Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Ce mémoire porte sur le développement d’une modélisation thermique avec des modèles analytiques, pour la conception de machines électriques. Il concerne plus particulièrement les structures de machines cylindriques à aimants permanents. Nous discutons ensuite du modèle thermique complet de type circuit thermique qui a été réalisé et confronté à des résultats expérimentaux. Ce modèle a une très bonne précision et il nous a permis d’étudier l’effet de différentes variations topologiques sur le comportement thermique ainsi que différentes stratégies de refroidissement. Ce modèle peut facilement être intégré dans un processus d’optimisation. En nous basant sur les mêmes principes, nous avons proposé un nouveau modèle à résistances thermiques combinées pour modéliser les échanges thermiques entre les conducteurs dans les encoches. Ce modèle permet d’apprécier le caractère aléatoire de la disposition des conducteurs dans la bobine et peut être jumelé à un modèle plus global. / This thesis focuses on the development of a thermal modeling with analytical models for the design of electrical machines. It concerns more particularly cylindrical machine with permanent magnets. The methods used to determine the critical parameters of thermal modeling are presented first. We then present the complete thermal model that has been developed and confronted with experimental results. This model has very good accuracy and has allowed us to study the effect of different topological variations on the thermal behavior. It was also possible to analyze and compare different cooling strategies. This model can easily be integrated into an optimization process to determine the maximum permissible losses of a given configuration, or to define the cooling method to use. Based on the same principles, we proposed a new model to simulate the thermal exchanges between the conductors in the slots. This model allows us to appreciate the randomness of the arrangement of the conductors in the coil. It can be paired with a more comprehensive model of the machine in order to refine the resolution of the latter and ensure a more accurate analysis of the thermal behavior of the coils.

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.

