Dans le domaine du véhicule électrique, la chaîne de traction allant de la batterie de stockage aux roues en passant par le moteur constitue le cœur du système. Elle bénéficie régulièrement d’innovations technologiques rendant ce véhicule de plus en plus attractif. Actuellement, les motorisations proposées par les constructeurs sont classiques, de type synchrone à rotor bobiné, à aimant permanent ou asynchrone. De conception éprouvée et dotées de lois de commande complexes et parfaitement maîtrisées, elles offrent de bonnes performances.Cependant, les industriels explorent de nouvelles motorisations moins conventionnelles permettant de réduire leur coût de fabrication, tout en maintenant les performances. Une des solutions possibles est la machine à réluctance variable à double saillance (MRVDS). En effet, elle est de conception simple et constituée de matériaux peu couteux. Son rotor complètement passif lui confère une très bonne robustesse et une vitesse de rotation élevée, nécessaire à une certaine compacité.Néanmoins, son pilotage est beaucoup plus complexe que pour les autres machines, elle est relativement bruyante et son couple présente des ondulations non négligeables.Nos travaux ont pour but de contribuer à l’amélioration des performances de la MRVDS du point de vue contrôle, caractéristiques de couple et efficacité énergétique sur une plage de vitesse importante. Ils ont alors été conduits selon deux axes : un axe commande et un axe conception.Afin de satisfaire un contrôle du couple le plus parfait possible, de nouveaux régulateurs de courant à la fois performants et relativement simples à implémenter sur cible logicielle ont été présenté dans un premier temps. Ensuite, nous avons proposé une implémentation partitionnée de la commande de la MRVDS sur cibles logicielle et matérielle. L’objectif est ici de conserver les performances de la commande dans le cas de l’utilisation d’un processeur économique, dont la période d’échantillonnage serait relativement importante, et tout particulièrement à haute vitesse. Une carte FPGA (Fied Programmable Gate Array) a alors été mise en œuvre.Pour améliorer les caractéristiques de couple en fonction de la vitesse ainsi que le rendement de l’ensemble moteur-convertisseur, une nouvelle structure de MRVDS non conventionnelle a été proposée. Elle est munie d’un bobinage auxiliaire créant une excitation magnétique dans chaque phase.Une étude a d’abord été menée à l’aide de simulations basées sur un nouveau modèle. Elle a permis de mettre en évidence les avantages d’une excitation par rapport à une MRVDS classique. Afin de valider les résultats, un prototype a ensuite été conçu, réalisé et expérimenté.Une part importante de ces travaux a ainsi été consacrée à la mise en œuvre de plateformes expérimentales et à la réalisation de nombreux essais permettant de valider les développements théoriques, tant du point de vue commande sur une MRVDS 8/6 que conception sur une MRVDS 6/4. / For electric vehicles, traction from storage battery to the wheels through the engine is the heart of the system. It regularly enjoys technological innovations making this vehicle more attractive. Currently, machines offered by manufacturers are classic, synchronous and induction machines. With complex laws, they offer good performance.However, manufacturers are exploring new unconventional machines to reduce their manufacturing cost while maintaining performance. One possible solution is the switched reluctance machine (SRM). Indeed, its design is simple and made of inexpensive materials. Its rotor completely passive gives it a very good robustness and high rotational speed required for certain compactness. However, its operation is much more complex than for other machines, it is relatively noisy and has significant torque ripple.Our work contributes to the improvement of SRM’s performance in terms of control torque characteristics and global efficiency over a large range speed. They were driven on two axes: one control axis and one design axis.To satisfy a torque control as perfect as possible, new currents controller both efficient and relatively simple to implement on software target were first presented. Then we proposed a SRM's control implementation on hardware and software targets. The objective is to maintain the performances in the case of an important sampling period, especially at high speeds. So an FPGA circuit (Fied Programmable Gate Array) was used.To improve torque characteristics depending on the speed, and global efficiency, a new SRM structure has been proposed. It is provided with an auxiliary coil creating a magnetic excitation in each phase. A study was initially conducted using simulations based on a new model. It helped to highlight the benefits of excitement compared to a conventional SRM. To validate the results, a prototype was then designed, built and tested.An important part of this work has been devoted to the implementation of experimental platforms and implementation of numerous tests to validate the theoretical developments, both in terms of control on a 8/6 SRM and design on a 6/4 SRM.

