Les travaux présentés concernent la modélisation analytique et l’optimisation des machines synchrones à aimants devant fonctionner à haute vitesse dans le cadre de la traction partiellement ou totalement hybrides.Toutefois, une telle application cumule des difficultés d’ordre électromagnétique, thermique et mécanique. D’où l’intérêt de la première partie qui s’intéresse à établir un état de l’art des particularités du fonctionnement à haute vitesse. Ensuite, une modélisation analytique multi-physique simplifiée a été mise en œuvre afin de mener une première comparaison entre quatre types de rotors à aimants. Celle-ci a été basée sur une optimisation multi-objectifs de manière à optimiser la vitesse de base tout en améliorant le rendement sur un cycle. Dans l’optique d’atteindre les performances souhaitées, une modélisation fine des interactions multi-physiques a été réalisée. Les verrous s’opposant à cette amélioration sont bien connus et sont principalement liés à la compacité des structures recherchées.Le cœur de la modélisation interactive que nous avons proposée réside dans la modélisation électromagnétique qui, à l’aide d’un calcul par des schémas réluctants maillés, permet de faire un choix entre deux types de commandes : en courant ou en tension. L'augmentation de la vitesse nécessite de s'intéresser sérieusement aux pertes fer et aux pertes mécaniques. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à développer un modèle mécanique qui estime la vitesse maximale de rotation pouvant s’intégrer aisément dans une procédure d’optimisation. La modélisation est ensuite couplée à un algorithme par essaims particulaires selon une méthodologie de conception faisant intervenir l’approche du dimensionnement optimal.Ces travaux s'inscrivent dans le cadre du projet ANR AAP TTD « e-MECA » (électromécanique Embarquée à Compacité Améliorée) dont les partenaires sont : Valeo (porteur), SKF, IFPEn, TEMPO, Dynfluid et le SATIE. / The work presented concern the analytical modeling and optimization of high speed permanent magnet synchronous machines for Hybrid Electric traction motor.However, such an application accumulates difficulties of electromagnetic, thermal and mechanical order. The first part is interested in establishing a state of the art of the high-speed applications’ particularities. Then, a simplified multiphysic and analytic modeling was implemented to conduct a first comparison between four kinds of PM rotors. This was based on a multi-objective optimization in order to optimize the delivery speed while improving the cycle efficiency. In order to achieve the desired performance, precise multiphysics interactions’ modeling was performed. Bolts opposing this improvement are well known and are mainly related to the compactness of the desired structures.The core of the proposed interactive modeling is the electromagnetic modeling which, using a reluctance network, allows to choose between two kinds of control: current control or voltage control. The high speed constraint requires serious interest to iron and mechanical losses. In this work, we are interested in developing a mechanical model which estimates the maximum speed which can be integrated easily into an optimization procedure. The model is then coupled with a particle swarm algorithm in order to involve the optimal sizing approach.These works join within the framework of the project ANR AAP TTD "e-MECA" (électromécanique Embarquée à Compacité Améliorée) where the partners are: Valeo (project leader), SKF, IFPEn, TEMPO, Dynfluid and SATIE.

