Práce se zabývá konstrukcí a využitím tepelných sítí k simulaci oteplení elektrických motorů velkých výkonú. Po úvodu do termiky a teorie proudění je popsána konstrukce tří různých typů sítí pro odlišné ventilační schémata motoru. Dále jsou popsány optimalizační metody a jejich možnosti k tepelné optimalizaci motorů. Je vybrána a vysvělena Marquard-Levenbergova metoda a na konkrétním případě je vysvětleno její použití a výhody pro optimalizaci chlazení elektrického motoru. V závěru se práce zabývá také citlivostí teplotních sití na jednotlivé vstupní parametry, porovnáním simulací s měřenými výsledky a také vlivem teplotních závislosti jenotlivých prvků sítě.

Gearboxes are always subject of study in order to increase their efficiency. Energy losses in gear contacts are transformed into heat which is distributed among the gearbox components increasing their temperature. A thermal model of the gearbox brings the opportunity of a deeper understanding of the heat dissipated related to the power losses in the gear contact. A MATLAB program based on ordinary differential equations was developed in order to make a thermal model of an FZG test gearbox. The model is based on a thermal network where each node represents a machine element. The thermal network is composed by thermal resistances due to deformation in the gear contact, conduction, convection and radiation. With thermal resistances, power losses and thermal inertia of each element, the temperature evolution was obtained by applying the First Principle of Thermodynamics. Due to the temperature evolution, heat transfer between different elements was estimated. Additionally, experimental results from an FZG test rig were implemented in the model and also used to verify its accuracy. Furthermore, additional features to the model such as a cooling system and spray lubrication were also studied. Results show a wide capability and handling of the program in terms of thermal analysis: heat flux direction and magnitude, visual tools such as thermal network of the test gearbox, as well as the analysis of different operating conditions. With these tools, an approach to the minimum amount of lubricant necessary and other ways to quench overheating could then be reached. Keywords: Thermal network, FZG gear test rig, heat flow, temperature, MATLAB, ODE. / Växellådor är ständigt ett forskningsområde för att förbättra deras verkningsgrad. Energiförluster i kuggkontakter omvandlas till värme som sprids i växellådan som sedan värmer upp komponenterna. En termisk modell av växellådan gör det möjligt för djupare förståelse hur värmen sprids i förhållande till energiförlusterna i kuggkontakten. Ett MATLAB-program baserat på ordinära differential-ekvationer utvecklades för att göra en termisk modell av en växellåda i en kuggrigg från FZG. Modellen är baserad på ett termiskt nätverk där varje nod representerar en maskinkomponent. Det termiska nätverket består av resistanser som uppstår på grund av deformation i kuggkontakten, ledning, konvektion och strålning. Med termiska resistanser, energiförluster, termisk tröghet från komponenterna och genom att applicera termodynamikens första grundsats kunde temperatur-genereringen bestämmas. Från temperatur-genereringen kunde värme-ledningen mellan komponenter uppskattas. Testresultat från en FZG-kuggrigg användes för att verifiera modellens noggrannhet. Andra egenskaper till modellen, som ett annat kylsystem och spraysmörjning studerades för att undersöka möjligheteten att adderas till modellen. Resultat visar på en bred användning av modellen i avseende på termisk analys: värmeflödets storlek och riktning, ett visuellt redskap för växellådans temperatur och hur växellådans temperatur varierar under olika driftförhållanden. Med de här redskapen kan den minsta oljemängden som behövs för att smörja kuggkontakten undersökas och hur kylning av kugghjulen kan förbättras. Nyckelord: Termiskt nätverk, FZG kugghjuls-rigg, värmeflöde, temperatur, MATLAB, ODE