L'objectif de la thèse est la conception d'une machine électrique dédiée à des applications Mild-Hybrid. En assurant certaines fonctionnalités, cette machine permet de réduire la consommation de carburant dans le véhicule et par conséquent réduire la quantité des gaz rejetés. Les contraintes exigées par un tel domaine à la fois pour le couple et la puissance nous amène à étudier les machines synchrone polyphasée à aimants avec un bobinage concentré autour des dents. Cette technologie de bobinage permet d'obtenir des machines de rendement élevé qui sont faciles à fabriquer, réparer et recycler, mais avec un certain niveau d'effets parasites. Afin de trouver un compromis entre ces effets et la capacité à fournir de couple, la thèse concerne l'étude des topologies de bobinage à pas dentaire avec différentes combinaisons Encoches/Pôles. Un modèle analytique constituant un outil permettant de comparer les pertes d'aimants entre les différentes combinaisons est développé. De nombreuses configurations sont comparées afin de faire le choix le plus adéquat pour minimiser les effets parasites. Les topologies rotoriques qui permettent à la machine de présenter une large plage de vitesse sont examinées, mais en tenant compte également de la nécessité de protéger leurs aimants contre des harmoniques nocifs de FMM. Enfin, l'exploitation du degré de liberté offert par une structure à 5 phases est abordée montrant que, le couple peut être significativement boosté en modifiant la structure de rotor. La cohérence de toutes les études analytiques menées dans la thèse est corroborée par des modèles en éléments finis et des mesures effectuées sur un prototype. / The aim of this thesis is to design an electrical machine dedicated for Mild-Hybrid applications. By providing certain functionalities, this machine can reduce fuel consumption in the vehicle and therefore reduce the amount of released gases. The challenges imposed by such application on both torque and power lead us to study the multiphase PM machines with concentrated windings. This windings technology provides efficient machines which are easy to manufacture, repair and recycle, but accompanied with a certain level of parasitic effects. In order to find a compromise between these effects and the ability to provide torque, the thesis concerns the study of winding topologies with different Slots/Poles combinations. An analytical model constituting a tool to compare magnet losses between various combinations is developed. Many configurations are compared in order to make the most appropriate choice which minimizes parasitic effects. The rotor topologies that allow the machine to provide a wide speed range are examined, taking into account their role in magnets protection against MMF harmful harmonics. Finally, the exploitation of freedom degree offered by a 5-phases structure is discussed, showing that the torque can be significantly boosted by modifying the rotor structure. The consistency of all analytical studies presented in the thesis is corroborated by finite element models and a prototype measurement.

Une machine électrique utilisée pour un entraînement à vitesse variable est généralement alimentée par un convertisseur statique dont les composants électroniques de puissance commutent extrêmement rapidement. De ce fait, chaque enroulement statorique de la machine est soumis à des fronts raides de tension dont la répartition sur les différentes spires qui le constituent dépend notamment des capacités parasites entre spires ou entre spires et carcasse. Des zones locales de fort champ électrique apparaissent dans le bobinage conduisant souvent la création d'une activité de décharges partielles. Ce travail de thèse a pour but de fournir des informations quantifiées et précises quant aux risques encourus lorsque divers paramètres liés à l'alimentation de la machine et la topologie du bobinage varient permettant de contribuer à acquérir une expertise vis à vis des problèmes liés à l’apparition de décharges partielles au sein des bobinages, et à en déduire des règles de conception. / Electrical machine used in variable speed drives are usually fed by a converter using fast switching power electronics devices. Thus, each stator winding of the machine is subjected to steep-fronted voltage pulses whose distribution over its various turns depends on the parasitic capacitances between turns or between turns and slot walls. Therefore, local areas of high electric field appear within the coil, often resulting in partial discharges activity. This thesis aims to provide accurate and quantified information regarding partial discharge inception when various parameters related to the machine power supply and winding topology so as to help develop expertise with respect to problems related to partial discharges, as well as to deduce machine design rules in this regard.

Les Transformateurs Moyenne Fréquence (TMF) sont une technologie innovante par rapport aux transformateurs basse fréquence, avec la promesse d’une réduction de volume et d’une augmentation du rendement. Cette thèse s’intéresse en particulier à leur conception pour des applications haute tension forte puissance, telles que les réseaux haute tension et moyenne tension à courant continu, ainsi que les réseaux ferroviaires. Dans ces applications, les TMF sont utilisés au sein de convertisseurs pouvant générer des contraintes spécifiques à prendre en compte durant leur conception : signaux non-sinusoïdaux, tension de polarisation, valeurs d’inductances cibles. De plus, les choix technologiques actuellement disponibles pour la réalisation des TMF sont nombreux, et aucun de ces choix ne fait actuellement consensus quelle que soit l’application visée. Des tendances ont pu être identifiées à l’aide d’un outil de classification des designs de TMF issus de la littérature. Ainsi, les technologies les plus prometteuses ont été sélectionnées et retenues pour la suite. A partir de ces technologies, une méthodologie de conception permettant de concevoir et comparer rapidement et ce de façon semi-automatique des TMF avec différents choix technologiques a été mise en place. Elle est constituée de trois étapes : pré-design, design analytique et validation. Le design analytique complet du TMF avec différents choix technologiques est réalisé à l’aide d’un outil de conception automatisée développé durant cette thèse, que nous avons nommé SUITED (SUpergrid Institute TransformEr Design). Cette méthodologie requiert des modèles et données pour chacun des composants et phénomènes du