It can be observed that the iron losses obtained in 3D are higher than that in 2D due to the leakage flux in the end-winding. Then, the machine temperature is analyzed by using ANSYS Fluent. Note that the surface temperature is higher than that calculated in the optimization and the coil temperature is 8.48°C higher than the desired value (105°C). However, some dissipation by the shaft and the bearings of the machine are expected to reduce the machine temperature. Finally, a machine prototype is built and some experimental tests are carried out. The results show that the electromotive force has a similar waveform compared to 3D prediction and the difference of the measured and predicted maximum static torques is small.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement de matériaux composites nanostructurés à propriétés électriques et magnétiques inédites. Afin de répondre à des besoins technologiques pour, l'électronique de puissance intégrée : le stockage ou la transmission de l'énergie, les télécommunications (antenne intégrée...), le stockage de l'information par enregistrement magnétique et le marquage biologique, le composite doit présenter globalement une polarisation magnétique élevée ainsi qu'un comportement isolant permettant de pousser les limites fréquentielles, minimiser les pertes dynamiques et découpler les grains entre eux. Les matériaux composites élaborés sont constitués d'une matrice d'accueil - magnétique (ferrite spinelle) ou non-magnétique (diélectrique = silice) - dans laquelle sont dispersées des particules métalliques (Fer-Nickel ou Cobalt). Ces matériaux sont novateurs dans la mesure où le matériau final peut bénéficier d'un couplage des propriétés magnétiques des deux phases constitutives. L'holographie électronique en transmission a mis en évidence une ocnfiguration de spins de type « vortex » dans les nanoparticules de Fe30Ni70. Les mesures holographiques ont été comparées au profil de l'aimantation, dans un vortex, modélisé par une approche micromagnétique. Des analyses physico-chimiques approfondies nous ont permis de confirmer les topologies visées : pour le composite métal-diélectrique, l'épaisseur de la couche d'enrobage a pu être contrôlée à l'échelle nanonométrique. Pour le composite métal-oxyde obtenu par croissance directe du ferrite sur la phase métallique, on a démontré une bonne dispersion des particules métalliques. Les propriétés magnétiques et structurales des différents composites, en poudre ou compactés par SPS (compactage-frittage flash), ont été caractérisées et discutées. Les propriétés fonctionnelles ont été aussi étudiées et sont très prometteuses pour les applications visées. L'enrobage des nanoparticules par la silice a permis la préparation de leur surface dans la perspective d'une fonctionnalisation par des entités biologiques.

Les préoccupations actuelles sur le réchauffement climatique et la déplétion des ressources fossiles exigent une mutation basée sur le développement durable. Ainsi, afin de garder nos acquis en termes de mobilité, il est extrêmement important de trouver des solutions de propulsion propres et efficaces. C'est pourquoi, la conception optimale systémique des chaînes de traction électrique est un enjeu majeur.<br /><br />La thèse présente une méthodologie rationnelle pour la conception optimale systémique appliquée à la conception des chaînes de traction électrique. La méthodologie est générale et se base sur l'optimisation sous contraintes. Elle intègre l'utilisation de différents niveaux de granularité au sein du modèle de conception. Une interface a été développée afin d'appliquer aisément cette méthodologie à des cas pratiques variés. Deux objectifs ont été traités, le premier concerne la définition des cahiers des charges des composants, le deuxième concerne la conception détaillée d'un composant de la chaîne de traction en prenant en compte l'ensemble du système. Ces applications mettent en évidence les avantages de la méthodologie proposée et l'importance de l'approche systémique.