Il s 'agit ici, de mettre en place des méthodologies de détermination des modèles électriques des machines à griffes, en régime permanent et transitoire. Une description de l'alternateur à griffes et de son principe de fonctionnement sera présentée dans le premier chapitre. Ensuite, dans le deuxième chapitre, une analyse fine sera réalisée sur les méthodes d'identification actuellement en vigueur sur les alternateurs de grande puissance en régime permanent. A l'issue de cette analyse, on adaptera ces méthodes aux alternateurs à griffes. Le troisième chapitre consistera en l'étude de la machine en régime transitoire dans le but essentiel de pouvoir évaluer les pertes fer notamment dans le rotor massif. Ceci permettra d'élaborer une méthodologie de séparations des pertes tant en essais qu'en simulations par éléments finis. Dans un quatrième chapitre nous développerons des axes d'améliorations des performances de la machine.

Ce présent ouvrage porte sur la conception d'un système récupérateur d'énergie vibratoire basé sur le phénomène magnétostrictif. Une analyse des différentes technologies de récupération vibratoire existantes est d'abord présentée et permet de démontrer le fort potentiel de la récupération énergétique par magnétostriction. Le phénomène magnétostrictif est alors décrit théoriquement et analytiquement par le biais des lois et courbes de comportement qui permettent ainsi d'extraire une zone comportementale efficace. Un générateur de récupération d'énergie vibratoire qui utilise les paramètres et limites de cette zone de comportement est ensuite conçu. Ce récupérateur est modélisé en circuit ouvert par Bond Graph et les résultats de la simulation sont validés par un modèle éléments finis via une analogie avec la piézoélectricité. Le modèle Bond Graph ainsi validé permet alors de simuler la récupération d'énergie au travers d'une charge électrique résistive qui simule la partie électrique du récupérateur. Un générateur réel est finalement conçu et usiné et ses performances expérimentales en circuit ouvert sont évaluées et comparées à celles obtenues par la modélisation. Les points d'opérations optimaux théoriques et pratiques sont différents, ces différences étant causées par une modélisation s'appuyant sur le régime statique. Malgré cela, le prototype expérimental de récupérateur magnétostrictif parvient à générer une puissance électrique moyenne d'environ 70 à 80 mW à une fréquence de 850 Hz. Ainsi, ce récupérateur est, à la connaissance de l'auteur, le premier générateur à magnétostriction à récupérer autant de puissance de manière autonome.

L'isolation des barres conductrices des grandes machines électriques tournantes, de type alternateur de puissance, est assurée par un matériau composite époxyde/tissu de verre/papier de mica. Ces isolations sont définies en fonction de leur classe thermique qui caractérise la température maximale tolérable sans détérioration majeure à long terme (au moins 20 000 h). Au cours de cette étude, il a été mis au point un dispositif expérimental permettant de réaliser un vieillissement très accéléré de ces matériaux sous pression d'oxygène et à leur température de classe (155°C et 180°C). Ce vieillis sement a été comparé à un vieillissement sous air à pression atmosphérique à la même température. Deux nouveaux matériaux ont été évalués en comparaison avec un matériau de référence. L'évolution de ces matériaux a été suivie au travers de leurs caractéristiques électriques (spectroscopie diélectrique et mesures de décharges partielles), thermo-mécaniques (Analyse Mécanique Dynamique - DMA) et des évolutions de leurs masses. L'utilisation de plusieurs dimensions et formes d'échantillon a permis de prendre en compte l'anisotropie des matériaux et de distinguer les cinétiques de dégradation selon les orientations parallèles et perpendiculaires aux plans tissus de verre/mica. Les évolutions des masses des matériaux sont bien décrites par des cinétiques d'ordre zéro et d'ordre 1. Ces modèles ont permis de proposer des durées de vie pour les trois matériaux évalués dans le contexte d'utilisation industriel et selon les critères normatifs en vigueur, aussi bien sous pression d'oxygène qu'à pression atmosphérique.

La thèse évoque les problématiques liées à la thermique des alternateurs d'automobile. En particulier, un modèle aéro-thermique est mis en place pour la machine. Les transferts thermiques de type conductif, convectif et fluidique sont caractérisés par des méthodes numériques, expérimentales ou encore issus de la bibliographie. Une comparaison avec des essais expérimentaux est proposé pour valider le modèle établi. Puis, une étude sur l'amélioration du refroidissement du stator et du rotor est présentée. Concernant le premier, le travail consiste à augmenter l'évacuation de la chaleur au niveau des têtes de bobine par modifications de paramètres géométiques (tel que la position du ventilateur). Pour le deuxième, l'étude s'est principalement focalisée sur l'augmentation du débit d'air axial et l'impact sur la thermique rotor.

