Dans une automobile, les composants électriques sont alimentés par un type de générateur électrique particulier : l’Alternateur. Entraîné par le moteur du véhicule, il lui prélève donc de la puissance mécanique. Dans les périodes de chasse au gramme de CO2 que nous connaissons, la puissance prélevée au moteur doit être minimisée pour ne pas pénaliser sa consommation. Or les besoins électriques du réseau de bord et des systèmes (éclairage, ventilation, servitudes, contrôle moteur, etc.) sont imposés par l’équipement du véhicule. Il est apparu que dans les cas où l’alternateur est fortement sollicité, des pertes de performances peuvent être imputées au circuit d’excitation de la machine. Il comporte deux contacts électriques glissants balai-bague qui ont été incriminés. Du point de vue théorique aucun élément ne permettait d’expliquer les augmentations brutales de résistance de ces contacts, nous avons donc développé une méthode de mesure originale destinée à rechercher des paramètres influents sur leurs variations. Il nous a été impossible de faire une mesure de l’épaisseur film de transfert et d’identifier les quantités de graphite, nature et quantité des oxydes en présence dans le film. Cependant, nous avons estimé la pertinence de l’hypothèse du rôle de l’oxydation et avons surtout pu isoler le rôle du film de transfert dans l’expression des résistances de contact. Nous avons, de plus, mis en évidence la corrélation existant entre les résistances de contact et le coefficient de frottement pour les deux contacts. / The Alternator is an electrical generator especially designed to supply current to the vehicle electrical components. It is powered by the engine and takes off a part of its power. Currently, car makers are more than willing to minimize the power losses of this device in order to save fuel and reduce CO2 emissions, but the electrical need depend only on the vehicle equipment and use. Sometimes when the alternator runs at full load, the performance could be diminished by unpredictable resistance changes in the electrical sliding contacts of the excitation circuit. There was no theory capable of explaining these phenomena. The analysis limits were the impossibility to measure transfer film thickness and to determine the amount of graphite and the nature and volume of oxides into the film. We developed an experimental method adapted to contact resistance and friction measurements with the aim to find influencing parameters. A dedicated software has been created to extract data from these measurements. We appreciated the relevancy of oxidation hypothesis and we added a study on transfer film, gauging its contribution to contact resistance. Moreover we found a significant correlation between contact resistance and friction, meaning that there are some influent hidden parameters between brush and disc/ring.

Dans une automobile, les composants électriques sont alimentés par un type de générateur électrique particulier : l'Alternateur. Entraîné par le moteur du véhicule, il lui prélève donc de la puissance mécanique. Dans les périodes de chasse au gramme de CO2 que nous connaissons, la puissance prélevée au moteur doit être minimisée pour ne pas pénaliser sa consommation. Or les besoins électriques du réseau de bord et des systèmes (éclairage, ventilation, servitudes, contrôle moteur, etc.) sont imposés par l'équipement du véhicule. Il est apparu que dans les cas où l'alternateur est fortement sollicité, des pertes de performances peuvent être imputées au circuit d'excitation de la machine. Il comporte deux contacts électriques glissants balai-bague qui ont été incriminés. Du point de vue théorique aucun élément ne permettait d'expliquer les augmentations brutales de résistance de ces contacts, nous avons donc développé une méthode de mesure originale destinée à rechercher des paramètres influents sur leurs variations. Il nous a été impossible de faire une mesure de l'épaisseur film de transfert et d'identifier les quantités de graphite, nature et quantité des oxydes en présence dans le film. Cependant, nous avons estimé la pertinence de l'hypothèse du rôle de l'oxydation et avons surtout pu isoler le rôle du film de transfert dans l'expression des résistances de contact. Nous avons, de plus, mis en évidence la corrélation existant entre les résistances de contact et le coefficient de frottement pour les deux contacts.