Explosionsgeschützte Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen, häufig auch als explosionsgeschützte Energieverteiler bezeichnet, werden eingesetzt, um in explosionsfähigen Atmosphären elektrische Energie sicher zu übertragen und zu verteilen. Um einen über Jahrzehnte sicheren Betrieb zu gewährleisten sind die Energieverteiler mindestens derart thermisch zu dimensionieren, dass normativ festgelegte Grenztemperaturen nicht überschritten werden. Explosionsgeschützte Energieverteiler unterscheiden sich von konventionellen Schaltgerätekombinationen. Wegen des Explosionsschutzes sind verschiedene Schalt- und Schutzgeräte zusätzlich in druckfeste Kapselungen eingebaut. Die Reihenmontage druckfest gekapselter Geräte erfolgt mit Abstand. Das Verdrahten der Geräte und Betriebsmittel erfolgt vielfach mit Leitungen mit wärmebeständiger Isolierung. Die Leitungen sind häufig in Bündeln gelegt. Die Verteilergehäuse besitzen keine Lüftungsöffnungen. Für den Explosionsschutz sind zusätzlich alle höchsten Oberflächentemperaturen maßgeblich, die mit zündfähiger Atmosphäre in Kontakt kommen können (Hotspots). Die Hotspot-Temperaturen dürfen normativ festgelegte Grenztemperaturen nicht überschreiten. Die Wärmenetzmethode ist ein etabliertes Verfahren, um die Erwärmung konventioneller Schaltgeräte und Schaltgerätekombinationen effizient zu berechnen. Die Erwärmung explosionsgeschützter Energieverteiler einschließlich der Hotspots konnte bisher nicht mit der Wärmenetzmethode berechnet werden. In dieser Arbeit werden die dominanten Wärmequellen und Wärmeübertragungsvorgänge anhand eines typischen explosionsgeschützten Energieverteilers experimentell sowie mit Hilfe numerischer Methoden (Finite-Elemente-Methode, Finite-Volumen-Methode) untersucht. Auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse werden Berechnungsmodelle für die Erwärmung von Leitungsbündeln und für die Geschwindigkeit umlaufender Kühlmittelströme erarbeitet und in die Wärmenetzmethode implementiert. Um die Hotspot-Temperaturen auf druckfesten Kapselungen zu berechnen sind erstmals fein aufgelöste Wärmenetze erforderlich. Es wird ein Verfahren zum strukturierten Aufbau fein aufgelöster Wärmenetze erarbeitet. Ein einfacher Ansatz zum Berechnen der Erwärmung ebener Kontakte wird in dieser Arbeit auf gewölbte Schaltkontakte erweitert, indem die erforderliche scheinbare Kontaktfläche zwischen den Kontaktgliedern erstmals aus Messungen mit Druckmessfolien bestimmt wird. Für die Betriebsmittel des explosionsgeschützten Energieverteilers werden die Wärmenetze aufgebaut, parametriert und experimentell verifiziert. Das Gesamtwärmenetz der Musteranlage wird durch das Zusammenschalten der Wärmenetze der Betriebsmittel aufgebaut und experimentell verifiziert. Die mit dem verifizierten Gesamtwärmenetz berechneten Temperaturen werden mit gemessenen Temperaturen bei 100 % Bemessungsstrom verglichen. Die Berechnung zeigt eine hohe Übereinstimmung mit den gemessenen Temperaturen. Die höchsten noch verbleibenden Abweichungen zur gemessenen Übertemperatur betragen ΔΘ = +6,3 K und ΔΘ = -6,2 K. Die berechneten Orte der Heißpunkte stimmen mit der Messung überein. Die berechneten Heißpunkttemperaturen unterscheiden sich um maximal +3 K von den gemessenen Heißpunkttemperaturen. Das verifizierte Gesamtwärmenetz berechnet alle für die Erwärmungsnachweise erforderlichen Temperaturen unter den geforderten Normbedingungen. Bei der normativ geforderten Belastung von 110 % des Bemessungsstroms werden die für den Explosionsschutz maßgeblichen Heißpunkte seitlich auf den druckfesten Kapselungen zweier Schutzschalter berechnet und betragen ϑFZ2 Ob max = 101,6 °C sowie ϑFZ8 Ob max = 101,8 °C. Sowohl für die Erwärmungsnachweise als für das thermische Dimensionieren können mit dem Wärmenetz außerdem Temperaturen an Stellen berechnet werden, die experimentell nur schwer gemessen werden können (z. B. im Bündelzentrum oder im Inneren der druckfesten Kapselungen). Mit dem verifizierten Gesamtwärmenetz werden Fragestellungen zur thermischen Dimensionierung des explosionsgeschützten Energieverteilers rechnerisch