TMF. Concernant le noyau magnétique, une revue et une sélection de modèles issus de la littérature ont été effectuées pour l’évaluation de l’inductance magnétisante et des pertes magnétiques. De plus, des caractérisations magnétiques ont permis de mettre en évidence l’impact de certains procédés technologiques sur les niveaux de pertes de noyaux magnétiques en matériau nanocristallin, qui est un excellent candidat pour les TMF. Au niveau des bobinages, des modèles analytiques pour calculer le champ magnétique, l’inductance de fuite et les effets de peau et de proximité ont été développés et comparés avec ceux de la littérature ainsi que des simulations. Ces nouveaux modèles s'avèrent obtenir une meilleure précision sur les géométries de TMF considérées que ceux de la littérature. De plus, une nouvelle méthode d’évaluation des capacités parasites de bobinages à spires rectangulaires a été mise en place et validée avec succès. Des schémas thermiques équivalents ont été identifiés pour différentes géométries de TMF. Les résistances thermiques de conduction, convection et radiation sont calculées à partir de modèles détaillés. En particulier, l’anisotropie des matériaux est prise en compte pour la conduction thermique, et les coefficients de convection sont évalués via des corrélations différentes pour chaque face du TMF. Les schémas thermiques sont ensuite résolus de façon itérative et analytique pour prendre en compte les non-linéarités des résistances thermiques tout en optimisant le temps de calcul nécessaire. Enfin, l’ensemble de la méthodologie de conception mise en place a été appliqué sur trois cas d’études correspondant à des applications cibles : haute tension, moyenne tension et ferroviaire. Les résultats obtenus montrent effectivement la performance et la nécessité de cette approche / Medium Frequency Transformers (MFT) are an innovative technology compared to low frequency transformers, with the promise of reduced volume and increased efficiency. This PhD thesis focuses in particular on their design for high voltage, high power applications, such as high voltage and medium voltage DC networks, as well as railway networks. In these applications, MFTs are used in converters that can generate specific constraints to be taken into account during their design: non-sinusoidal signals, polarization voltage, target inductance values. Moreover, the technological choices currently available for the realization of MFTs are numerous, and there is currently no consensus on any technology for any given application. Trends could be identified using a tool to classify MFT designs from the literature. Thus, the most promising technologies were selected and retained for the future. Based on these technologies, a design methodology was developed to quickly and semi-automatically design and compare MFTs with different technological choices. It consists of three steps: pre-design, analytical design, and validation. The complete analytical design of the MFT with different technological choices is carried out using an automated design tool developed during this thesis, named SUITED (SUpergrid Institute TransformEr Design). This methodology requires models and data for each of the components and phenomena of the MFT. Concerning the magnetic core, a review and selection of models from the literature were carried out for the evaluation of the magnetizing inductance and magnetic losses. In addition, magnetic characterizations have made it possible to highlight the impact of certain technological processes on the levels of loss of magnetic cores made of nanocrystalline material, which is an excellent candidate for MFTs. Concerning the windings, analytical models to calculate the magnetic field, leakage inductance and skin and proximity effects were developed and compared with those in the literature and simulations. These models are proving to be more accurate on the MFT geometries considered. On top of that, a new method for evaluating the parasitic capacitances of windings with rectangular turns has been successfully implemented and validated. Thermal networks have been identified for the different MFT geometries. The thermal resistances of conduction, convection and radiation are calculated from detailed models. In particular, the anisotropy of materials is taken into account for thermal conduction, and the convection coefficients are evaluated via different correlations for each face of the MFT. The thermal networks are then solved iteratively and analytically to take into account the non-linearity of the thermal resistances while optimizing the required computation time. Finally, this entire design methodology was applied to three case studies corresponding to the target applications: high voltage, medium voltage and rail. The results obtained do show the performance and necessity of this approach.

Cette thèse de doctorat s'inscrit dans un projet pour le développement du transport ferroviaire piloté par la société ALSTOM Transport. Il répond aux prévisions de quadruplement des déplacements interurbains et régionaux en France à l'horizon 2020 en respectant les contraintes environnementales très sévères, dont les normes restrictives du niveau de bruit émis par les trains. Une réduction importante du bruit émis par le moteur est donc nécessaire. Notre mission dans ce projet a été de développer un outil capable de prédire le bruit d'origine électromagnétique produit par les moteurs synchrones à aimants permanents, équipés d'un bobinage distribué ou concentré, et alimentés par des tensions MLI. Pour cela, un modèle multi-physique a été développé.Un couplage numérique - analytique a été mis en place pour calculer les forces magnétiques dans l'entrefer. La perméance globale d'entrefer et les inductances synchrones sont ainsi calculées grâce à des simulations éléments finis en statique, et très rapides. Un niveau de précision et de rapidité de résolution inégalé est obtenu pour le calcul des forces magnétiques. L'alimentation MLI, la perméabilité des clavettes, la saillance du rotor et l'asymétrie des dents du stator sont pris en compte. La rapidité de l'outil permet un couplage avec un superviseur d'optimisation. Deux prototypes ont été dimensionnés et fabriqués dans le but de valider le modèle multi-physique / This thesis is part of a project for the development of rail transportation piloted by ALSTOM TRANSPORT. It meets the forecasts of fourfold increase of the interurban and regional travels in France before 2020, by respecting very severe environmental requirements, among