Les balais de démarreurs utilisent un mélange de graphite et de cuivre pour assurer la transmission du courant électrique dans un contact glissant. La densité de courant qu'ils subissent peut atteindre 300A et la vitesse de glissement 20m/s. Ces contraintes très sévères entrainent une usure rapide de ces balais. La conséquence directe est un nombre de cycles insuffisant face au nombre accru demandé par les consommateurs, notamment avec l'introduction de la fonctionnalité stop-start qui augmentent d'une façon brutale le nombre de démarrage d'un démarreur. Le but de la thèse est de comprendre le mécanisme d'usure de ces balais métal-graphite via la modélisation numérique et des essais expérimentaux réalisés sur un banc tribomètre. La compréhension passe au niveau général d'un milieu continu homogène discrétisé par des éléments discrets jusqu'à un mélange d'élément entre cuivre et graphite, pour avoir une appréciation plus approfondie du mode d'usure notamment concernant les deux éléments présents cuivre et graphite, en essayant de chercher une composition optimale. / We study the tribological behavior of brush-commutator contact for electrical starters. Such contact composed of metal-graphite brushes and a copper commutator is under extremely severe electrical and mechanical sollicitations during starting cycles. The direct impact of this is an insufficient number of cycles for stop-start applications before failure. Our goal is to study the effect of electrical current on the tribological behavior of the contact system using enhanced Discrete Element Method. The mechanical, electrical and thermal behaviors are computed for a elementary representative volume of contact system. The simulation results showed the impact of Joule heating on tribological behavior of contact accelerate the wear process of contact, suggesting a better brush material with better electrical conductivity, leading to the study of the impact of metal content on tribological behavior of contact, since metal elements can improve significantly the electrical conductivity of brush material.

Les travaux de thèse présentent une étude comparative d'actionneurs électromécaniques à course limitée régulant la position d'un obturateur dans une boucle d'air d'un moteur thermique. Les normes européennes sur la limitation des rejets polluants imposent de nouveaux besoins sur les performances dynamiques et mécaniques des actionneurs. Un état de l'art sur la boucle d'air des moteurs thermiques montre que deux topologies d'actionnements sont devenus majoritaires : l'une se compose d'un moteur à courant continu (MCC) à balais et d'une transmission de puissance par engrenage, l'autre est une machine sans balais à entraînement direct sur l'obturateur. La description de ces topologies montre une approche multiphysique utilisant la mécanique, l'électricité, le magnétisme, la thermique et l'automatique. À l'aide d'un cahier des charges, quatre architectures magnétiques de machines à entraînement direct ont été modélisées et optimisées en régime linéaire. Chaque machine est constituée d'aimants permanents au rotor et d'un circuit magnétique à dents polaires bobinées. De ces quatre machines, une d'entre elles est choisie sur le critère de la performance de couple par unité de volume en vu d'être optimiser sur le critère de la consommation minimale de l'énergie électrique. Pour jauger des résultats obtenus, la topologie MCC avec un réducteur à engrenage à deux étages de réduction est paramétrée et optimisée avec les mêmes contraintes et le même objectif. Les méthodes présentées associent les contraintes physiques et dynamiques sur le dimensionnement de l'actionneur et évoluent vers une optimisation de l'ensemble actionneur, électronique de puissance et loi de commande.

