Les générateurs d'électricité actuels dans les automobiles sont des alternateurs à griffes. Ils présentent une bonne puissance massique à un prix compétitif, mais ont, en contrepartie, un mauvais rendement. Ainsi, comme le besoin en énergie électrique embarquée est en constante évolution, il en résulte que l'impact de la génération d'électricité sur la consommation de carburant n'est plus négligeable. Les travaux de cette thèse ont pour but de modéliser le comportement de l'alternateur à griffes en fonction des paramètres de construction pour pouvoir, par la suite, utiliser des processus informatiques pour optimiser le rendement et / ou la puissance massique. La méthodologie choisie pour modéliser cet alternateur repose sur la théorie des réseaux de réluctances analytiques. Pour déterminer le courant débité par l'alternateur, le réseau de réluctance est couplé à un modèle analytique du redresseur. Ensuite un modèle analytique est établi pour l'ensemble des pertes. Ce modèle est ensuite intégré dans un logiciel d'optimisation sous contraintes de type gradient. Ceci permet alors d'obtenir un ensemble de solutions répondant à des cahiers des charges bien définis avec un nombre important de paramètres variables (18 paramètres de construction sont optimisés). Cette approche présente différentes évolutions possibles pour améliorer le rendement des alternateurs à griffes. Pour finir, une méthode fondée sur des optimisations multi objectifs est proposée pour déterminer le meilleur compromis entre un rendement élevé et une bonne puissance massique.

La perspective de la production décentralisée nécessite de revenir à la modélisation fine des dispositifs électriques constituant le réseau, aux multiples principes de fonctionnement (moteur ou générateur, machines tournantes ou statiques, ...etc) et gammes de puissance. En effet, cet accroissement considérable de la taille des réseaux ne peut se faire au détriment de la sécurité des personnes et de la fiabilité des installations, La machine électrique n'est plus isolée et fait désormais partie intégrante du réseau électrique. C'est sur elle que portera principalement notre étude. La présence de nombreux harmoniques sur le réseau incite à disposer de modèles fréquentiels plus fins et valables sur une plus grande plage de fréquences. En outre, l'étude des réseaux sera facilitée si la matrice d'état du système est de taille raisonnable, autrement dit si le modèle comporte le plus petit nombre de paramètres possible. L'objectif premier de ce travail présenté dans ce mémoire est d'améliorer les modèles classiques des machines, en tenant compte de phénomènes physiques liés à la variation de fréquence, comme l'effet de peau. Ceci impose de partir des équations de Maxwell, décrivant tout phénomène d'induction et de remonter au schéma équivalent de la machine. Cette amélioration des modèles repose sur l'utilisation d'un outil mathématique récemment appliqué à d'autres domaines scientifiques : la dérivation non entière.

L'alternateur à griffes est l'alternateur le plus utilisé dans l'industrie automobile. Afin d'augmenter sa puissance volumique, une solution classique consiste à utiliser des aimants NdFeB entre les griffes. Ces dernières années, le prix des aimants NdFeB a beaucoup augmenté remettant en question leur utilisation. Ce contexte implique de trouver de nouvelles solutions techniques permettant de conserver la même puissance volumique sans utiliser d'aimant NdFeB. Dans le cadre de ces travaux de thèse la solution proposée consiste a utiliser des matériaux magnétiques doux nobles tels que les FeCo (AFK18, AFK1 et AFK502). De part leur coût élevé, nous avons limité leur utilisation au noyau de l'alternateur même si leur utilisation au rotor est également évaluée. Ces travaux s'appuient sur une démarche de dimensionnement multi-niveaux (modèle reluctant et modèle éléments finis) ce qui apporte un bon compromis temps de calcul/précision. Une série d'études a été réalisée avec dans un premier temps, l'identification d'une géométrie de noyau favorable à l'utilisation de noyau en FeCo. Dans un second temps, une étude compare les courants batteries en fonction du FeCo utilisé au noyau avec une optimisation du rotor. Ensuite une étude présente le dimensionnement complet de l'alternateur (optimisation du rotor et du stator avec une étude sur le nombre optimal de paires de pôles) avec un noyau en AFK502 ce qui d'identifier le gain maximal en courant batterie apporté par l'utilisation d'un noyau en FeCo. Pour finir, une dernière étude compare les courants batteries en fonction du FeCo utilisé au rotor avec une optimisation du rotor et du stator. / Claw-pole alternators are often used in automotive industry. Permanent magnets like NdFEB are currently integrated to increased the power density of claw-pole machine. However their higher price brings into question their usage. This tight context implies finding new technical solutions to keep the same power density without NdFeB magnets. The solution adopted consists to evaluate the potential of gain with different soft magnetic materials and more especially FeCo family (AFK18, AFK1 et AFK502). Their higher price imposed us to use FeCo just at the core of the alternator but we have also evaluate their usage at the rotor. This work is based on an adapted design methodology including two modeling level (magnetic equivalent circuit model and finite element model) in order to obtain a good compromise between time computation/accuracy. Several studies have been made with, as a first step, the identification of new core geometry customized for FeCo core. As a second step, a study comparing output current according to FeCo used at the core is presented, rotor is optimized only. As a third step, is exposed the global optimization of the alternator with an AFK502 (rotor and stator optimization with a study on the optimal poles pairs number) in order to identify the maximum output current gain with an FeCo core. Finally, the last study compare output current according to FeCo used at the rotor, rotor and stator are optimized .