which the restrictive standards of noise level emitted by trains. An important reduction of the noise radiated by motors is required. Our mission in this project was to develop a tool capable of predicting the electromagnetic noise produced by permanent magnet synchronous motors equipped with distributed or concentrated windings, and fed by a PWM converter. For that purpose, a multi-physics model was developed.A numerical - analytical coupling was set up to calculate the airgap magnetic pressures. Global airgap permeance and synchronous inductances are thus calculated thanks to statics finite element simulations. An unequalled level of precision and speed of resolution is obtained for the computation of airgap magnetic pressures. The PWM supply, the wedge permeability, the rotor shape and the asymmetry of stator teeth are taken into account. The quickness of the resolution allows coupling our tool with an optimization supervisor. Two prototypes were designed and built in order to validate the multi-physics model

A l’heure où la distribution de l’énergie électrique reste encore en discussion pour les nouvelles générations d’avions de transports civils ou militaires, une remise en cause du niveau des tensions continues disponibles pourrait porter les bus de tension de 270Vdc à 540Vdc. De fait, les équipementiers devront proposer des produits facilement adaptables à ces deux niveaux de tension. Par ailleurs, la course au rendement nécessite de revoir les systèmes actuels en proposant des versions plus compactes, fonctionnant à des meilleurs niveaux de rendement. L’atteinte de ces objectifs peut passer par une rupture technologique qui devrait s’opérer dans le domaine de la conversion d’énergie avec l’avènement, d’une part, des composants « grand gap », d’autre part, l’exploitation de structures innovantes de convertisseurs de puissance autore configurables. Les systèmes associant plusieurs convertisseurs et plusieurs machines, appelés communément Systèmes Multi-Convertisseurs Multi-Machines (SMCMM), jouent également un rôle prépondérant grâce aux avantages qu’ils présentent tels que, la modularité, la sûreté et l’accroissement de puissance. Néanmoins, si a priori, l’innovation technologique porte sur le convertisseur statique, le rendement d’un système électromécanique alliant convertisseur et machine ne correspond pas en général au produit des rendements de chacun des composants qui le constituent. En effet, le fonctionnement global fait apparaître de nouvelles problématiques. Dans ce contexte, la ligne directrice de ces travaux de recherche porte sur une méthodologie générale et le développement d’outils qui permettent d’étudier ces systèmes dans leur globalité. L’enjeu scientifique de cette étude consiste à adapter au mieux la machine à son convertisseur, optimiser la qualité du couple (amplitude et ondulations), donc à dimensionner et optimiser une machine qui réponde non seulement à la fonction principale visée par l’application, produire un couple mécanique à une vitesse donnée, mais qui satisfasse aussi une, voire plusieurs fonctionnalités requises pour l’utilisation d’onduleurs reconfigurables en tension. Afin de constituer une palette d’outils qui permettra de développer une méthodologie générale d’analyse des SMCMM, un outil de génération et de caractérisation systématique des bobinages et des aimants permanents est développé. Ce premier outil couplé à un modèle de type champ, basé sur la résolution analytique des équations du champ magnétique, est capable de fournir les performances électromagnétiques de la machine en fonction des critères du concepteur. Ensuite, un second outil qui permet d’appliquer la théorie d’une vision de conception par l’adéquation des sources du champ dans une machine, est développé. Nous pouvons alors rechercher la possibilité de maximiser le couple en adaptant, soit les bobinages, soit les aimants permanents. Pour étendre les précédents résultats à un cas général, un problème d’optimisation est formulé. Pour cela, un problème inverse à variables mixtes, relations complexes et non linéaires, est résolu avec un algorithme de type « boîte noire ». Les travaux se focalisent ensuite sur l’intégration de la fonction coupleur magnétique, puis sur la mise en évidence des conditions de fonctionnement optimal d’une machine synchrone à aimants permanents montés en surface et à double étoile (MSAPDE), alimentée par deux convertisseurs en parallèle reconfigurables en tension à commande entrelacée. Cette démarche est une première approche concrète de l’intégration machine convertisseur. Les courants induits dans les parties conductrices de la machine en mouvement sont modélisés afin de vérifier en fonction de la fréquence, leurs effets sur la fonction de coupleur magnétique. Finalement, après des simulations numériques qui permettent d’analyser et de classifier les avantages et les inconvénients de plusieurs solutions de machines, la réalisation de deux démonstrateurs de MSAPDE à coupleur intégré est initiée. / At the moment, distribution of electrical power is still being discussed for the new generations of civil and military aircraft. Level of DC voltage available is challenging and could take voltage from 270Vdc to 540Vdc. Hence, equipment suppliers must propose products easily adaptable to these two voltage levels. Otherwise, the race for better performances requires the revision existing systems by offering more compact versions functioning at better efficiency levels. Achieving these goals may be through a technological breakthrough that should be operated in the field of energy conversion with advent of both components "high band gap", and the use of innovative structures of self-reconfigurable power converters. Systems that combine several converters and several machines, commonly called Multi-Converters Multi-Machines Systems (SMCMM), also play a prominent part thanks to their advantages such as, modularity, safety and increased power. Nevertheless, if in principle, technical innovation concerns with the static converter, the efficiency of an electromechanical system which combines machine and converter does not correspond generally to the efficiency product of each constituent component. Indeed, overall functioning reveals new problems. In this context, the guidelines for this research work focus on a general methodology and the development of tools in order to study these systems as a whole. The scientific challenge of this study consists in adapting a machine to its converter, optimizing the torque quality (amplitude