Les valvulopathies cardiaques sont des maladies cardiaques fréquentes. Certaines se traduisent par un manque de coaptation des valves, on désigne ce type de pathologie sous le terme d’insuffisance. Le traitement standard de ces valvulopathies consiste à remplacer les valves malades par des valves prothétiques. L'absence de substitut valvulaire idéal et les inconvénients inhérents au matériel prothétique et à la nécessité d’un traitement anticoagulant, incitent à favoriser, chaque fois que cela est possible, les techniques de chirurgie conservatrice des valves. Actuellement, la réparation de la valve aortique demeure un défi chirurgical. En revanche en ce qui concerne la valve mitrale une réparation est plus souvent réalisable. Cependant, la faisabilité et le résultat final, dépends du mécanisme de la fuite, de l’extension des lésions ainsi que de la technique de réparation chirurgicale utilisée. C’est pour tenter de surmonter tous ces obstacles qu’est né le projet d’étude des forces magnétiques d’aimants permanents comme traitement complémentaire à une plastie ou comme traitement exclusif, pour rétablir une coaptation valvulaire efficace. Pour concrétiser cette idée, nous avons réalisé notre recherche en trois étapes essentielles : 1- La conception d’un système magnétique d’aide à la coaptation. 2- Une étude de faisabilité portant sur la vérification du fonctionnement des aimants in vitro et in vivo. 3- La vérification de l’efficacité de la force magnétique pour atteindre la coaptation nécessaire pour corriger l’insuffisance valvulaire. Cette recherche a été réalisée en étroite collaboration entre le service de Chirurgie Thoracique et Cardio-vasculaire du groupe hospitalier Pitié-Salpêtrière à Paris et le groupe de recherche électrodynamique - GREM3 - du Laboratoire LAPLACE à Toulouse. Les aimants ont été fabriqués en tenant compte des facteurs suivants : la biocompatibilité, la conservation de l'aimantation en milieu sanguin, la flexibilité mécanique des éléments implantés, et la nécessité de stérilisation. L'une des préoccupations principales était d’obtenir une force magnétique adaptée pour fermer la valve et permettre son ouverture en fonction du cycle cardiaque. Dans un deuxième temps, sur la base des concepts précédemment décrits, et après réalisation des tests in vitro, une étude expérimentale a été réalisée in vivo en vue de démontrer la faisabilité du projet. Cette phase d’expérimentation animale a consisté en l’implantation d’aimants permanents sur la valve aortique chez sept moutons gardés en vie pendant 3 mois. Les résultats ont été satisfaisants : aucun prolapsus iatrogène, parfaite bio-tolérance des aimants implantés sans nécessité de traitement anticoagulant, absence de réaction inflammatoire visible à l’autopsie après sacrifice des moutons au troisième mois postopératoire. En dernier lieu, afin d’étudier la valeur de la force magnétique nécessaire pour atteindre la coaptation souhaitée dans l’insuffisance valvulaire, trois modèles d’aimants ont été implantés chez quatre moutons. Malheureusement les résultats n’ont pas été entièrement satisfaisants. Actuellement, forts des enseignements tirés de ces expériences, nous tentons d’améliorer le problème de fabrication des aimants ; de nouveaux aimants sont en cours de réalisation. A notre connaissance, l’utilisation de la force magnétique pour corriger l'insuffisance valvulaire n'a jamais été rapportée dans la littérature. Même si la phase d’expérimentation des aimants destinés à traiter ces insuffisances valvulaires n’est pas arrivée à son terme, nous avons montré la faisabilité du concept sur valve saine. Ce champ d'investigation doit continuer à être exploré compte tenu des avantages qu’ont ces aimants. D’une part, ils sont techniquement faciles à poser et pourraient donc permettre de réaliser une réparation rapide et reproductible des valves. D’autre part, en raison de cette simplicité, on pourrait envisager une implantation par voie percutanée exclusive, ouvrant alors une voie nouvelle, en matière de chirurgie conservatrice des insuffisances valvulaires cardiaques (aortique et mitrale). / Valvular heart diseases are important cardiac pathology and valvular heart insufficiency is one of them. The standard treatment is valve replacement with prosthetic valve. Lacks of ideal prosthetic valve and the drawbacks inherent in prosthetic material and anticoagulant therapy, encourage us to develop techniques of conservative surgery of the valve. Today, repair of the aortic valve remains a surgical challenge, but mitral valve repair is frequently possible. However, the result and possibility of repair depends on the mechanism of insufficiency and the extension of the lesion of the mitral valve. For overcoming all these obstacles, we proposed the theory to study of the magnetic forces of permanent magnets as an adjuvant, or as exclusive treatment to restore effective valve coaptation. To realize this idea, we based our research on three steps: 1 - Characterization of magnets required. 2 - Feasibility study of the magnets in vitro and in vivo 3 - Verification of the effectiveness of the magnetic force to achieve the desired coaptation in valvular insufficiency. This research is done in collaboration between the department of Thoracic and Cardiovascular surgery of Pitié-Salpêtrière hospital in Paris and the research group Electrodynamics - GREM3 LAPLACE Laboratory in Toulouse. The magnets were fabricated by taking into account the following factors: lowprofile and permanency; biocompatibility; the conservation of magnetization in a blood medium; mechanical flexibility of the implanted elements; and the possibility of sterilization. One of the main concerns was to elaborate the adapted intensity of the magnetic force, such that it would be sufficiently strong to close the valve, yet be weak enough to allow valve opening during cardiac cycle. To assess the feasibility, before conducting experiments in animals, in vitro data were obtained and judged appropriate by using a circulating pig heart model with a paracorporeal pneumatic (Thoratec®) ventricular assist device. The phase of animal testing was carried out by the establishment of three permanent magnets on the aortic valve in seven sheep kept alive for 3 months and the results were satisfactory: - No iatrogenic prolepses, - Perfect bio-tolerance without the need for anticoagulation - No visible inflammatory reaction at autopsy on the third postoperative month. Finally, to study the effectiveness of the magnetic force to achieve the desired coaptation in valvular insufficiency, three models of magnets have been tested on 4 sheep, but the results were not satisfactory. Currently we try to solve the problem and new magnets are by the way of conception. To our knowledge, the use of magnetic force to correct valvular incompetence has never been reported. Even if the experimental phase of magnets for treating valvular insufficiency has not reached its conclusion, we demonstrated the feasibility of the concept of healthy valve. This field of investigation must continue to be explored because the magnets have several advantages. On the one hand, they are technically easy to perform, and could thus allow a rapid repair. On the other hand, because of this simplicity, we could consider a percutaneous implantation, which will open a new way for conservative surgery in valvular insufficiency.

La production des dipôles supraconducteurs de la machine LHC du CERN est terminée en automne 2006. Les aimants fonctionnent à la température cryogénique de 1.9 K et doivent un champ magnétique très uniforme permettant de conduire les protons dans la machine. Le but a été la découverte de défauts de production et d'assemblage qui peuvent limiter les performances des aimants. Dans le travail de thèse les effets de la variation de la géométrie des composantes mécaniques comme les câbles supraconducteurs, les cales et les colliers de soutien des bobines sur l'uniformité du champ magnétique ont été étudiés. Une méthode pratique pour identifier et corriger les problèmes d'usinage a été développée et utilisée dans la phase de production.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3658. Texte en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 121-131. Liste des publications.