La présente étude concerne l’étude d’optimisation thermique d’une machine électrique. Un modèle nodal est utilisé pour la simulation du champ de température. Ce modèle résout l’équation de la chaleur en trois dimensions, en coordonnées cylindriques et en régime transitoire ou permanent. On prend en compte les deux mécanismes de transport les plus importants : La conduction et la convection. L’évaluation de ce modèle est effectuée par l’intermédiaire de 13 valeurs de débits de référence. C’est en faisant varier ces variables qu’on évalue la performance du refroidissement dans la machine. Avant de partir sur l’étude d’optimisation de cettegéométrie, on a lancé une étude d’optimisation d’un cas plus simple afin de mieux comprendre les différents outils d’optimisation disponibles. L’expérience acquise avec les cas simples est utilisée dans l’optimisation thermique de la machine. La machine est thermiquement évaluée sur la combinaison de deux critères : la température maximale et la température moyenne. Des contraintes ont été additionnées afin d’obtenir des résultats physiquement acceptables. Le problème est résolu à l’aide des méthodes de gradient (Active-set et Point-Intérieur) et des Algorithmes Génétiques. / This work relates the thermal optimization of an electrical machine. The lumped method is used to simulate the temperature field. This model solves the heat equation in three dimensions, in cylindrical coordinates and in transient or steady state. We consider two transport mechanisms: conduction and convection. The evaluation of this model is performed by means of 13 design variables that correspond to the main flow rates of the equipment. We analyse the machine cooling performance by varying these 13 flow rates. Before starting the study of such a complicated geometry, we picked a simpler case in order to better understand the variety of the available optimization tools. The experience obtained in the simpler case is applyed in the resolution of the thermal optimization problem of the electrical machine. This machine is evaluated from the thermal point of view by combining two criteria : the maximum and the mean temperature. Constraints are used to keep the problem consistent. We solved the problem using the gradient based methods (Active-set and Interior-Point) and the Genetic Algorithms.