and ripples), so to size and to optimize a machine that meets not only the main function covered by the application, i.e. to produce a mechanical torque at a given speed, but also satisfies one or several functionalities required for using reconfigurable voltage inverters. In order to provide a range of tools that will allow the development of a general methodology for SMCMM analysis, a tool for automatic generating and characterizing windings and permanent magnets has been developed. This first tool coupled with an analytical model of field type, based on solving equations of magnetic field, is able to provide electromagnetic performances of the machine according to the designer's criteria. A second tool which allows us to apply theory of a design vision by the field sources adequacy in a machine has been developed. Consequently, we can look for possibility to maximize torque by adapting either windings or permanent magnets. To extend previous results to a general case, an optimization problem is formulated. For this purpose, an inverse problem with mixed variables, complex and non-linear relations, is solved with a "black box" algorithm. The work focus on magnetic coupler function integration, on the identification of optimal operating conditions of a synchronous machine with surface-mounted permanent magnets (AP) and double star (MSAPDE), supplied by two reconfigurable parallel interleaved inverters. This approach is a first practical step into machineconverter integration. Eddy currents in the moving conductive parts of the machine are modeled in order to check their effects on the magnetic coupler function according to frequency. Finally, after numerical simulations which allow us to analyze and classify pros and cons of several machine solutions, the fulfillment of two MSAPDE demonstrators integrating magnetic coupler is initiated.

Le réseau électrique de bord des avions devient le principal vecteur de transmission de l'énergie utilisée en dehors de celle réservée à la propulsion. Le réseau électrique remplace progressivement les réseaux hydrauliques et aérauliques qui assurent respectivement les contrôles de vol et le confort dans la cabine des avions actuels. Pour transmettre une puissance électrique plus importante sans augmenter la masse des conducteurs, un nouveau standard a été défini, le réseau de bord des avions plus électriques sera continu et sa tension est fixée à 540V. En conséquence, les convertisseurs statiques seront systématiquement utilisés pour commander les actionneurs électriques. Des contraintes électriques nettement plus importantes seront appliquées aux bobinages des machines en plus de celles qui sont inhérente à l'aéronautique. Pour obtenir la sureté de fonctionnement requise, la surveillance du vieillissement de l'isolation des machines électriques embarquées devient indispensable. Le travail effectué dans cette thèse est centré sur la définition d’un nouvel indicateur de vieillissement de l’isolation des bobinages des machines électriques utilisées en aéronautique. Le nouvel indicateur delta-C est basé sur la corrélation entre l'augmentation de la capacité inter-spires du bobinage et la réduction des performances caractérisée principalement par la réduction du seuil d'apparition des décharges partielles. La partie expérimentale des travaux est importante; le mémoire donne les résultats des campagnes de vieillissement accéléré d'un grand nombre d'échantillons de fil émaillé standard. Ces résultats permettent de définir des seuils critiques des variations du nouvel indicateur delta-C en fonction du profil de mission de l'actionneur. Le nouvel indicateur delta-C est corrélé avec un paramètre facilement mesurable sur une machine électrique en fonctionnement qui est la fréquence de résonance du bobinage. Un outil numérique est développé pour déterminer les fréquences de résonances à surveiller en fonction de la géométrie et de la technologie du bobinage de la machine. Les prédictions des fréquences déterminées par l'outil numérique développé sont vérifiées par des mesures faites sur des bobines vieillies artificiellement. L'étude est étendue à l'influence du câble d'alimentation de la machine. Les limites de fonctionnement du système de surveillance proposé sont définies pour différentes distances entre la machine et le point de connexion des systèmes de mesure. / For modern aircrafts, the onboard electrical grid becomes the main energy transmission system apart from energy reserved for propulsion. Electrical systems are gradually replacing hydraulic and air systems providing respectively flight controls and cabin comfort in current aircrafts. To transmit higher electrical power without increasing the conductors’ masses, a new standard has been set, the grid of more electrical aircrafts will be 540 VDC. As a result, static converters will systematically be used to drive the electrical actuators. Substantially higher electrical constraints will be applied to electrical machine windings, in addition to those inherent in aeronautics. To obtain the required operational safety, the monitoring of the insulation for onboard electrical embedded machines has become indispensable. This thesis work is focused on the definition of a new aging indicator for the electrical insulation of machine used in aeronautics. The new delta-C indicator is based on the correlation between the increase in the turn-to-turn winding capacitance and reduction of performance mainly characterized by the decrease of Partial Discharge Inception Voltage (PDIV). The experimental part of this work is considerable; the thesis gives the results of accelerated aging tests on a large number of enameled wire standard samples. These results make it possible to define critical threshold for the new delta-C indicator depending on the mission profile of the actuator. The new delta-C indicator is correlated with an easily measurable parameter on an operating electrical machine, i.e. the resonance frequencies of the winding. A numerical tool was developed to determine the resonance frequencies to be monitored according to the geometry and the technology of the winding machine. The prediction frequencies determined by the developed numerical tool have been verified by measurements on artificially aged coils. The study has been extended to the influence of the supply cable of the electrical machine. The operating limits of the proposed monitoring system are defined for various distances between the electrical machine and the connection point of the measurement systems.