beantwortet. So lässt sich u. a. ermitteln, dass der zulässige Bemessungsbelastungsfaktor abhängig von der äußeren Oberflächenbeschaffung des Verteilergehäuses zwischen RDF = 0,55 (innen lackiert, außen hochglanzpoliert) und RDF = 0,78 (innen lackiert, außen lackiert) variiert. Das verifizierte Gesamtwärmenetz ist daher ein geeignetes Werkzeug, um die thermische Dimensionierung zielgerichtet und effizient mittels Erwärmungsberechnung zu unterstützen.:1 Einleitung 1 2 Erkenntnisstand zur Erwärmung von Niederspannungs-Energieverteilern 3 2.1 Wärmequellen 3 2.2 Wärmeübertragung 9 2.3 Erwärmungsberechnung mit der Wärmenetzmethode 19 2.4 Messen von Oberflächentemperaturen 23 2.5 Grenztemperaturen – Rechtliche und normative Vorgaben 25 3 Musteranlage 34 3.1 Aufbau 34 3.2 Hauptwärmequellen 38 4 Präzisieren der Aufgabenstellung 42 5 Untersuchungen zur Temperaturmessung auf druckfesten Kapselungen 45 5.1 Problemstellung 45 5.2 Analyse der Wärmeströme 46 5.3 Untersuchte Montagekonstruktionen 48 5.4 Versuchsaufbau und -durchführung 49 5.5 Ergebnisse 52 5.6 Angepasste Montagetechnik für druckfeste Kapselungen 55 6 Untersuchungen zur Erwärmung der Betriebsmittel 57 6.1 Explosionsgeschützter Fehlerstrom-Schutzschalter mit Überstromauslöser 57 6.2 Explosionsgeschützter Last- und Motorschalter 74 7 Untersuchungen zur gegenseitigen thermischen Beeinflussung der Betriebsmittel 93 7.1 Erwärmung der Leitungsbündel 93 7.2 Zirkulierender Kühlmittelstrom 111 8 Modellbildung 120 8.1 Strukturierter Aufbau – Verfahren 120 8.2 Wärmenetzmodelle 121 9 Verifikation des Wärmenetzmodells der Musteranlage 133 9.1 Versuchsaufbau 133 9.2 Parameterabgleich 138 9.3 Vergleich der Temperaturen 140 10 Anwendung 150 10.1 Erwärmungsnachweise durch Berechnung 150 10.2 Thermische Dimensionierung durch Berechnung 160 11 Zusammenfassung 166 12 Ausblick 170 / Explosion-proof low-voltage switchgear and controlgear assemblies transmit and distribute electrical energy in potentially explosive atmospheres. To ensure safe operation over decades, the assemblies must be thermally dimensioned at least in such a way that normatively defined limit temperatures are not exceeded. Explosion-proof switchgear and controlgear assemblies vary from conventional switchgear assemblies. Because of the explosion protection, electrical devices are installed in flameproof enclosures. The row installation of flameproof enclosed devices is carried out with spacing between each device. The wiring of the devices is often done with cables with heat-resistant insulation. These cables are mainly laid in bundles. The explosion-proof switchgear and controlgear assemblies do not have ventilation openings for additional cooling. For explosion protection, all the highest surface temperatures (hot spots) that could come into contact with ignitable atmosphere are also relevant. The hotspot temperatures must not exceed normatively defined limit temperatures. The Thermal Network Method is an established approach for efficiently calculating the temperature-rise of conventional switchgear and controlgear assemblies. So far, the temperature-rise of explosion-proof switchgear and controlgear assemblies including hot spots could not be calculated with the Thermal Network Method. In this work, the dominant heat sources and heat transfer processes are investigated for of a typical explosion-proof switchgear assembly. Investigation is carried out experimentally as well as by means of numerical methods (Finite Element Method, Finite Volume Method). Based on the results of the investigation, calculation models for the heating of cable bundles and for the velocity of circulating coolant flows are developed and implemented in the Thermal Network Method. In order to calculate hot spot temperatures on flameproof enclosures, finely resolved thermal networks are required for the first time. A method for the design of finely resolved thermal networks is developed. A simple approach for the calculation of the heating of planar contacts is extended in this work to convex switching contacts