Les ensembles turbo-alternateurs des centrales électriques sont de grandes machines tournantes de plus de 50 mètres de long et de plusieurs centaines de tonnes. Lors du fonctionnement normal d'une telle machine, une probabilité non nulle existe d'un détachement accidentel d'une aube. Dans une telle situation, un balourd important est généré et du contact apparaît entre les parties tournantes et non tournantes de la machine. Il est alors capital de pouvoir simuler efficacement la dynamique de ce type d'évènement faisant intervenir de fortes non linéarités dans le système. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR (Agence Nationale de la Recherche) IRINA (SImulation et maîtRise des rIsques en coNception des mAchines tournantes) et en particulier entre le LaMCoS (LAboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures) de l'INSA de Lyon et le département AMA (Analyses Mécaniques et Acoustiques) d'EDF R et D à Clamart. Elle a pour objectif de mettre au point une technique rapide de simulation du comportement des lignes d'arbres de machines tournantes en cas de présence de non linéarité de type contact entre rotor et stator. Pour atteindre cet objectif, une double démarche a été mise en place. La première consiste à mettre au point des modèles simplifiés afin de réduire le nombre de degrés de liberté du problème. De surcroît, une technique de réduction de modèle adaptée au cas de non linéarité localisée est utilisée afin de réduire encore plus la taille du système à résoudre. La seconde démarche consiste à mettre au point une technique de résolution rapide du système réduit afin d'obtenir la solution encore plus rapidement. Pour cela, au lieu d'utiliser les traditionnelles techniques d'intégration temporelle directe, c'est la méthode de la balance harmonique qui est mise à profit. Cette technique permet d'obtenir directement la réponse stabilisée du système grâce à une résolution des équations dans le domaine fréquentiel. Dans ce cadre, une maquette numérique a été mise au point mettant en oeuvre les fonctionnalités citées. Cette dernière permet de reproduire les phénomènes physiques périodiques ainsi que quasi-périodiques et de déterminer leur stabilité. Des études paramétriques sur des exemples de problèmes de contact rotor-stator viennent illustrer cette démarche. Enfin, une application sur un cas industriel de groupe turbo alternateur EDF est présentée.

Les procédés de fabrication, du fait de leurs imperfections, conduisent à des dispersions des dimensions par rapport au nominal ainsi qu’à une variabilité de celles-ci d’un produit à un autre. Pour les machines électriques, ces imperfections peuvent conduire à des excentricités entre le rotor et le stator ou à des déformations de la surface intérieure du stator (défaut de forme). Dans la littérature, les travaux se focalisent surtout sur l’étude des effets néfastes dus à l’excentricité et pas sur les défauts de forme. De plus, ces travaux sont souvent basés sur une approche déterministe négligeant la variabilité qui peut apparaitre dans le cas de la production de masse. L’objectif de la thèse est donc de mettre en place une méthodologie basée sur une approche probabiliste permettant de quantifier l’effet des imperfections des procédés de fabrication sur la géométrie d’une machine électrique et d’en évaluer l’impact sur les performances. Pour cela, une campagne de mesures dimensionnelles a été effectuée sur 50 machines électriques permettant de caractériser les principaux défauts comme l’excentricité et la déformation de la surface intérieure du stator. Des modèles probabilistes de ces défauts ont été proposés permettant de prendre en compte leur variabilité. L’utilisation d’un modèle numérique de la machine électrique combiné avec des techniques d’approximation creuse ont permis d’évaluer l’influence de ces défauts sur les grandeurs d’intérêt comme la FEM ou le couple. / Due to their imperfections, manufacturing processes lead to deviations on the dimensions which are not equal to their nominal value and as well as a variability on the dimensions from one product to another in the case of mass production. For electrical machines, these imperfections can cause an eccentricity between the rotor and the stator or shape default like the deformation of the inner surface of the stator. In the literature, research focuses mainly on the study of detrimental effects due to the eccentricity but not on shape default. In addition, this research is often based on a deterministic approach neglecting the variability that can arise especially in mass production. The aim of the thesis is to develop a methodology based on a probabilistic approach to quantify on the performances of an electrical machine the effect of imperfections of manufacturing processes on the geometry. First, a campaign of measurements was performed on 50 electrical machines for characterizing the main defaults such as the eccentricity and the deformation of the inner surface of the stator. Probabilistic models of these defaults have been proposed for taking into account their variability. A numerical model of the electrical machine combined with sparse approximation techniques were used to quantify the influence of these defaults on quantities of interest such as EMF or torque.