Parmi les différentes structures de machines électriques existantes, les machines à flux transverse (MFT) sont reconnues pour leur fort couple massique et volumique. Malgré cet avantage, leur complexité et leur coût de fabrication élevés font que ce type de machine ne dépasse que rarement le stade de prototype. De plus, d’importantes pertes fer dues à des fréquences de fonctionnement élevées limitent encore l’utilisation de ces machines aux applications basse vitesse et fort couple : la MFT est alors principalement utilisée dans des dans les aérogénérateurs à attaque directe et dans certaines applications de traction électrique (bus, automobile, tram, navire, …). Le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle configuration de MFT : la MFT à griffe ou claw-pole, à stator hybride. Grâce à l’utilisation combinée de tôles électriques et de poudre de fer au stator de la machine, les pertes fer de cette configuration de MFT sont considérablement réduites et sa fabrication grandement simplifiée. Le concept de stator hybride peut être exploité pour réduire les pertes fer de la MFT encore davantage, par l’emploi de matériaux possédant des propriétés magnétiques supérieures à celles des matériaux actuellement utilisés au stator de la machine. L’effet de la substitution des noyaux de tôles électriques au stator par des noyaux fabriqués à partir de matériaux amorphes est étudié dans ce mémoire. Des mesures expérimentales de pertes fer permettent, dans un premier temps, de prouver la réduction des pertes totales d’une MFT claw-pole à stator hybride monopolaire utilisant des noyaux amorphes. Dans un second temps, des simulations par éléments finis couplées à des résultats expérimentaux montrent l’augmentation du rendement d’une MFT complète à noyaux amorphes et le maintien de ce dernier à un niveau élevé à des fréquences de fonctionnement supérieures à 400 Hz. / Transverse flux machines (TFM) are known for their excellent torque-to-mass and torque-to-volume ratio when compared to conventional machines. Despite this advantage, they have some serious shortcomings like complex construction and high cost, explaining why TFM that can be found in the literature are usually only prototypes. Moreover, the TFM shows a dependence of its force density upon its pole pitch and airgap thickness, which leads to high electrical frequencies and thus to high core losses. For all these reasons, this type of machine could be considered in high-torque low-speed applications such as wind turbines or electrical traction drives. The work presented in this document contributes to the development of a new TFM configuration: the claw-pole TFM with hybrid stator (CPTFMHS). Such a stator built from a combination of Fe-Si laminations and powdered iron (SMC), enables reducing iron losses significantly and improving the ease of manufacturing of the machine. The concept of the hybrid stator can be further developed by using new magnetic materials with lower specific losses. The substitution of Fe-Si laminations by amorphous cores in the stator of the CPTFMHS is studied in this work and presented here. Experimental measurements are conducted on a one-pole pair CPTFMHS machine with an amorphous core: the results show a reduction of the total iron losses, thus proving benefits of amorphous cores used in the machine. Finite element simulations coupled with experimental measurements lead to the following conclusion: the efficiency of a CPTFMHS machine can be maintained to a high level at frequencies above 400 Hz, thanks to the use of amorphous cores, which may not be possible with Fe-Si laminations.

Le mémoire investiguera une stratégie de commande non linéaire dont l'objectif est de maximiser la puissance active Pékc de sortie d'une machine synchrone à aimant permanent à flux transverse (MSAPFT) monophasée, utilisant un redresseur actif à commutation forcée dans une application éolienne. Dans une MSAPFT, la reactance statorique Xs en p.u. est élevée et la saturation dans le noyau magnétique du stator engendre des comportements non linéaires que la stratégie de commande doit considérer. L'emphase sera portée sur le développement d'une relation entre le couple moyen T et le courant statorique is, déterminée à l'aide d'un outil de modélisation de MSAPFT, basé sur des simulations par éléments finis. C'est à partir de cette relation couple-courant qu'une loi de commande ic(T) est déduite, maximisant ainsi le couple moyen T et donc la puissance active de sortie Pélecét la machine. Des gains de puissance de l'ordre de 10% peuvent être observés lorsque l'on applique cette loi de commande ic(T) dont la valeur d'angle de phase y/opl est optimale comparativement à une loi de commande qui impose un angle de phase y/ égale à zéro. Enfin, des simulations du système de commande, incluant le modèle de MSAPFT conçu ainsi qu'un redresseur actif à MOSFET, permettent de valider ces résultats. Des essais expérimentaux de la commande en courant d'un prototype d'alternateur de MSAPFT viennent aussi appuyer l'argumentation.