by determining the apparent contact area from measurements with pressure sensing sheets. Thermal networks for the electrical equipment are set up, parameterized and verified experimentally. The overall thermal network is set-up by interconnecting thermal networks of the operating equipment and verified experimentally. The temperatures calculated with the verified overall thermal network were compared with measured temperatures at 100 % rated current. The temperatures deviate slightly. The highest remaining deviations are ΔΘ = +6.3 K and ΔΘ = -6.2 K. The calculated locations of the hot spots agree with measurement. The calculated hot spot temperatures differ from measured hot spot temperatures slightly by a maximum of +3 K. At the normatively required load of 110 % of the rated current, the hot spots are calculated laterally on the flameproof enclosures of two circuit breakers (ϑFZ2 Ob max = 101.6 °C, ϑFZ8 Ob max = 101.8 °C). The verified overall thermal network calculates all temperatures required for temperature-rise tests of the investigated explosion-proof switchgear assembly. Furthermore, the thermal network can be used to calculate temperatures at locations that are difficult to measure (e.g., at the center of cable bundles or inside the flameproof enclosures). With the verified overall thermal network, questions concerning the thermal dimensioning of the explosion-proof switchgear assembly can be answered computationally. Among other things, it can be determined that the permissible rated diversity factor varies between RDF = 0.55 (internally painted, externally highly polished) and RDF = 0.78 (internally painted, externally painted) depending on the external surface finish of the distributor enclosure. The verified overall thermal network is a suitable tool for supporting thermal dimensioning computationally in a targeted and efficient manner.:1 Einleitung 1 2 Erkenntnisstand zur Erwärmung von Niederspannungs-Energieverteilern 3 2.1 Wärmequellen 3 2.2 Wärmeübertragung 9 2.3 Erwärmungsberechnung mit der Wärmenetzmethode 19 2.4 Messen von Oberflächentemperaturen 23 2.5 Grenztemperaturen – Rechtliche und normative Vorgaben 25 3 Musteranlage 34 3.1 Aufbau 34 3.2 Hauptwärmequellen 38 4 Präzisieren der Aufgabenstellung 42 5 Untersuchungen zur Temperaturmessung auf druckfesten Kapselungen 45 5.1 Problemstellung 45 5.2 Analyse der Wärmeströme 46 5.3 Untersuchte Montagekonstruktionen 48 5.4 Versuchsaufbau und -durchführung 49 5.5 Ergebnisse 52 5.6 Angepasste Montagetechnik für druckfeste Kapselungen 55 6 Untersuchungen zur Erwärmung der Betriebsmittel 57 6.1 Explosionsgeschützter Fehlerstrom-Schutzschalter mit Überstromauslöser 57 6.2 Explosionsgeschützter Last- und Motorschalter 74 7 Untersuchungen zur gegenseitigen thermischen Beeinflussung der Betriebsmittel 93 7.1 Erwärmung der Leitungsbündel 93 7.2 Zirkulierender Kühlmittelstrom 111 8 Modellbildung 120 8.1 Strukturierter Aufbau – Verfahren 120 8.2 Wärmenetzmodelle 121 9 Verifikation des Wärmenetzmodells der Musteranlage 133 9.1 Versuchsaufbau 133 9.2 Parameterabgleich 138 9.3 Vergleich der Temperaturen 140 10 Anwendung 150 10.1 Erwärmungsnachweise durch Berechnung 150 10.2 Thermische Dimensionierung durch Berechnung 160 11 Zusammenfassung 166 12 Ausblick 170

The first part of this thesis deals with the study of linear motors. The introduction of the thesis deals with the brief description of the linear motor, including its accessories. This part explains principle of linear motors, their general advantages and disadvantages. The next section contains an overview and division of the currently used linear motors. The second part deals with the theoretical description of forms of heat transfer. The third part of the thesis deals with the design of an equivalent thermal circuit model of a linear iron-core linear motor with permanent magnet. Hereafter, the proposed design will be used to calculate the temperatures of the individual motor units. The temperatures are later compared with the results obtained with finite element method.