Les ensembles turbo-alternateurs des centrales électriques sont de grandes machines tournantes de plus de 50 mètres de long et de plusieurs centaines de tonnes. Lors du fonctionnement normal d'une telle machine, une probabilité non nulle existe d'un détachement accidentel d'une aube. Dans une telle situation, un balourd important est généré et du contact apparaît entre les parties tournantes et non tournantes de la machine. Il est alors capital de pouvoir simuler efficacement la dynamique de ce type d'évènement faisant intervenir de fortes non linéarités dans le système. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ANR (Agence Nationale de la Recherche) IRINA (SImulation et maîtRise des rIsques en coNception des mAchines tournantes) et en particulier entre le LaMCoS (LAboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures) de l'INSA de Lyon et le département AMA (Analyses Mécaniques et Acoustiques) d'EDF R et D à Clamart. Elle a pour objectif de mettre au point une technique rapide de simulation du comportement des lignes d'arbres de machines tournantes en cas de présence de non linéarité de type contact entre rotor et stator. Pour atteindre cet objectif, une double démarche a été mise en place. La première consiste à mettre au point des modèles simplifiés afin de réduire le nombre de degrés de liberté du problème. De surcroît, une technique de réduction de modèle adaptée au cas de non linéarité localisée est utilisée afin de réduire encore plus la taille du système à résoudre. La seconde démarche consiste à mettre au point une technique de résolution rapide du système réduit afin d'obtenir la solution encore plus rapidement. Pour cela, au lieu d'utiliser les traditionnelles techniques d'intégration temporelle directe, c'est la méthode de la balance harmonique qui est mise à profit. Cette technique permet d'obtenir directement la réponse stabilisée du système grâce à une résolution des équations dans le domaine fréquentiel. Dans ce cadre, une maquette numérique a été mise au point mettant en oeuvre les fonctionnalités citées. Cette dernière permet de reproduire les phénomènes physiques périodiques ainsi que quasi-périodiques et de déterminer leur stabilité. Des études paramétriques sur des exemples de problèmes de contact rotor-stator viennent illustrer cette démarche. Enfin, une application sur un cas industriel de groupe turbo alternateur EDF est présentée. / Power plants turbo-generator sets are large rotating machines of more than 50 meters long and weight several hundred tons. During normal operation of such a machine, there is a nonzero probability of an accidental disconnection of a blade. In such a situation, a significant imbalance is generated and contact may occur between the rotating and non-rotating parts. It is therefore essential to be able to effectively simulate the dynamics of this type of event involving strong nonlinearities in the system. This PhD was conducted within the framework of the ANR (Agence Nationale de la Recherche) IRINA (Simulation and risk control in rotating machinery design) and in particular between the LaMCoS (LAboratory of Contact Mechanics and Structures) of the INSA Lyon and the AMA department (Mechanical and Acoustic Analysis) at EDF R and D in Clamart. It aims to develop a fast technique for simulating the behavior of shafts of rotating machinery in case of presence of non-linearity of contact between rotor and stator. To achieve this goal, a dual approach was implemented. The first is to develop simplified models to reduce the number of degrees of freedom of the problem. In addition, a model reduction technique suitable for the case of localized nonlinearity is used to further reduce the size of the system to be solved. The second approach is to develop a technique for efficient resolution of the reduced system to obtain the solution more quickly. To do this, instead of using the traditional direct temporal integration techniques, the harmonic balance method is put to use. This technique allows to directly obtain the stabilized response of the system thanks to a resolution of the equations in the frequency domain. In this context, a numerical model has been developed to implement the features mentioned. The latter allows to reproduce the physical periodic and quasi-periodic phenomena and to determine their stability. Parametric studies of examples of problems of rotor-stator contact will illustrate this approach. Finally, an application on an industrial case of turbo generator EDF is presented.