Les travaux de thèse présentent une étude comparative d'actionneurs électromécaniques à course limitée régulant la position d'un obturateur dans une boucle d'air d'un moteur thermique. Les normes européennes sur la limitation des rejets polluants imposent de nouveaux besoins sur les performances dynamiques et mécaniques des actionneurs. Un état de l’art sur la boucle d’air des moteurs thermiques montre que deux topologies d'actionnements sont devenus majoritaires : l’une se compose d’un moteur à courant continu (MCC) à balais et d’une transmission de puissance par engrenage, l’autre est une machine sans balais à entraînement direct sur l’obturateur. La description de ces topologies montre une approche multiphysique utilisant la mécanique, l’électricité, le magnétisme, la thermique et l’automatique. À l'aide d'un cahier des charges, quatre architectures magnétiques de machines à entraînement direct ont été modélisées et optimisées en régime linéaire. Chaque machine est constituée d’aimants permanents au rotor et d’un circuit magnétique à dents polaires bobinées. De ces quatre machines, une d'entre elles est choisie sur le critère de la performance de couple par unité de volume en vu d'être optimiser sur le critère de la consommation minimale de l'énergie électrique. Pour jauger des résultats obtenus, la topologie MCC avec un réducteur à engrenage à deux étages de réduction est paramétrée et optimisée avec les mêmes contraintes et le même objectif. Les méthodes présentées associent les contraintes physiques et dynamiques sur le dimensionnement de l'actionneur et évoluent vers une optimisation de l'ensemble actionneur, électronique de puissance et loi de commande. / The present work deals with the development of limited motion actuators dedicated to the air flow regulation of internal combustion engines. Because of the recent European Standard applied to car manufacturers, new conceptions of internal combustion engines need a new air flow management such as the low pressure exhaust gas recirculation. According to a state of art on electromechanical actuators that manage the combustive flow, there are mainly two electric topologies for rotary movements: the first one is an indirect drive which is composed of a brushed DC motor associated with a reduction spur gear set, the second one is a direct drive with a brushless DC motor. The topologic analysis carried out in order to design these actuators is based on a multi-physics approach involving mechanical, electrical, magnetic, thermal behaviours and control laws. With requirements, four magnetic topologies have been modelized in linear behaviour and optimized to minimize the external volume. Each actuator is composed of two bipolar permanent magnets on the rotor and two polar teeth on the magnetic core. With an attractive criteria per volume unit torque for a limited stroke application, one of them is chosen to minimize the electrical energy consumption. In order to compare the results of this optimized actuator, a brushed motor and a two reduction stage gear set are modelized and optimized with the aim of minimizing the energy consumption with the same required performances. This approach associates physical and dynamical constraints on actuator designs and contributes to realize a global optimization of machine, power electronics and control law.

Cette thèse traite de la modélisation, conception, optimisation ainsi que de la validation expérimentale d'une machine à reluctance variable à double alimentation (BDFRM-Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine) destinée aux éoliennes. La BDFRM est notamment considérée comme une alternative viable à la Machine Asynchrone à Double Alimentation (MASDA) dans les systèmes éoliens à vitesse variable. Elle maintient les avantages de coût de la MASDA tout en permettant l'utilisation d'un convertisseur de puissance réduit ainsi que la diminution des coûts d'entretien en raison de son fonctionnement sans balais. Une revue de la littérature fait apparaitre un manque de recherches concernant la définition de procédures de conception pour rendre cette machine plus populaire en général, et dans l'éolien en particulier. L'objectif principal de cette thèse est de contribuer à la maîtrise du processus de conception optimale de la BDFRM en proposant une approche méthodologique basée sur différents niveaux de modélisation et sur l'optimisation. Elle examine comment l'optimisation pourrait être appliquée à toutes les étapes de développement avec des objectifs distincts à évaluer. Plus précisément, elle se focalise sur la définition du problème d'optimisation sous contraintes et sur sa solution itérative en utilisant un algorithme déterministe couplé à des modèles semi-analytiques de différents niveaux. Les activités