<div>The evolution of existing building construction is envisioned as modular construction. Instead of on-site construction, buildings can be assembled on-site using prefabricated modular elements. These modular elements could integrate intelligent building technologies to enable autonomous, occupant responsive, scalable, cost-effective, and sustainable features. On-site assembly of modular construction elements would offer better quality control, decrease material waste and resources, with more predictable schedules. These building elements would allow more cost-effective integration of new intelligent sensors, adaptive interfaces, renewable energy and energy recovery technologies, comfort delivery, and resiliency technologies, making high-performance buildings more affordable. To explore and evaluate these modular and intelligent comfort delivery concepts and advanced approaches for interaction with occupants, a new Human-Building Interactions Laboratory (HBIL) has been designed and is under development. The facility has a modular construction layout with thermally active panels, and the interior surface temperature of each panel can be individually controlled using a hydronic system. Such configuration allows us to emulate different climate zones and building type conditions and perform studies such as the effect of different kinds of active building surfaces on thermal comfort, localized comfort delivery, and occupant comfort control. Moreover, each panel is reconfigurable to investigate different interior surface treatments for thermal, visual, and acoustic comfort conditions. <br></div><div>In this MS thesis work, the overall design approach of the facility is presented. Development, experimental investigation of thermal performance, and aligned design modifications of a prototype thermo-active wall panel are explained in detail. Detailed development of a 1-D transient numerical model for the prototype wall panel and its tuning and validation are also presented. Furthermore, the design and installation plan of the hydronic system for the HBIL facility are also presented with an initial commissioning plan.</div>

Optimizing and controlling the heating systems in buildings is one way to decrease their load on the power grid, as well as introduce load flexibility to be used in Demand Response (DR) applications. A requirement in occupied buildings is that the thermal comfort of the residents is guaranteed, making the optimization of heating systems a constrained problem with respect to indoor temperature. Thermal models capable of predicting indoor temperatures over short (24 hour) horizons are one way to guarantee this comfort. The accuracy and computational complexity of these models have the most significant impact on controller performance. The data requirements and the expert knowledge required for model implementation are also important factors, since they determine the development costs and, finally, whether a model is feasible to implement. First a literature study explores current modeling approaches that depend only on time-series sensor data and that are suited for control applications. A modeling type found to be fit for such purposes are grey-box models, specifically physically inspired inverse models whose parameters are estimated based on data, such as Resistance- Capacitance (RC) models. This modeling of a dynamical system approach uses prior information in the form of the assumed physical equations and has the potential to increase the performance on sparse data problems. The simple form of the model also has a low level of complexity, making it well suited for control applications. However, expert knowledge can be needed for choosing the model equations as well as initializing the parameters. Then the effects of varying RC model complexity, parameter initialization, and training data are investigated in the case study. The chosen models are 1R1C, 2R2C, and 3R2C. They are fitted using the Nelder-Mead algorithm and validated using the data collected from the RISE Research Villa. Parameter initializations are varied by two orders of magnitude and then fitted on different data sequences to avoid relying on expert knowledge in model creation. The initializations that converged with the best R2 training fit on all sequences were deemed reasonable initializations for the problem and used in the training length comparison. The training length of the models varies from 24 to 384 hours. The results showed that increased training data length correlates positively with performance up to 192 hours for all models, but further increasing it gave inconclusive results. The higher order models evaluated struggled to beat the simplest model or even the constant prediction baseline in Mean Absolute Error (MAE) performance at all training lengths, indicating either that the models selected are unsuitable or that the data features chosen are unrepresentative of the indoor temperature dynamics. Regardless, the MAE errors presented here are comparable to the outcomes of related works. This is possibly an artifact of this dataset having a low variance in temperature and thus resulting in lower errors, which underlines the importance of the data used in case-studies. / Att optimera och styra värmesystemen i byggnader är ett sätt att minska belastningen på elnätet och införa flexibilitet i belastningen som kan användas i tillämpningar för efterfrågeflexibilitet (Demand Response, DR). Ett krav i bebodda byggnader är att de boendes termiska komfort garanteras, vilket gör optimeringen av värmesystemen till ett begränsat problem med avseende på inomhustemperaturen. Termiska modeller som kan förutsäga inomhustemperaturer på kort sikt (24 timmar) är ett sätt att garantera denna komfort. Dessa modellers noggrannhet och beräkningskomplexitet har störst inverkan på styrningens prestanda. Datakraven och den expertkunskap som