Thèse de doctorat : Génie électrique : Lille 1 : 1997. / Bibliogr. f. 155-160.

Thèse (M.A.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. [136]-139. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Les travaux réalisés dans la thèse ont permis de développer une méthodologie permettant de réduire les ondulations de couple générées par un défaut statorique dans une machine synchrone avec aimants montés en surface. Deux types défaut ont été traités : le déséquilibre du bobinage statorique, illustré dans l’étude par un manque de spire, et un court- circuit entre spires. Les composantes harmoniques de couple générées par ces types de défaut ont été identifiées et nous avons déterminé la composante inverse de courant à injecter dans l’alimentation pour réduire la composante harmonique de couple principale, qui est à deux fois la fréquence d’alimentation. Deux approches ont été utilisées pour déterminer cette composante inverse de courant : une approche basée sur l’induction d’entrefer issue du calcul analytique prenant en compte l’effet magnétique des courants dans chaque encoche et une approche basée sur les vecteurs espaces flux et courant. Cette deuxième approche permet de mettre en œuvre le principe de correction avec une simulation matlab-simulink, qui donne des résultats probants, que la machine fonctionne en boucle ouverte commandée en fréquence, ou en autopilotée, insérée dans une boucle de régulation de vitesse. Nous avons également mis en œuvre les dispositifs expérimentaux permettant de valider l’étude théorique. Le banc utilisé comprend une machine synchrone à aimants et sa charge. La Machine synchrone est alimentée par un onduleur et commandée par un système dSPACE permettant de contrôler la composante inverse de courant et d’assurer l’autopilotage. Un accéléromètre correctement placé permet de mesurer les vibrations tangentielles, générées par les fluctuations de couple. Pour les deux types de défaut, la réduction de l’harmonique de vibrations tangentielles à deux fois la fréquence d’alimentation a été mise en évidence suite à l’injection d’une composante inverse de courant. Une bonne concordance apparait entre la théorie et l’expérimentation pour ce qui est de l’amplitude de la composante inverse. / The work carried out in this thesis consists in developing a methodology to reduce the torque ripples generated by a stator fault in a surface permanent magnet synchronous machine. Two faults have been treated: the unbalance of the stator winding, illustrated in the study by a lack of turns, and a stator inter-turns short-circuit. The harmonic torque components generated by the both faults have been identified and the inverse current component to be injected in the supply currents has been determined to reduce the main torque component, which is at twice the supply frequency. Two approaches have been used to determine this inverse current component: an approach based on the air gap flux density resulting from an analytical calculation taking into account the magnetic effect of the currents in each slot, and an approach based on the flux and current space phasor. This second approach makes it possible to implement the correction principle in matlab-simulink simulations. These simulations give convincing results whether the machine operates in a frequency-controlled open loop or in a vector control mode inserted in a speed control loop. Experimental tests have been realized to validate the theoretical study. The used test bench includes a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) coupled to a DC machine. The PMSM is powered by an inverter controlled by a dSPACE system able to tune the inverse current component and ensure the vector control. A properly positioned accelerometer is used to measure the tangential vibrations generated by torque fluctuations. For both faults, the reduction of the harmonic of tangential vibrations at twice the supply frequency was demonstrated by injection of an inverse current component. A good agreement between theory and experimentation in terms of the amplitude of the inverse component was obtained.