La thèse porte sur la caractérisation expérimentale des pertes singulières dans les matériaux magnétiques au sein d’actionneurs électromécaniques conçus pour le développement du programme « avion plus électrique », où la maîtrise des pertes d’énergie est un enjeu absolument majeur. Ce programme, de portée mondiale, vise, entre autre, à remplacer, dans l’avion, les actionneurs hydrauliques par des actionneurs électromécaniques, quand c’est possible.Par pertes singulières on entend toutes les pertes liées aux contraintes magnéto-mécano-thermiques liées d’une part à la mise en œuvre (découpe, assemblage contraint, isolation, traitement thermique...) des matériaux et d’autre part aux conditions réelles de fonctionnement (champ tournant, haute fréquence, saturations locales...) au sein des machines électriques (HV/HF), et qui sont très difficiles à estimer précisément de façon analytique ou via les dispositifs conventionnels de tests. Ces sollicitations influencent les caractéristiques de tôles qui peuvent s’éloigner significativement des données du fabricant (donc fausser le calcul des performances).Au début de cette thèse on s’est focalisé sur le montage d’un banc d’essai évolutif équipé de moyens de mesure directe du couple et d’une machine d’entraînement (8 ktr/min ; 42 kW) tarée par nos soins. Sur cette dernière une longue campagne d’essais a été menée pour isoler les différentes composantes de pertes, dont, par exemple, les pertes mécaniques (par frottement dans les roulements + aérodynamiques) qui ont été quantifiées via un rotor neutre. Les pertes dans les aimants sont indissociables des pertes fer, donc, elles ont été estimées par le biais d’une modélisation par éléments finis tridimensionnelle. Les pertes dans la frette de maintien sont nulles du fait qu’elle est isolante (thermo-rétractable). Le bobinage utilisé dans ce moteur est très particulier, à barres massives (remplissage de cuivre dans l’encoche jusqu’à 90%), développé dans notre laboratoire IES. Les pertes atypiques au sein de ce bobinage spécial ont été profondément abordées dans ces travaux (effet de refoulement de courants, pertes aux extrémités de la machine...).Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons exploré le fonctionnement des machines synchrones à aimants à haute fréquence afin d’accroître la densité de puissance de nos moteurs (pour franchir la barre de 2.5 kW/kg). Pour ce faire, après une étude détaillée, nous avons proposé en premier lieu un prototype avec des matériaux standard (stator FeCo Vacodur49 0.2mm, rotor FeSi, aimants NdFeB nuance N35EH, bobinage à barres cuivre) fonctionnant à 1666 Hz, tournant à 5000 tr/min, avec une densité de puissance de 4.5 kW/kg et un rendement de 94%. En second lieu, nous avons proposé un deuxième prototype de rendement plus faible (93%) mais qui a une densité de puissance proche de 6 kW/kg avec un rotor sans fer et un bobinage en Aluminium.Avant le montage final de ce prototype modulaire, nous avons effectué des mesures de pertes magnétiques, en conditions réelles de fonctionnement d’un moteur électrique, sur une multitude de tôles FeSi et FeCo (Vacodur49, NO20, M270-35A) avec la variation de différents procédés de fabrication: isolation (vernis thermo-collant « back-lack », vernis C5), découpe (laser, électroérosion) et traitement thermique. Pareillement, toutes les pertes mises en jeu ont été séparées (mécaniques, par courants induits dans les viroles...) pour pouvoir remonter aux pertes magnétiques et, donc, enfin, quantifier empiriquement le coefficient de majoration de pertes fer. / The main aim of this thesis was to study and experimentally assess the additional iron losses in the stator (electrical lamination steel) of high performance permanent magnet synchronous machines (PMSM) designed for aircraft applications, in relation with the “more-electric-aircraft” project. This international program consists of gradually introducing electrical systems to replace onboard hydraulic and pneumatic systems, for example to power the landing gear wheels (Electric Green Taxiing System)…The extra iron losses are caused by manufacturing processes (cutting, sticking, insulation, stacking, pressing, shrink-fitting, thermal treatment …) and the real conditions of use of electrical motor (namely: rotational flux, saturation, high frequency…). Indeed, the mechanical and thermal stresses during the manufacturing steps can deteriorate the magnetic properties of the material and significantly increase the iron losses. These aspects are difficult to accurately evaluate by analytical models or standard measurements (Epstein frame…) and require experimental assessment to precisely calculate the motor efficiency.First of all, we started by developing a test bench equipped with drive motor: PMSM 8000 RPM ; 42 kW. For accurate assessment, the losses in this machine are separated on the test bench, for example, the mechanical losses (bearings loss & windage loss) have been measured at different speed with a non-magnetic rotor. Rotor magnets eddy-current losses cannot be isolated from iron losses, for this reason they have been calculated using a 3D finite element model. To limit rotor loss we then used a non-conductive retaining sleeve (heat shrink sleeve). In the winding, we used bar-wound conductors, which is an original winding technology developed in our laboratory, and whose advantage among others is the unusual copper fill factor that reaches almost 90%.Subsequently, we explored the high frequency machines (>1 kHz) in order to increase the power-to-weight ratio (cross the threshold of 2.5 kW/kg). We proposed, the following to the analytical and finite element study, a first conventional prototype with a power-to-weight ratio equal to 4.5 kW/kg with: FeCo stator (Vacodur49 0.2 mm), FeSi rotor and NdFeB magnets (N35EH), operated at 1666 Hz, 5000 RPM and 94% efficiency at full load. A second motor had been also proposed with both rotor and winding in aluminum, in this case the power-to-weight ratio reaches around 6 kW with, however, less efficiency (93%).Finally, this HF motor was tested, at no load, on the aforementioned test bench. The experiments were carried out on a multitude of FeCo and FeSi stator core samples coming from different manufacturing processes (insulation: bonding varnish and C-5 varnish; cutting: laser and EDM “Electrical Discharge Machining”; thermal treatment) in real operating conditions of a high frequency PM machine in order to experimentally obtain the famous “additional coefficient” of iron losses (Kadd).