Ce mémoire concerne l'étude des contraintes mécaniques et thermiques que subit l'isolation statorique des alternateurs de centrale hydraulique. La zone plus particulièrement étudiée est la partie frontale des machines. Ainsi, dans le premier chapitre, il est rappelé la structure du bobinage statorique et l'ensemble des contraintes pouvant l'affecter. Cette première partie s'achève par une présentation des systèmes de maintenance prédictive et de leurs limites actuelles. Le deuxième chapitre concerne l'étude du comportement mécanique des développantes d'un alternateur hydraulique. La prise en compte de la non-homogénéité des matériaux par des modèles linéiques et volumiques ainsi que, la géométrie de cette structure sont décrites en détail-Ces modèles sont ensuite appliqués pour analyser qualitativement les déformées modales d'une seule développante puis, de l'ensemble du bobinage. Le troisième chapitre aborde la mesure expérimentale des températures et vibrations de trois alternateurs-moteurs utilisés dans des conditions usuelles de production d'énergie électrique. A partir de plusieurs enregistrements du régime permanent, il est clairement montré que l'isolation possède des propriétés viscoélastiques. Parallèlement, l'étude des régimes transitoires (démarrages et arrêts) nous indique que : * les efforts exercés sur les développantes sont principalement d'origine électromagnétique * l'utilisation du freinage électrique lors des phases d'arrêt peut exciter des modes propres de la machine et ainsi engendrer des niveaux vibratoires très élevés Le dernier chapitre présente un banc d'essai muHicontraintes capable de reproduire, sur un fragment de conducteur, les contraintes mécaniques, thermiques et électriques observées sur un alternateur. Les choix technologiques retenus sont justifiés et illustrés par plusieurs photographies. Enfin, une méthode analytique pour déduire le niveau des contraintes mécaniques dans l'isolation est proposée et validée expérimentalement.

Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Sciences physiques. Génie électrique : Lille 1 : 2006. / N° d'ordre (Lille 1) : 555. Synthèse des travaux et articles en anglais en annexe. Curriculum vitae. Résumé. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 135-140. Liste des publications et des communications.

Les centrales hydrauliques de pompage turbinage fonctionnent principalement en utilisant des alternateurs de type synchrone évoluant à vitesse fixe. Cependant, utiliser des alternateurs à vitesse variable et, en particulier, des Machines Asynchrones à Double Alimentation (MADA) apporte des avantages non négligeables : contrôle de la puissance en mode pompe, opération au point de meilleur rendement en mode turbine et plus grande stabilité en cas de perturbation. Cette thèse a pour objectifs la progression des connaissances des phénomènes électromagnétiques régissant le fonctionnement de la MADA et d'établir une démarche en vue de son optimisation. Tout d'abord, un modèle analytique reposant en partie sur la méthode des intégrales de frontière est proposé et validé par simulations éléments finis. Ce modèle analytique prend en compte plusieurs éléments tels que la saturation du circuit magnétique, les harmoniques générés par les bobinages du stator et du rotor mais également les harmoniques dus à la forme non constante de l'entrefer. Ensuite, le modèle est appliqué à l'étude de quatre sujets d'importance pour l'ingénieur électricien : calcul des harmoniques de tension statorique à vide, calcul des pertes fer, calcul des harmoniques de couple et calcul des forces radiales électromagnétiques. Enfin une procédure de dimensionnement de la MADA reposant sur l'optimisation par algorithme génétique est décrite. Cette procédure est appliquée à la transformation d'une machine synchrone existante à pôles saillants en une MADA. Deux cas sont traités : dans un premier temps seul le rotor est remplacé tandis que le stator reste le même, dans un deuxième temps la machine est entièrement redimensionnée.

