En chargeant en courant une inductance supraconductrice, on stock de l’énergie magnétique. Ce principe est appelé SMES pour Superconducting Magnetic Energy Storage. Ce type de dispositifs a une densité d’énergie relativement faible mais peut avoir une densité de puissance élevée. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet BOSSE, qui vise à mettre au point un démonstrateur de SMES dans la gamme du MJ. Ce SMES sera à la fois plus compacte que ses prédécesseurs et battra le record actuel d’énergie spécifique d’un bobinage supraconducteur en atteignant 20 kJ/kg. Cet objectif sera atteint grâce à l’utilisation de supraconducteurs haute température critique de seconde génération, dits conducteurs « REBCO ».Cette thèse aborde de manière générale la problématique du design de SMES et propose des éléments de réflexion et des solutions pour un pré-design rapide du bobinage d’un SMES. Le design du SMES à haute densité d’énergie du projet BOSSE est détaillé.Des éléments modulaires (galettes de ruban REBCO) du SMES ont été fabriqués et testés en champ propre et sous champ magnétique externe. Les méthodes et les résultats de détection de transition des galettes de l’état supraconducteur vers l’état normal sont présentés. Ces détections ont permis de garantir l’intégrité des galettes REBCO lors de transitions, même à très forte densité de courant (980 A/mm2 dans le conducteur nu).Ce travail est soutenu par la DGA (Direction Générale de l’Armement). / Magnetic energy is stored when a superconducting inductance is fed with current. This principle is called SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage). This kind of device has a relatively low energy density but can have a high power density. This PhD work has been conducted in the frame of the BOSSE project with the objective to develop a SMES demonstrator in the MJ range. This SMES will be especially compact and will reach a specific energy of 20 kJ/kg of winding, which is 50 % over the current world record for a superconducting coil. This performance is made possible by the use of 2nd generation high critical temperature superconductors, so-called “REBCO” conductors.This work tackles the general problematic of SMES design and proposes elements of reflection and solutions for fast pre-design of a SMES winding. The design of the high specific energy SMES of the BOSSE project is presented in detail.Modular elements (pancakes of REBCO tapes) of the SMES have been manufactured and tested in self-field and under background magnetic field. During these tests, transitions from superconducting state to normal state have been detected. These early detections have prevented the pancakes to be damaged when transitions occurred, even at very high current density (980 A/mm2 in the bare conductor). The measurement method is presented, as well as the results of the tests.The BOSSE project has been funded by the DGA (French Defence Procurement Agency).

L’émergence du concept d’un avion plus électrique implique une refonte en profondeur des réseaux embarqués. L’axe principalement développé repose sur une augmentation de la tension du réseau et un passage au bus continu. Le contrôle des actionneurs électriques embarqués passe alors par l’utilisation massive de convertisseurs électroniques qui vont imposer des fronts de tension très raides et des contraintes particulières aux enroulements des machines. Les oscillations pseudopériodiques qui suivent ces fronts raides sont à l’origine de champs électriques intenses qui peuvent dépasser le seuil d’apparition des décharges partielles (PDIV) et de ce fait provoquer une dégradation rapide des isolants classiques qui sont à base de polymères. Le travail effectué dans cette thèse est centré sur l’étude d’une nouvelle méthode de conception des bobinages permettant la réduction des problèmes de décharges partielles. Un dispositif expérimental mis au point dans ce cadre reproduit les contraintes imposées par des convertisseurs modernes et permet de mesurer les tensions inter-spires d’une bobine. L’étude expérimentale met en évidence les phénomènes àprendre en compte avec ce type d’alimentation et donne une première idée des axes d’optimisation envisageables. Un modèle prédictif capable de donner la distribution des tensions inter-spires, en réponse à un front raide de tension, aide à identifier les points critiques. Les paramètres constitutifs de ce modèle ont été déterminés en utilisant des méthodes analytiques, expérimentales et numériques. Compte tenu de la complexité du modèle, un outil numérique automatisé a été élaboré afin de simuler le modèle des bobines étudiées. Plusieurs types de bobinage ont été analysés et optimisés avec succès. Cette optimisation consiste à diminuer la tension inter-spires en agissant sur l’arrangement des fils dans les encoches. L’utilisation des bobines optimisées avec cette méthode permet d’envisager une nette amélioration de la fiabilité des machines électriques. / The emergence of the concept of a more electric aircraft requires a major overhaul of onboard grid. The main developed axis is based on an increase in the grid voltage and a switch to DC bus. In this context, the onboard electric actuators are supplied through power electronic converters that will impose very fast voltage fronts and particular constraints in the windings of the machines. The transient over-voltages that follow the steep-fronted pulses are the source of intense electric fields which may exceed the partial discharge inception voltage (PDIV) and cause a rapid deterioration of polymer based insulators. This thesis focuses on the study of a new design method of the windings in order to reduce problems of partial discharges. An experimental device developed in this framework reproduces the constraints of modern converters and allows measuring the turn-to-turn voltages of a coil. The experimental study shows the phenomena to be considered with this type of power supply and gives an idea of possible areas for optimization. A predictive model able to give the distribution of turn-to-turn voltages, in response to a steep-fronted voltage, helps to identify critical points. The constitutive parameters of this model were determined using analytical, experimental and numerical methods. Given the complexity of the model, an automated numerical tool has been developed in order to simulate the model of studied coils. Several types of coil have been analyzed and optimized successfully. This optimization consists in reducing the turn-to-turn voltages by acting on the arrangement of the wires in the slots. The use of optimized coils with this method allows envisaging a significantimprovement in the reliability of electrical machines.