krävs för att genomföra modellen är också viktiga faktorer, eftersom de avgör utvecklingskostnaderna och slutligen om en modell är möjlig att implementera. Först görs en litteraturstudie av nuvarande modelleringsmetoder som endast är beroende av tidsserier av sensordata och som lämpar sig för reglertillämpningar. En modelleringstyp som visat sig vara lämplig för sådana ändamål är grey-box-modeller, särskilt fysikaliskt inspirerade inversa modeller vars parametrar estimeras på basis av data, t.ex. RC-modeller (Resistance-Capacitance). Denna modell av ett dynamiskt system modellering använder förhandsinformation i form av de antagna fysiska ekvationerna och har potential att öka prestandan vid problem med begränsad data. Modellens enkla form har också en låg komplexitetsnivå, vilket gör den väl lämpad för kontrolltillämpningar. Expertkunskap kan dock behövas för att välja modellekvationer och initiera parametrarna. Därefter undersöks effekterna av att variera RC-modellens komplexitet, parameterinitialisering och träningsdata i fallstudien. De valda modellerna är 1R1C, 2R2C och 3R2C. De tränas med hjälp av Nelder-Mead-algoritmen och valideras med hjälp av data som samlats in från RISE Research Villa. Initialiseringarna av parametrarna varieras med två storleksordningar och anpassas sedan på olika dataserier för att undvika att förlita sig på expertkunskap vid skapandet av modellerna. De initialiseringar som konvergerade med den bästa träningsanpassningen R2 på alla sekvenser ansågs vara rimliga initialiseringar för problemet och användes i jämförelsen av träningslängden. Modellernas träningslängd varierar mellan 24 och 384 timmar. Resultaten visade att en ökad längd på träningsdata korrelerar positivt med prestanda upp till 192 timmar för alla modeller, men att ytterligare ökning inte ger några entydiga resultat. De utvärderade modellerna av högre ordning hade svårt att överträffa den enklaste modellen eller till och med referensmodellen med konstant prediktion i fråga om genomsnittligt absolut fel (MAE) vid alla träningslängder, vilket tyder antingen på att de valda modellerna är olämpliga eller att de valda datafunktionerna inte är representativa för inomhustemperaturens dynamik. Oavsett detta är de MAE-fel som presenteras här jämförbara med resultaten från relaterade studier. Detta är möjligen en artefakt av att detta dataset har en låg varians i temperaturen och därmed resulterar i lägre fel, vilket understryker vikten av de data som används i fallstudier.

A significant challenge with permanent magnet synchronous motors (PMSMs) is thermal management. Thermal stress can lead to irreversible damage to components, and to enable efficient cooling, a thermal model is needed. In this thesis paper, methods for estimating the hot spot temperature of the windings in PMSMs used in heavy-duty EVs are investigated. The methods include black-box models and lumped parameter thermal network-based models. The results reveal that the implemented models are not sufficient for achieving the desired accuracy, and indicate that more parts of the windings need to be considered.

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Implanter une machine électrique dans un véhicule hybride pose avant tout des problèmes d’encombrement. Sous-dimensionner la machine semble légitime compte tenu de l’usage qui en est fait sur véhicule. Par contre, cela suppose que les aspects thermiques soient pris en compte non seulement lors de l’utilisation, mais aussi lors de la conception de la machine. Le phénomène majeur limitant la densité de puissance massique des machines électriques est l’échauffement interne des bobines et des aimants. La modélisation thermique de la machine est complexe compte tenu de la diversité des sources de chaleur et de la coexistence de différents modes de transferts thermiques : conduction dans la matière, convection avec l’eau de refroidissement, conduction, convection et rayonnement dans l’entrefer. En termes de géométrie, si une première approche peut être réalisée en ne considérant que des flux de chaleur radiaux, la composante axiale doit nécessairement être prise en compte dès lors qu’on veut tenir compte aussi des extrémités de machine, et notamment de la chaleur produite par les roulements et les têtes de bobines. Ainsi pour pouvoir analyser pertinemment les transferts thermiques dans la machine, des méthodes numériques de type CFD ont été utilisées pour caractériser le transfert thermique par convection. La caractérisation des échanges thermiques par convection naturelle et forcée a été réalisée à l’intérieur d’une machine synchrone à aimants permanents internes (MAPI). Des relations empiriques ont été proposées afin de prendre en compte le couplage entre la thermique et l’aérodynamique dans les cavités des machines électriques totalement fermées. Afin de valider la pertinence des modèles numériques dans le cadre de ce travail, des mesures thermiques à l’aide des moyens d’essais de l’UTC ont été réalisées. Les résultats de cette étude sont utilisés pour construire des circuits thermiques équivalents qui prennent en compte les phénomènes thermiques complexes dans les machines électriques fermées utilisées dans les véhicules hybrides et électriques. Ces recommandations de conception permettront l’optimisation de l’effort investi pour le refroidissement de la machine électrique dans ses différentes phases de fonctionnement. / The integration of an electrical machine into modern hybrid vehicles is associated with new technical constraints such as the integrability into small volume without losing certainly in performance. Therefore, the development of compacter electrical machines is a well-founded argument for car manufacturers as well as electrical machine designers. On the other hand, this finding assumes that the thermal aspects are undertaken not only during the operation of the electrical machine, but also