La conception d'une machine haute vitesse est un problème multiphysique très complexe. Les contraintes mécaniques au rotor sont très élevées et la dynamique du rotor ne peut pas être négligée sinon les vibrations excessives risquent de détruire la machine. Même les pertes aérodynamiques créées par le frottement entre le rotor et l'air dans l'entrefer ne peuvent être négligées. La vitesse élevée implique également une fréquence électrique très élevée et donc des problèmes de pertes additionnelles dans le bobinage, de pertes fer, de pertes par courant de Foucault au rotor et de pertes de commutation dans les composantes de puissance de l'onduleur. Les pertes par courant de foucault au rotor, par exemple, augmentent la température des aimants risquant ainsi d'altérer leur performance ou même de les démagnétiser. Le concepteur doit faire preuve d'ingéniosité pour trouver des solutions et des compromis entre ces nombreux problèmes tout en considérant les couplages multiphysiques entre les modèles. Par exemple, l'augmentation de la fréquence de hachage permet la réduction des pertes par courant de foucault au rotor, mais augmente les pertes par commutation dans l'onduleur d'où la nécessité de l'atteinte d'un premier compromis. Les machines synchrones à aimants permanents montés en surface étant des machines prometteuses pour fonctionner à des vitesses et densités de puissance élevées, l'objectif du présent travail de recherche est de développer un outil de CAO adapté à ce type de machine et d'en déduire des règles de conception. Le calcul de champs 2D magnétostatique et magnétoharmonique est directement piloté par un algorithme d'optimisation pour permettre une estimation précise des paramètres les plus complexes à modéliser pour des espaces de conception et des topologies variés. Une étude comparative de moteurs optimisés pour différentes vitesses et densités de puissance a permis de déduire des règles de conception comme le choix du nombre de pôles et l'équilibre entre les pertes cuivre et les pertes fer. Le **Chapitre 1** traite de l'état de l'art actuel de la conception de machines haute vitesse. Les différents défis de conception et de réalisation sont exposés et discutés ainsi que les principales solutions possibles. Le **Chapitre 2** présente différents modèles adaptés aux machines haute vitesse permettant d'aider le concepteur dans son processus. L'implantation de la méthode de conception directe par calcul de champs à l'aide de MATLAB, PYTHON et CEDRAT FLUX est exposé dans le **Chapitre 3** alors que son utilisation pour l'obtention de règles de conception et son application sur un générateur de 80kW fonctionnant à 70000 rpm sont traités au **Chapitre 4**. Finalement, le **Chapitre 5** traite des différentes solutions aux problèmes majeurs des pertes dans les aimants. / Conception of a high-speed electrical machine is a complex multiphisics problem. Mechanical constraints in the rotor are high and rotor dynamics cannot be neglected otherwise excessive vibrations could destroy the machine. Even aerodynamic losses caused by friction between the rotor and the air in the air gap cannot be neglected. High-speed also implies high electrical frequency and therefore additional losses in the windings, iron losses, losses in the rotor et switching losses in power electronics. Rotor losses, for example, raise the temperature of the magnets and may alter their performance or even demagnetize them. The designer must therefore show ingenuity to find solutions and compromises between these numerous problems while considering the multiphysics couplings. For example, increasing switching frequency of the inverter allows the reduction of rotor losses, but increases switching losses in power components, hence the need to reach a compromise. Since Surface Mounted Permanent Magnet synchronous (SMPM) machines are promising for operating at high speeds and power density, the aim of this research is to develop an optimization process adapted to this type of machine that makes it possible to deduce design rules. Parametric magnetodynamic and magneto-harmonic FEA simulations are directly driven by an optimization algorithm to allow accurate estimation of parameters that are difficult to evaluate for various design spaces and topologies. A comparative study of motors optimized for different speeds and power density made it possible to deduce design rules such as the choice of the number of poles and the balance between copper losses and iron losses. First, Chapter 1 introduces the current state of the art for high-speed machines designs. Various design and fabrication challenges are discussed as well as popular solutions. Chapter 2 shows models adapted to high-speed machines to help the designer in his process. Implementation of the optimization process by direct field calculation using MATLAB, PYTHON and CEDRAT FLUX is shown in chapter 3 while its use for obtaining design rules and its application for an 80 kW generator are in chapter 4. Finally, a few solutions for magnet losses are studied in chapter 5.