Les Stations de Transfert d’Energie par Pompage (STEP) sont des structures importantes pour stabiliser le réseau électrique.Les technologies à vitesse variable peuvent améliorer l'efficacité et la souplesse d’utilisation des STEPs. Les technologies actuelles telles que les machines alimentées en fréquence variable, ou les Machines Asynchrone à Double Alimentations (MADA) présentent des inconvénients. Dans ce travail, nous nous concentrons sur une structure non conventionnelle de machine à vitesse variable : la Machine à Induction à Double Alimentation sans Balais (BDFM). Les objectifs sont de mieux comprendre le fonctionnement de cette machine pour la dimensionner, l’optimiser et finalement la comparer aux structures existantes.Après un examen des techniques de dimensionnement et d'optimisation des machines classiques, des approches similaires sont étudiées pour les BDFM. Deux méthodes différentes pour des simulations éléments finis plus rapides de la BDFM sont présentées : une première, la plus rapide mais qui ne considère pas le phénomène de saturation et une seconde basée sur le principe des simulations magnétoharmoniques. Une analyse harmonique minutieuse combinée à une comparaison de cas en charges (couplage-croisés) entre des simulations FE et les résultats obtenus avec des schémas équivalents obtenus dans la littérature conduit à une modification du circuit équivalent de la BDFM. Une nouvelle méthode pour déterminer les paramètres de ce circuit grâce à des essais électriques est ensuite présentée. La détermination des paramètres à partir de la géométrie est également abordée pour aboutir à un modèle semi-analytique dérivable. Un tel modèle, couplé à un algorithme d'optimisation du 1er ordre pourrait être extrêmement puissant lors du dimensionnement d'une BDFM. Le potentiel d'une telle approche est montré dans ce travail grâce à l'optimisation d'une machine à induction. / Pumped-hydro storage plants (PSP) are important assets to stabilize electric grids.Variable speed technologies can improve the cycle efficiency and the power adjustability of PSPs. Current technologies such as fully-fed machines or Doubly-Fed Induction Machines (DFIM) have drawbacks. In this work, the focus will be on an unconventional design of variable speed machine: the Brushless Doubly-Fed Induction Machine (BDFM). The objectives are to better understand the working principles of this machine so as to size it, optimize it, and compare it to other types of variable speed machines.Following a review of sizing and optimization techniques for conventional machines, similar approaches are investigated for BDFMs. Two different methods for faster Finite-Element (FE) simulations of the BDFM are presented: a fast one without saturation considerations and another one based on the principle of magneto-harmonic simulations. A careful harmonic analysis combined with a comparison of cross-coupling tests between FE simulations and results of equivalent circuit found in the literature will lead to a modification of the BDFM equivalent circuit. A new method to determine the parameters of thisequivalent circuit from electrical tests is presented. The parameters determination from the geometry will also be considered for the elaboration of a derivable semi-analytical model. Such a model, paired with a 1st order optimization algorithm could be extremely powerful during the sizing of a BDFM. The potential of such an approach is shown in this work with the optimization of an Induction Machine.