during the design process. The internal heat generated in different areas impacts strongly the power density and the magnet health which deeply reduce the electrical machine reliability. Heat transfer modeling inside electrical machines is a tricky task because of the strong coupling between the different physics governing their operations. Indeed, the generated losses spread inside the electrical machine through three heat transfer modes which are: conduction (heat diffusion), convection(heat transport) and radiation (heat scattering). In terms of geometry, if a first approach can be carried out by considering only radial heat fluxes, the axially-transferred heat must be undertaken when it is also necessary to consider end caps effects, and particularly the heat released by the bearings. In order to carry out relevantly the thermal analysis of a permanent magnets synchronous machine, CFD based methods are used to characterize the convective heat transfer inside this machine over a large operating range. Both natural and forced convection are analyzed and the corresponding heat transfer coefficients are numerically-estimated. Empirical equations are proposed in order to take into account the coupling between thermal and fluid dynamics inside the cavities of the studied totally-enclosed machine. These correlations are integrated then into a detailed and reduced thermal network. Experimental tests are carried out using a test bench in order to measure temperature distribution in different areas of the electrical machine. Afterward, a comparison between estimated and measured temperatures shows that the results of the numerically-enhanced thermal network are in a good agreement with measurements. Thus, the proposed recommendations based on CFD modeling allow the convective heat transfer to be characterize quickly and precisely. These correlations are useful for upcoming studies dealing with convection inside automotive electrical machines as well as high speed electrical machines.

Les machines électriques jouent un rôle très important dans la conversion d'énergie dans plusieurs applications et domaines. Les contraintes thermiques jouent ainsi un rôle indispensable dans la conception des machines électriques de plus en plus petites et performantes. En effet, la performance des machines électriques est limitée par les températures maximales admissibles dans certaines zones critiques telles que le bobinage, les aimants permanents et les roulements. Deux approches principales peuvent être utilisées pour étudier le comportement thermique de la machine: la méthode nodale ou le circuit à constantes localisées ou les modèles numériques. Dans notre étude, nous proposons d'appliquer la méthode nodale sur une machine électrique intégrée dans un environnement mécatronique complexe. Le modèle thermique développé de la machine est ainsi présenté avec ses différents éléments. En effet, un modèle précis dépend fortement de plusieurs paramètres thermiques tels que les coefficients d'échange convectif, les conductances de contact, les conductivités équivalentes du bobinage, et autres paramètres. En conséquence, des techniques d'analyse de sensibilité sont ensuite appliquées sur le modèle thermique pour identifier les paramètres d'influence significative sur les températures de la machine ainsi que pour la réduction de ce modèle. Ensuite, nous appliquons deux méthodologies d'identification des paramètres thermiques incertains sont développées et appliquées afin de recaler le modèle thermique de la machine. Cette étape permet la validation de ce modèle par rapport à des mesures thermiques sur une machine synchrone à aimants permanents internes installée sur un banc de caractérisation de machine électriques. Finalement, nous intégrons le modèle recalé dans une approche système mécatronique comportant les lois de commande de la machine ainsi que son convertisseur. Ceci permettra ainsi d'étudier l'influence de la température d'une machine électrique sur le système mécatronique complet. / Electric machines play an important role in power conversion in several applications and fields. With the increasing demand for designing lighter and more efficient machines and optimizing the existing structures, thermal analysis becomes a necessary; in fact, the performance of electric machines islimited by the allowable temperatures in many critical components like windings, permanent magnetsand bearings. Two main approaches can be employed in order to study the machine thermal behavior : the lumped parameter thermal network (LPTN) or numerical models. Considering low-computationtime-consuming and the possibility to be integrated in a mechatronics system design, the LPTN method is considered in our study. The latter is mainly applied on electric machine integrated in a complex mechatronics environment. The thermal network is presented along with the definition of the principal elements constituting this network. In fact, an accurate and reliable network strongly depends on many critical parameters like heat transfer coefficients, interface gaps, impregnation goodness, among others. For this reason, different sensitivity analysis techniques are carried out in order to, first, identify the significance of uncertainties in the evaluation of these parameters on machine temperatures and second, to reduce the thermal network. Next, we propose two optimization algorithm-based identification methodologies in order to calibrate results of the thermal network with measured temperatures obtained from a test-bench of a permanent magnet based integrated starter-generator machine. The calibrated model is then integrated in a mechatronics system consisting of an electric model of the electric machine, along with its control strategy and the power converter. This final study allows us to evaluate the impact of the machine temperature rise on the mechatronic system.