Le projet d'avion électrique vise à remplacer les vecteurs énergétiques que sont les fluides hydrauliques et l'air comprimé par le courant électrique et d'obtenir en conséquence une diminution significative de la consommation en carburant Dans cette thèse, nous proposons deux solutions : la première dans un souci d'accroitre la disponibilités des actionneurs électriques et la seconde pour la traction au sol (taxiage d'avion). Dans la première étude, nous nous plaçons dans le cadre d'un actionneur pour lequel il est demandé une redondance électrique. Ceci peut être le cas d'un actionneur de mode « normal », redondé par un actionneur de type secours, mais où les fiabilités cumulées ne sont pas suffisantes, et où la partie électrique et la commande du système dit normal est redondé. Nous proposons une topologie de moteur synchrone à aimants permanents à bobinage à plots à deux étoiles découplées magnétiquement et à courant de court-circuit limité. Pour les machines à plots, nous avons établi un modèle semi analytique dans le but de prédire l'amplitude de la résultante des forces radiales agissant sur le rotor de cette machine en cas de fonctionnement en modes sain et dégradé. Nous avons établi le modèle de cette machine en vue de la commande et nous avons validé expérimentalement ce principe de conception sur un prototype dimensionné au laboratoire et réalisé par une société du groupe SAFRAN. Dans la seconde étude, nous avons investigué sur l'utilisation de moteurs multi-enroulements permettant de répondre au mieux à un cahier des charges exigeant pour une application de traction d'aéronefs: le « green taxiing ». Le principe est de permettre de faire varier le coefficient de couple d'un moteur de manière à optimiser la masse du moteur mais aussi les contraintes sur le convertisseur qui l'alimente permettant d'atteindre de larges plages de vitesse. Le modèle en vue de l'alimentation a été développé et validé par une comparaison à une résolution par éléments finis en magnétodynamique / The more electrical aircraft project aims at replacing most of current power generation sources by electrical ones. Consequently this replacement might generate a significant decrease of the fuel consumption. Through this thesis we determine two electrical solutions allowing on the one hand the increase of disponibility level of the actuators and on the other handthe aircraft taxiing by electrical means. We firstly focused on electrical actuators that require electrical redundancy. A first mean to achieve this redundancy is to use two actuators. Nevertheless this solution is not relevant under the reliability constraint because the global failure rate is increased. A double star permanent magnet synchronous motor with concentrated winding is proposed in which a special care was taken to the short circuit current limitation and the magnetic decoupling between the two star winding. We established a semi-analytic model for this kind of motors to predict the amplitude of the resultant of the radial forces acting on the rotor of the machine when operating under normal and faulty operation. We established the model of the machine in order to determine the command strategy. We experimentally validated all of the design principles mentioned above through a prototype designed in the laboratory and built by one of the SAFRAN group company. We secondly investigated on the way to apply the multi winding principles to a brand new project linked to the aircraft taxiing called “green taxiing”. The goal is to obtain a motor topology that allows operating on a wide speed range thanks to the command strategy and the change of its torque coefficient. We established the model of the machine and we compared the results given by this ingenious model to the results given by a finite element resolution using a transient magnetic application

Cette thèse est dédiée à la conception optimale de la machine synchrone à rotor bobiné modulaire sans balais pour les systèmes embarqués. Cette machine est basée sur une structure POKIPOKITM développée par Mitsubishi Electric Coopération avec les convertisseurs de puissance intégrée pour augmenter la capacité de tolérance aux défauts. L'analyse électromagnétique est utilisée pour étudier les différentes machines synchrones à rotor bobiné et donc, pour sélectionner la structure qui offre la meilleure tolérance aux défauts et les performances les plus élevées. D’abord, le choix des nombres de phases, d’encoches et de pôles est un point critique. Ensuite, quelques machines sont analysées et comparées selon les critères tels que la densité de couple, le rendement, l'ondulation de couple. La machine avec 7 phases, 7 encoches et 6 pôles est alors choisie. Cette machine est ensuite comparée à la machine synchrone à aimant permanent monté en surface. Le résultat démontre que la machine synchrone à rotor bobiné modulaire sans balais possède le potentiel de remplacer la machine synchrone à aimant permanent dans notre application parce qu’elle présente des performances similaires avec une capacité de tolérance aux défauts élevée. Dans un second temps, une fois la structure 7phases/7encoches/6pôles choisie, cette machine est optimisée en utilisant NOMAD (qui est un logiciel