Cette thèse porte sur la simulation et la réduction du bruit acoustique d’origine magnétique des alternateurs à griffes ainsi que sur la compréhension des phénomènes mis en jeu dans la génération du bruit. La structure, les différents composants et les particularités du bruit acoustique de l’alternateur à griffes sont détaillés dans la première partie. La problématique ainsi que l’approche générale de cette thèse sont ensuite exposées. Cette approche se base sur la simulation du bruit acoustique d’origine magnétique. Un état de l’art des études sur le bruit acoustique d’origine magnétique des machines électriques est présenté dans la seconde partie. Les modèles électromagnétiques, mécaniques et acoustiques utilisés pour l’étude de ces machines ainsi que les principales solutions de réduction du bruit sont exposés. Les nouvelles approches de modélisation électromagnétique et vibro-acoustique de la machine à griffes sont développées dans la troisième partie. Deux modèles électromagnétiques sont étudiés : un modèle numérique qui repose sur l’utilisation de la méthode des éléments finis et un modèle hybride qui allie le modèle numérique à un modèle analytique. Ce dernier s’appuie sur la décomposition de l’induction magnétique dans l’entrefer en un produit d’une fonction de perméance avec une fonction de force magnétomotrice. Chaque fonction prend en compte les variations axiales dues à la géométrie des griffes. Ce modèle nécessite toutefois l’utilisation d’un modèle numérique afin de prendre en compte la saturation et les forces tangentielles. Un modèle mécanique purement numérique est ensuite construit. Il permet de prendre en compte la géométrie exacte des pièces ainsi que les contacts entre les pièces. Ce modèle mécanique est développé grâce à la corrélation avec des mesures et porte principalement sur trois parties de l’alternateur : le paquet de tôles du stator, le bobinage du stator et l’assemblage stator-paliers. Enfin, les simulations acoustiques avec les modèles numériques sont comparées aux mesures et permettent de retrouver les principaux pics de bruit des alternateurs. Dans la quatrième partie, des études de sensibilités sont menées afin de déterminer les paramètres les plus influents sur le bruit acoustique d’origine magnétique des machines à griffes. Ces études montrent l’influence importante de la géométrie du rotor, du bobinage stator et de la température sur le bruit. Les modifications de la structure ainsi que les imperfections étudiées (i.e. défauts de forme et excentricité) ont une influence moindre. Les caractéristiques des forces magnétiques ainsi que les influences des forces radiales et tangentielles sont ensuite exposées. Finalement, des exemples d’optimisation du rotor sont traités avec les deux modèles électromagnétiques (numérique et hybride). Un prototype est réalisé pour valider expérimentalement les résultats des simulations et un gain de 10 dB est obtenu sur la puissance acoustique. / This thesis aims at simulating and reducing the acoustic noise due to magnetic forces of claw-pole automotive alternators. It also aims at improving the understanding of the noise generation mechanisms. In the first part, the assembly of the claw-pole alternator and its different parts are described. The particularities of the acoustic noise of the alternator are also given. Then, the problem as well as the global approach, based on the vibro-acoustic simulation, are explained. The second part is a review of the studies on the acoustic noise from a magnetic origin of electrical machines. The models used to study these machines as well as the main noise reduction solutions are detailed. In the third part, new electromagnetic and vibro-acoustic models are developed. Two electromagnetic models are considered : a finite element model and a hybrid model which couples the finite element model with an analytical model. This analytical model computes the airgap magnetic flux density as the product of a permeance and a magnetomotive force functions. Each function takes the variations of the claw-pole geometry along the axial direction into account. Saturation and tangential forces are taken into account thanks to the finite element model. Then, a finite element mechanical model is developed. Three unknown parameters of the model are determined thanks to the correlation between the model and experimental data, namely : the equivalent materials of the stator stack and the windings and the contact conditions between the stator and the brackets. Finally, acoustic simulations are compared with measurements. A good correlation is achieved between simulated and measured noise peaks. In the fourth part, sensitivity studies are carried out in order to determine the most influential parameters on the acoustic noise of claw-pole alternators. These studies show the significant influence of the claw-pole geometry, the stator windings and the temperature on the acoustic noise. Structural modifications and studied faults have a smaller influence. Characteristics of the magnetic forces as well as the influences of radial and tangential forces are then detailed. In the end, optimizations with the finite element and the hybrid models are presented. A prototype is built and acoustic measurements show a 10 dB decrease of the sound power level.

Ces travaux concernent la modélisation dynamique et la commande des alternateurs couplés dans les réseaux électriques embarqués. Ces réseaux de puissance finie sont des systèmes multi-alternateurs multi-charges en forte interaction. Deux approches de modélisation ont été élaborées. La première, en vue de la simulation, consiste à établir une méthodologie de modélisation des systèmes multi-alternateurs multi-charges. Le système est subdivisé en deux sous systèmes découplés, l'un de nature électrique et l'autre de nature mécanique. L'établissement du modèle d'état électrique global repose d'une part sur l'écriture des constituants du réseau dans un même référentiel, et d'autre part sur l'application des lois reliant les circuits électriques. Afin d'optimiser le temps de calcul, les règles d'établissement du modèle global sont enrichies et une méthode d'inversion de la matrice inductance est proposée. La deuxième, en vue de la commande, explore et compare deux modèles, l'un de type comportemental et l'autre basé sur la théorie des perturbations singulières. Les régulateurs synthétisés ont été comparés sur un simulateur élémentaire. Une ébauche sur l'apport des régulateurs à paramètres variables a été présentée. Deux bancs d'essais ont été réalisés. Le premier est de type logiciel. Il reproduit le comportement temporel du réseau à topologie variable pour divers régimes, ainsi que des phénomènes comme le couplage, le découplage et la désynchronisation. Il permet aussi de tester les algorithmes de commande et les régulateurs : tension, répartition de puissance..... Le deuxième de type expérimental, valide les approches de modélisation, de simulation et de commande proposées.