effectuées au cours de cette thèse peuvent être divisées en cinq parties principales. La première se réfère à l'étude de la BDFRM et de son principe de fonctionnement dans le contexte de l'énergie éolienne. La seconde partie examine les aspects de modélisation électromagnétique de la BDFRM en utilisant différentes approches. Deux modèles orientés pour l'optimisation ont été développés: le Modèle Semi-Analytique (SAM-Semi Analytical Model ) et le modèle multistatique de réseau de reluctances (MSRN-Multi-Static Reluctance Network). La mise en œuvre des modèles axés sur l'optimisation déterministe et leurs vérifications par des simulations utilisant la méthode des éléments finis (MEF) constituent la troisième partie. Il est possible de conclure qu'à partir des résultats de simulation que le SAM a un niveau de précision limité et qu'il est alors recommandé de l'utiliser dans les étapes de prédimensionnement, où le concepteur est plus intéressé par l'acquisition de résultats avec des temps de calcul rapides que par l'obtention d'une plus grande précision. Le MSRN, au contraire, présente des résultats d'une précision remarquable par rapport à la MEF, ce qui donne un compromis très intéressant entre précision et temps de calcul. Cette thèse a permis aussi de spécifier et réaliser un prototype de BDFRM en utilisant une approche d'optimisation présenté en quatrième partie. Ensuite, les données expérimentales obtenues à partir du prototype ont été confrontées aux résultats de la simulation pour valider les modèles, mettant l'accent sur le processus de modulation de flux par le rotor à réluctance, en particulier l'inductance mutuelle entre les enroulements. Bien que les résultats soient dans un sens satisfaisant pour la validation des modèles, il y a des différences qui ont exigés un examen plus approfondie. Une discussion sur les hypothèses les plus probables a donc été effectuée, celle-ci a souligné le rôle important du processus de fabrication de la machine sur ses performances. La cinquième partie explore à travers une étude de cas l'utilisation de la procédure de conception de la BDFRM proposée dans cette thèse pour les éoliennes. En conclusion générale, on peut affirmer que la BDFRM est potentiellement une bonne candidate pour être utilisée dans les systèmes éoliens. Toutefois, les aspects techniques et économiques sur ce choix doivent être encore évalués, en analysant et en comparant la solution globale du système dans le même cadre de recherche avec d'autres solutions alternatives. / This thesis addresses the modeling, design and optimization with experimental validation of the Brushless Doubly-Fed Reluctance Machine (BDFRM) for wind power systems. The BDFRM is being considered as a viable alternative to the Doubly Fed Induction Machine (DFIG) in variable speed wind energy conversion systems. It keeps the cost advantages of the DFIG by allowing the use of a fractionally rated power converter and it has the advantage of reduced maintenance costs due to its brushless operation. A literature review shows that there is still a lack of researches to define a design procedure to make this machine widely used in general and in such application in particular. The main goal of this thesis is to contribute on mastering the BDFRM optimized design by proposing a methodological approach based on different modeling levels and on optimization. It discusses how optimization could be applied in all development stages with distinct objectives to be assessed. More precisely, it draws its attention on setting the optimization problem and on the iterative solution of a constrained inputs/outputs problem by using a deterministic algorithm coupled to analytical-based modeling levels. The activities performed during this thesis can be divided in five main topics. The first refers to the study of the BDFRM and its operating principles in the context of wind power. The second discusses the BDFRM electromagnetic modeling aspects using different approaches. Two optimization-oriented models have been developed: the Semi-Analytical Model (SAM) and the Multi-Static Reluctance Network model (MSRN). The implementation of the models focusing on deterministic optimization and their verification through simulations using Finite Element Analysis (FEA) are considered the third topic. It can be concluded from the simulation results that the SAM has a limited accuracy level and it is recommended to be used in early design stages, where the designer is most interested in fast computation times to test many design variation than in obtaining the results with the highest possible accuracy. The MSRN, on the contrary, presents remarkably precise results when compared to FEA, yielding a very interesting trade-off among accuracy and computation time. This