Un pont à diodes ne peut pas être utilisé avec une génératrice à flux trans verse en raison de sa grande inductance statorique. Le but de cette étude est d'examiner différentes solutions pour des redresseurs utilisés avec une génératrice à flux transverse fonctionnant à vitesse variable en regardant leurs avantages et inconvénients. Comme solutions conventionnelles, des ponts à diodes avec compensation passive et des redresseurs à MLI sont étudiés. Aussi, une nouvelle topologie de redresseur à haut rendement sera présentée qui peut être utilisée avec des sources à fréquence variable ayant une inductance très élevée et saturable incluant les machines à flux transverse

Ce mémoire porte sur le développement d'une méthode de conception d'entraînements à vitesse variable par modèles analytiques en appliquant un processus d'optimisation sur les machines synchrones cylindriques. Cette méthode de conception permet de considérer l'ensemble des points de fonctionnement de l'entraînement et ses cycles d'opération. Après avoir réalisé le dimensionnement de la machine, on utilise un modèle de type circuit électrique équivalent pour vérifier les performances dans des conditions de fonctionnement variées. Une méthode d'optimisation globale permet de rechercher la meilleure solution possible pour satisfaire l'ensemble des contraintes du cahier des charges. On utilise aussi une méthode de correction itérative pour améliorer la précision des modèles et valider la solution optimale avec un logiciel de calcul des champs par éléments finis. Nous développons une méthode permettant de prendre en compte les caractéristiques non linéaires des matériaux magnétiques et la saturation. On présente deux exemples de la méthode de conception pour des cahiers des charges d'applications utilisant des ensembles convertisseur-machine sur une large plage de vitesse. Le premier est un alternateur à griffes d'automobile de type Lundell et le deuxième, un moteur de traction pour un véhicule électrique. / This project presents a design method of variable speed drives with analytical models by applying an optimization process. It concerns synchronous machines. This design method permits to consider the set of points in a torque-speed chart of the drive and its cycles of operation. After having calculated the dimensions of the machine, one uses an electrical circuit model to verify performances. A method of global optimization is used to search for the best solution to satisfy the set of constraints and specifications. One also uses an iterative method of parameter correction to improve the precision of models and to validate the optimal solution with FE software. We develop a design method taking account non linear magnetic characteristic of materials and magnetic saturation. One presents two design examples for applications using drive Systems on a wide range of speed. The first is a claw-pole lundell car alternator and the second, an electric traction System.

Les activités du Laboratoire de recherche en Électronique, Électrotechnique et Systèmes (L2ES) sont dans le champ des transports que ce soit pour la génération d'énergie au moyen de PACs ou pour la chaîne de traction. Les travaux de recherche, dans ce dernier domaine, portent essentiellement sur les MSAPs à entraînement direct lent du type synchrone avec balais ou autopiloté à commande trapézoïdale ou sinusoïdale.<br />L'objectif consiste maintenant à orienter les recherches vers les actionneurs à vitesse élevée. Une application importante concerne l'entraînement de compresseurs pour le système PAC. Des études menées au L2ES ont montré que les turbocompresseurs constituaient une solution intéressante pour limiter la taille et la puissance absorbée.