Pour respecter les contraintes sur l’efficacité pour une machine électrique, il est important de faire une évaluation précise des pertes. Dans le cas des machines à aimants permanents alimentées par un onduleur à MLI, le contenu harmonique haute fréquence lié à la modulation peut rajouter des pertes additionnelles dans la machine que les modèles classiques ont tendance à négliger. Le développement de nouveaux modèles de pertes qui tiennent compte des pertes additionnelles, va permettre d’améliorer des méthodes d’analyse et de conception de machines électriques. Dans ce travail de recherche, différentes méthodes pour estimer les pertes dans les machines synchrones à aimants permanents, y compris les pertes mécaniques, les pertes magnétiques et les pertes cuivre sont présentées. Une nouvelle expression pour estimer les pertes magnétiques dans les tôles en tenant compte de l’effet de peau généré par des courants harmoniques de haute fréquence est élaborée. Concernant les pertes d’hystérésis, un algorithme pour l’identification de cycles mineurs est présenté. Un autre modèle analytique pour l’estimation des pertes MLI dans le stator de la machine à aimants permanents et une nouvelle approche pour l’estimation directe des pertes par courant de Foucault dans les tôles par calcul de champ en 2D sont aussi développés. La méthodologie pour la conception d’une machine à aimants permanents montés en surface est brièvement décrite. Un prototype a été conçu et mise en oeuvre pour mesurer les pertes dans différentes conditions de fonctionnement et valider les modèles de pertes. Différents modèles pour les pertes magnétiques sont comparés afin de sélectionner la méthode la plus appropriée dans le domaine du temps ou de la fréquence. Cette méthode est ensuite validée pour un large éventail de conditions de fonctionnement. Les pertes dans deux rotors à aimants permanents (avec et sans segmentation des aimants) sont comparés. L’effet de la segmentation des aimants et le choix du matériel pour la culasse du rotor sont aussi analysés. Les résultats sont ensuite utilisés pour valider les performances d’un modèle analytique pour estimer les pertes par courant de Foucault dans les aimants permanents. / In order to respect the constraints for efficiency in an electrical machine, losses should be accurately estimated. In the case of a permanent magnet machine fed by a PWM supply, the high frequency harmonic content of the current (associated with the modulation scheme), may generate additional losses in the machine which the conventional models tend to overlook. Development of new models which may take account of these additional losses will allow us to improve the analysis and design of the electrical machines. In this work various models for the prediction of losses in a permanent magnet machine including the mechanical losses, copper losses and magnetic losses are presented. A new loss expression for taking account of the skin effect in a laminated magnetic material due to high frequency harmonic content of the stator current is developed. Regarding hysteresis losses, an algorithm for the identification of the minor hysteresis cycles is presented. An analytical model for the estimation of the PWM losses in the stator of the permanent magnet machine, and a new method for the direct estimation of eddy current losses in the lamination material by 2D-FE analysis are also developed. The design methodology for the design of a surface mounted permanent magnet machine is briefly described. A prototype machine is designed and realised to measure the losses in a variety of operating conditions and validate the loss models. Various models for magnetic losses are compared in order to find the most appropriate method in the time or frequency domains. The method which offers the best performance is then validated in a wide range of operating conditions. The losses in two PM rotors (with or without magnet segmentation) are compared and the effect of magnet segmentation and the choice of rotor yoke material are investigated by 2D FE analysis. These results are also used to evaluate the performance of an analytical model for the prediction of eddy current losses in the rotor magnets.

L'objectif de la thèse était d'étudier le procédé de Décrepitation à l'Hydrogène (HD) en tant que moyen de recycler les rebus d'aimants frittés Nd-Fe-B en poudres fortement coercitives et anisotropes, pour l'industrie d'aimants liés. Le procédé consiste à appliquer une première hydruration, afin de réduire le matériau massif en poudre, grâce à l'expansion du volume de la maille. Des traitements de désorption de l'hydrogène et de recuit sont ensuite nécessaires pour rétablir les caractéristiques initiales du précurseur (coercivité et anisotropie). Les différentes étapes du procédé HD ont été étudiées à partir d'aimants frittés (NdDy)2(FeCoNbCu)14B utilisés comme précurseurs. Les caractéristiques d'absorption et de désorption de l'hydrogène ont été étudiées par Calorimétrie Différentielles (DSC) et par des mesures de cinétique d'hydruration. Des mesures magnétothermiques ont permis d'analyser l'effet de la présence d'hydrogène résiduel sur les propriétés magnétiques des poudres (NdDy)-(FeCoNbCu)-B. La thèse se focalise sur l'impact des conditions expérimentales appliquées, telles que la température de décrepitation, l'application d'un double cycle de décrépitation, la température de désorption, l'application d'un champ magnétique pendant la désorption de l'hydrogène, la température de recuit, etc... sur les propriétés magnétiques des poudres (NdDy)-(FeCoNbCu)-B. Parmi ces facteurs, les températures d'absorption et de désorption, et la température de recuit jouent un rôle prépondérant sur les propriétés magnétiques. La double décrépitation améliore la distribution de taille des poudres. La désorption de l'hydrogène sous le champ magnétique réduit le contenu d'hydrogène résiduel des poudres anisotropes, et conduit ainsi à une augmentation de la rémanence (Br). Après l'optimisation des étapes successives du procédé, des poudres anisotropes présentant des propriétés satisfaisantes ont été obtenues : Br = 10.29 kGs (1.029 T), Hcj = 14.3 kOe (1138 kA/m), (BH)Max = 21.67 MGOe (172.5 kJ/m3). Les propriétés magnétiques initiales des aimants frittés (NdDy)-(FeCoNbCu)-B ont été restaurées respectivement à 93 %, 46 % et 74 %.