Devant la forte demande mondiale en énergie électrique, les alternateurs à diodes tournantes constituent une solution largement répandue dans les installations de génération d’électricité de fortes puissances (hydraulique, fossile et éolien) ainsi que dans les applications îlotées sous forme de groupes électrogènes ou de petits alternateurs intégrés dans les systèmes embarqués. La renommée de ce type d’alternateur s’est construite sur leurs robustes constitutions mécanique et électrique et sur leur parfaite adaptabilité au type de charge alimentée. Néanmoins, l’utilisation de ces machines dans des conditions de fonctionnement très contraignantes, que cela soit à cause des fortes puissances demandées par les applications industrielles ou des contraintes environnementales dans lesquelles travaillent les alternateurs isolés, engendre une recrudescence de défauts, principalement de types électriques, à l’intérieur du système. L’apparition de ces défaillances est extrêmement délétère pour des applications à haut niveau de service et dont un arrêt intempestif peut engendrer des coûts de maintenance et d’immobilisation très élevés pour les opérateurs. Devant la nécessité de planifier de façon optimisée les opérations de maintenance à effectuer sur les alternateurs, il est possible de mettre en place des stratégies de diagnostic qui surveillent l’apparition des principales défaillances susceptibles de toucher ce type de machine. Bien que les modifications imprévisibles du point de fonctionnement liées à la charge compliquent la tâche, il est envisageable de mettre en lumière la présence de défauts de court-circuit dans les bobinages ainsi que des défaillances de diodes dans le pont redresseur triphasé en étudiant les modifications des formes d’ondes des signaux électriques générés. Ce travail est décrit dans la présente thèse. Face au manque d’antécédents sur le sujet, une grande partie des recherches s’est focalisée sur la conception et la mise en place d’un modèle numérique d’alternateur à diodes tournantes représentatif des formes d’ondes réelles en régimes sain et défaillant, tache non triviale étant donné le caractère saillant des pôles de l’alternateur. Pour répondre à ces attentes, un processus original de co-simulation a été mis en place présentant une identification des inductances de l’alternateur sous Flux2D et une estimation numérique des équations différentielles du système sous Matlab. Cette modélisation fiable a par la suite permis une sélection d’indicateurs de diagnostic par analyse fréquentielle des signaux électriques qui sont capables, sans ajout de capteurs supplémentaires, d’informer l’utilisateur sur la présence de défauts à l’intérieur du système. Afin de s’assurer une bonne compréhension des phénomènes, un grand soin a été apporté à la justification théorique des modifications spectrales introduites par les défauts dans les signaux électriques. Une importante campagne d’essais expérimentaux a permis la validation des modèles sain et défaillant grâce à la réalisation, par la société Nidec Leroy- Somer, d’un alternateur capable de simuler des défauts de court-circuit inter-spires stator. Ces essais ont mis au jour la possibilité de détecter les défauts dans de nombreuses configurations de court-circuit, mais également la difficulté de les prévoir de façon anticipée, ouvrant par là même de nombreuses perspectives de recherche. / Considering human.s huge needs in electrical energy, power alternators equipped with integrated rotating rectifiers represent a widely used solution. Indeed, this type of generator equips most of the industrial electrical power plants (hydro, fossil and wind) as well as isolated applications in the form of Diesel generators or onboard alternators. Due to their robustness and their electrical adaptability, power alternators have acquired a solid reputation and are therefore considered as an obvious solution when dealing with energy production activities. Nonetheless, the hard conditions to which they are constrained imply a dramatic deterioration of their mechanical and electrical components that can lead to serious damages, such as the loss of diodes or the emergence of short-circuits in the alternator.s coils. Such damages can make it impossible for the alternator either to fully deliver the expected power or to simply continue being operated, engendering in both cases a forced outage of the alternator and impacting dramatically the maintenance and exploitation costs. In order to avoid such issues, a setting up of diagnostic methods has been considered in this work. Even though the modifications of the electrical load is a big matter proper to electrical generation applications, a diagnostic method consisting in the monitoring of electrical signal spectra may be undertaken and can inform the user about the apparition of unintended faults. Due to the lack of knowledge on the electrical malfunctions of this kind of alternator, a great part of the thesis has been dedicated to the numerical modelling of the complete system, in healthy as well as in faulty operating conditions. Because of the salience of the rotor poles, an accurate representation of the alternator.s inductances constitutes a key point of a faithful simulation of the signals. waveforms. To offer a more convenient model, an original co-simulation process between Flux2D and Matlab has been developed. It is composed of an easy-to-use numerical model based on differential equations developed in Matlab and conserves the inductances accuracy thanks to an identification with the finite elements in Flux2D. This model could then be used to develop a diagnostic methodology based on the surveillance of several spectral components specific to different electrical signals. These components have proven themselves sensitive to the fault and offer by the way a clear view of the state of health of the system. Furthermore, a theoretical study has been undertaken to demonstrate the modifications of the fault indicators created by the occurrence of an electrical fault. In addition, a thorough test campaign has been realised in order to confirm the validity of both the numerical models and the diagnostic methodology. This campaign has become feasible thanks to the development of a special 27kVA alternator by Nidec Leroy-Somer, in which additional plugs have been inserted to give access to different turns of a stator coil, and thus to enable the realisation of stator inter-turn short-circuits. The campaign has brought valuable information about the opportunities to detect a short-circuit in a primitive phase and let the doors open to further researches in this domain.