<br />Nous proposons dans cette thèse de mettre au point une méthodologie de conception de MSAPs montés en surface à vitesse élevée en vue de leur optimisation en prenant en considération les contraintes magnétiques, électriques et thermiques. Cette méthodologie prend en compte des contraintes spécifiques de la grande vitesse, et notamment les pertes électromagnétiques dans la partie tournante induites par la fréquence élevée d'alimentation. Les pertes magnétiques dans l'induit denté créées par une aimantation radiale ou parallèle des aimants permanents sont également modélisées. En effet, deux modèles analytiques complexes (magnétostatique et magnétodynamique) ont été développés pour prédire ces pertes fer significatives dans les MSAPs sans pièces polaires à inducteur intérieur ou extérieur. La méthode est générale, parce qu'elle est basée sur le calcul de champ électromagnétique bidimensionnel (2D) en coordonnées polaires (résolution des équations de Laplace/Poisson/Diffusion). L'analyse prend en compte les notions de courbures, les harmoniques de temps et d'espace de la répartition des courants de l'induit produite par un bobinage quelconque, l'effet du champ de réaction d'induit par courant de Foucault, et enfin différentes configurations de bobinages statoriques ("généralisation" des bobinages) ainsi que deux types d'aimantation (radiale et parallèle). L'hypothèse principale consiste dans le fait que l'on néglige la variation de perméance due au stator denté. Les contraintes mécaniques ont été traitées en liaison avec le mécanicien de la société NOVELTE Système de Belfort (90).<br />La MSAP réalisée tourne à 10 000 tr/min avec un résolveur analogique "sin-cos" à aimants permanents constitué de capteurs à effet Hall. Le moteur construit servira de base de validation dans la zone de vitesse concernée (i.e., de 0 à 10 000 tr/min).

Ce travail porte sur l'effet tunnel d'aimantation dans des systèmes des aimants moléculaires et implique des aspects numériques et surtout expérimentaux. Les aimants moléculaires sont formés des grandes molécules magnétiques, arrangées dans une structure cristalline ; elles ont le même spin, anisotropie et orientation, les aimants résultants étant tres bien caractérisés. Si la physique quantique d'une molécule isolée est très bien connue, les interactions intermoléculaires ont été négligées jusqu'à présent. Le but de cette thèse est d'établir le rôle de ce couplage dans l'effet tunnel du moment magnétique des agrégats moléculaires. Le travail a nécessité l'utilisation de différentes techniques expérimentales : magnétométrie à SQUID, à micro-SQUID, à micro-sonde de Hall ; les mesures sont faites dans le régime des tres basses températures à l'aide des cryostats à dilution. Nous présentons un premier exemple de dimère moléculaire [Mn4]2 dans lequel l'interaction d'échange antiferromagnétique entre les deux molécules Mn4 ne peut pas être négligée. Chaque monomère réagit comme un champ supplémentaire sur son voisin et induit un décalage des résonances de dimère par rapport aux résonances d'une molécule isolée. À l'aide d'un tel système nous montrons l'existence des états intriqués des deux molécules. Ainsi l'effet tunnel devient un phénomène qui implique des états quantiques des deux molécules à la fois. Nous montrons aussi que, dans ces systèmes, il y a une distribution de constante de couplage inter-moléculaire et que l'interaction d'échange est quasi-isotrope. Les effets quantiques à plusieurs spins sont généralisés ensuite sur un système dimèrique particulier où, en plus de couplage à l'intérieur du dimère, il y a des faibles interactions entre dimères voisins. Dans ce réseau 3D d'aimants moléculaires, les interactions inter-moléculaires sont suffisamment fortes pour se traduire dans des champs de décalage supplémentaires, mais en même temps suffisamment faibles pour ne pas générer un matériaux anti-ferromagnétique macroscopique.