thesis has also allowed to specify and realize a BDFRM prototype using an optimization approach, presented in the fourth part. Then, the experimental data obtained from the prototype has been confronted to the simulation results to validate the models, focusing on the investigation of the flux modulation process by the reluctance rotor, especially the mutual inductance among the windings. Although the results were in a sense satisfactory to validate the models, there have been differences that demanded further investigation. A discussion on the most likely hypothesis for that has been performed, indicating the significant role of the manufacturing process on machine performance. The fifth topic explores through a case study the use of the proposed BDFRM design procedure for wind power applications. As a general conclusion, it can be stated that the BDFRM is potentially a good candidate to be used in wind power systems. However, the technical and economic aspects on this choice must be still assessed, analyzing and comparing the overall system solution of distinct topologies within the same framework. / Esta tese aborda a modelagem, o projeto e a otimização, com validaçãoexperimental, de máquinas de relutância duplamente alimentadas sem escovas (BDFRM)para sistemas de geração de energia eólica.A BDFRM é considerada como uma alternativa viável para o gerador de indução duplamentealimentado (DFIG) em sistemas de geração de energia eólica com variação develocidade. Ela mantém as vantagens de custo da solução com o DFIG, permitindo autilização de um conversor de frequência de potência nominal reduzida, e tem a vantagemadicional de custos de manutenção mais baixos devido a sua operação sem escovas. Umarevisão da literatura evidencia que ainda há uma necessidade de pesquisas na área parade_nir um procedimento de projeto desta máquina para torná-la amplamente utilizada emaplicações em geral e, em particular, para geração eólica.O objetivo principal desta tese é de contribuir para o domínio de técnicas de projetootimizado para a BDFRM através da proposição de uma metodologia baseada em diferentesníveis de modelagem e em otimização. Discute-se como técnicas de otimização podem seraplicadas em todas as fases de desenvolvimento com objetivos distintos. Especi_camente,a metodologia proposta se concentra na de_nição e na solução iterativa de problemas deotimização com restrições nas saídas utilizando um algoritmo determinístico acoplado amodelos semi-analíticos de diferentes níveis.As atividades realizadas durante esta tese podem ser divididas em cinco tópicos principais.O primeiro refere-se ao estudo da BDFRM e seu princípio de funcionamento no contextode geração de energia eólica. O segundo trata dos aspectos de modelagem eletromagnética da BDFRM utilizando diferentes abordagens. Dois modelos orientados à otimizaçãoforam desenvolvidos: o modelo semi-analítico (SAM) e o modelo multi-estático de redes derelutâncias (MSRN). A implementação dos modelos com foco na otimização e a veri_caçãodeles através de simulações com o método de elementos _nitos (FEA) são consideradas aterceira parte. Pode-se concluir, a partir dos resultados de simulação, que o SAM tem umaprecisão limitada e é recomendado para ser utilizado em estágios iniciais de projeto, emque o projetista está mais interessado em cálculos rápidos para testar diversas variações deprojeto do que na obtenção de resultados com a maior precisão possível. O MSRN, ao contrário, apresenta resultados precisos quando comparado aos obtidos com o FEA, resultandonum interessante custo-benefício entre precisão e tempo de cálculo. Nesta tese, fabricou-setambém um protótipo da BDFRM, o qual foi especi_cado utilizando-se otimização e osdetalhes sobre ele são introduzidos na quarta parte. Os dados experimentais obtidos com oprotótipo foram confrontados com os resultados de simulação para validação dos modelos,focando-se na investigação do processo de modulação de _uxo pelo rotor relutância, especialmentea indutância mútua entre os enrolamentos. Embora os resultados obtidos sejamsatisfatórios para validar os modelos, encontraram-se diferenças que exigiram uma investigação mais detalhada. As hipóteses mais prováveis foram investigadas e as conclusõesindicam o papel determinante do processo de fabricação no desempenho da máquina. Oquinto tópico explora através de um estudo de caso a utilização do procedimento de projetoproposto da BDFRM para aplicações de geração de energia eólica.Como conclusão geral, pode-se a_rmar que a BDFRM é potencialmente uma boa candidatapara ser utilizada em sistemas de geração de energia eólica. Contudo, aspectostécnicos e econômicos sobre essa escolha devem ainda ser avaliados, comparando-se asdiferentes topologias existentes sob o mesmo enfoque metodológico.