d'optimisation de boîte noire) afin de minimiser le volume externe sous les contraintes électromagnétiques, thermiques et mécaniques. Comme ce problème d'optimisation est extrêmement difficile à résoudre, quelques relaxations ont été effectuées pour tester les différents algorithmes d'optimisation : fmincon (de Matlab) et NOMAD. Nous remarquons que NOMAD est plus efficace que fmincon pour trouver des solutions à ce problème de conception où certaines contraintes sont calculées par des simulations numériques (ANSYS Maxwell ; code éléments finis). En utilisant la méthode NOMAD basée sur l’algorithme Mesh Adaptive Direct Search, nous obtenons des résultats optimaux qui satisfont toutes les contraintes proposées. Il est nécessaire de valider ce design optimisé en vérifiant toutes les contraintes par des simulations électromagnétiques et thermiques en 3D. Les résultats montrent que le couple moyen obtenu par la simulation en 3D est inférieur à la valeur souhaitée. Par conséquent, en augmentant la longueur de la machine, une nouvelle machine corrigée est ainsi obtenue. Nous observons que les pertes de fer obtenues en 3D sont plus élevées qu'en 2D en raison du flux de fuite dans la tête de bobinage. En prenant les valeurs des pertes analysées par la simulation en 3D, la température de surface de la nouvelle machine analysée par la méthode Computational Fluid Dynamics est plus élevée que celle calculée dans l’optimisation. Enfin, un prototype de machine est construit et quelques tests expérimentaux est réalisés. Le résultat montre que la force électromotrice à vide a une forme d'onde similaire par rapport à la prédiction numérique en 3D et la différence de couple statique maximum entre les tests expérimentaux et les simulations par éléments finis en 3D est faible. / This thesis is dedicated to the design and the optimization of modular brushless wound rotor synchronous machine for embedded systems. This machine is constructed based on POKIPOKITM structure with integrated drive electronics. Finite element analysis based optimization becomes more popular in the field of electrical machine design because analytical equations are not easily formalized for the machines which have complicate structures. Using electromagnetic analysis to comparatively study different modular brushless wound rotor synchronous machines and therefore, to select the structure which offers the best fault tolerant capability and the highest output performances. Firstly, the fundamental winding factor calculated by using the method based on voltage phasors is considered as a significant criterion in order to select the numbers of phases, stator slots and poles. After that, 2D finite element numerical simulations are carried out for a set of 15 machines to analyze their performances. The simulation results are then compared to find an appropriate machine according to torque density, torque ripple and machine efficiency. The 7phase/7-slot/6-pole machine is chosen and compared with a reference design surfacemounted permanent magnet synchronous machine in order to evaluate the interesting performance features of the wound rotor synchronous machine. In the second design stage, this machine is optimized by using derivative-free optimization. The objective is to minimize external volume under electromagnetic, thermal and mechanical constraints. Given that an accurate finite element analysis for machine performance takes a long time. Moreover, considering that the average torque can be obtained by simulating the model with only four rotor positions instead of one electric period, optimization strategy is proposed to reduce computational time and therefore, obtain a fast convergence ability by defining relaxed problems which enable minimizing the external volume of the machine under only several constraints such as average torque, torque ripple and copper losses. By testing relaxed problems, two different optimization methods (NOMAD and fmincon) are compared in order to select an appropriate method for our optimization problem. Using NOMAD method based on Mesh Adaptive Direct Search, we achieve optimal results which satisfy all of the constraints proposed. In the third design stage, all constraints are validated by 3D electromagnetic and thermal simulations using finite element and computational fluid dynamics methods. The 3D results show that the average torque obtained is lower than the desired value. By increasing the length of the machine, a new corrected machine is thus obtained. It can be observed that the iron losses obtained in 3D are higher than that in 2D due to the leakage flux in the end-winding. Then, the machine temperature is analyzed by using ANSYS Fluent. Note that the surface temperature is higher than that calculated in the optimization and the coil temperature is 8.48°C higher than the desired value (105°C). However, some dissipation by the shaft and the bearings of the machine are expected to reduce the machine temperature. Finally, a machine prototype is built and some experimental tests are carried out. The results show that the electromotive force has a similar waveform compared to 3D prediction and the difference of the measured and predicted maximum static torques is small.