Ce travail porte sur la modélisation et le dimensionnement des moteurs à aimants<br />permanents et asynchrones destinés à la propulsion marine par POD. Un état de l'art est<br />présenté, où les différentes topologies de moteurs pour ce type d'application y sont abordées. La<br />Machine à aimants permanents et la machine asynchrone on été retenue pour notre application.<br />Dans le cas de la machine à aimants permanents, une analyse par éléments finis est<br />effectuée pour dimensionner la machine à aimants permanents et minimiser les principaux<br />harmoniques de la FÉM. Un modèle éléments finis 2D en magnétostatique couplé à un modèle<br />circuit est développé pour la prédiction des couples pulsatoires dues aux harmoniques du<br />convertisseur.<br />En ce qui concerne la machine asynchrone, Pour tenir compte des harmoniques d'espace<br />et évaluer leurs pertes, un modèle électromagnétique utilisant la résolution par éléments finis 2D<br />en magnétodynamique couplé à un modèle circuit est développé. Par ailleurs, un autre modèle<br />basé sur le principe de couplage éléments finis- circuit électrique est développé pour tenir compte<br />des harmoniques de temps du variateur, ce modèle permet d'évaluer à la fois les pertes dues aux<br />harmoniques de temps, mais aussi des couples pulsatoires.<br />Dans la phase de validation et vérification des différents calculs, nous avons utilisé l'outil<br />Flux2D de calcul par éléments finis qui tient compte de la rotation du rotor (pas à pas dans le<br />temps) et effectué certaines mesures (cas de la machine à aimants permanents). Les résultats des<br />calculs obtenus par les modèles développés concordent avec ceux obtenus par la méthode<br />temporelle (pas à pas dans le temps) et les quelques mesures dont nous disposons.

Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans le cadre de différents programmes de recherches sur la modélisation et la conception des machines synchrones à aimants permanents, pour des applications de transports terrestres. En effet, la tendance actuelle, que ce soit dans la traction ferroviaire, ou dans les véhicules électriques et/ou hybrides électriques, est d’utiliser de tels moteurs pour leurs grandes performances massiques et leur bon rendement. Cette tendance est également observable dans les grandes éoliennes à attaque directe. Toutefois, un inconvénient de ces machines est l’existence de pertes pouvant être importantes dans les aimants permanents. Ces pertes sont d’une part à l’origine d’une dégradation du rendement, mais elles peuvent aussi être à l’origine d’échauffements excessifs des aimants, avec des risques de désaimantation d’une part et des risques de décollement d’autre part. Dans ce contexte, l’objectif de notre travail de thèse a été d’établir de nouveaux modèles, plus précis, des pertes par courants de Foucault dans les aimants. Les modèles utilisés actuellement sont généralement des modèles bidimensionnels qui ignorent donc le fait que les courants de Foucault ont une répartition tridimensionnelle dans les aimants. Afin de valider le modèle développé, une maquette expérimentale a été mise en place. Dans un premier temps, le modèle de calcul des pertes par courants induits dans les pièces massives a été validé en utilisant une approche qui combine les résultats expérimentaux et ceux calculés analytiquement et numériquement. Ensuite différentes grandeurs globales et locales issues du modèle analytique ont été comparées aux éléments finis aussi bien en 2D qu'en 3D de même qu'aux mesures expérimentales. Les modèles et méthodes de calcul et de mesures proposés pourront être efficacement utilisés ultérieurement pour estimer les pertes par courants induits dans les aimants permanents de moteurs synchrone à aimants. / The work presented in this thesis is part of various research programs on the modeling and design of permanent magnet synchronous machines for land transport applications. Indeed, the current trend, whether in railway traction, or in electric and / or hybrid electric vehicles, is to use such engines for their high mass performance and good efficiency. This trend is also observable in large direct-attack wind turbines. However, one disadvantage of these machines is the existence of significant losses in the permanent magnets. These losses can cause a deterioration in efficiency, and also be the cause of excessive heating of the magnets, with risks of demagnetization and risks of. In this context, the aim of our thesis work was to establish new, more accurate models of eddy current losses in magnets. The models currently used are generally two-dimensional models which therefore ignore the three-dimensional distribution of eddy currents in the magnets. In order to validate the model developed, we set up an experimental test bench. In a first step, the calculation of induced current losses in massive pieces was validated using an approach that combines the experimental results with those calculated analytically and numerically. Then, different global and local quantities from the analytical model were compared to the finite elements in both 2D and 3D as well as experimental measurements. The models and methods of computation and measurements proposed can be effectively used later to estimate eddy current losses in the permanent magnets of synchronous magnet motors.