Cette thèse traite de la compensation magnétique de pesanteur. Tout d’abord, des expériences de lévitation magnétique de fluides sont interprétées à l’aide d’un potentiel magnéto-gravitationnel SL. Puis, l’utilisation d’une méthode générale d’analyse de la force magnétique grâce aux harmoniques du champ magnétique est développée. Elle souligne l’importance et le rôle de chacun des trois premiers harmoniques du champ magnétique sur les configurations de forces résultantes inhérentes à la compensation magnétique de pesanteur. En géométrie cylindrique (invariante par translation) diverses combinaisons de forces d’origines magnétique, gravitationnelle et centrifuge offrent des perspectives nouvelles pour la lévitation magnétique. Une combinaison judicieuse des forces magnétiques et centrifuges permet de compenser exactement la pesanteur sur des matériaux diamagnétiques. En géométrie axisymétrique (invariante par rotation), le dimensionnement de stations de lévitation d’oxygène, techniquement réalisables (NbTi@4,2K), est présenté. Ces stations permettent de léviter des volumes d’oxygène supérieurs à 1 litre avec des inhomogénéités inférieures à 1%. La constitution de ces stations rend possible les variations spatiales et temporelles des configurations d’accélérations résultantes. Enfin, la compensation magnétique dynamique de gravité, à l’aide d’une station de lévitation réelle, est étudiée afin de simuler des phases d’accélération ou de décélération d’engins spatiaux / The thesis deals with magnetic gravity compensation. First of all magnetic levitation experiments are explained with the help of a magneto-gravitational potential SL. Next, a general analysis method of the magnetic force is developed which employs magnetic field harmonics. The method underlines both the significance and role of the first three magnetic field harmonics on the resulting forces inherent in magnetic gravity compensation. In cylindrical geometry – with translational invariance – various combination of magnetic, gravitational and centrifugal forces open new possibilities for the magnetic levitation. A suitable combination of both magnetic and centrifugal forces allows exactly compensating gravity on diamagnetic materials. In axisymmetric geometry – with rotational invariance – designs of feasible oxygen magnetic levitation stations are introduced (NbTi@4,2K). Levitation of oxygen volumes more than one litre with inhomogeneities less than 1% can be accomplished within these magnetic levitation facilities. The constitution of the stations makes possible both spatial and temporal variations of the resulting acceleration configurations. At last the dynamic magnetic compensation of gravity with a real coil system is studied so as to simulate both acceleration and deceleration of spaceships

Le travail effectué dans cette thèse a pour thème central la conception d’un aimant quadripolaire supraconducteur en Nb-Ti destiné à remplacer à l’horizon 2014 les aimants d’insertions actuellement utilisés dans le grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN de Genève. Ce nouveau quadripôle, caractérisé par un diamètre d’ouverture encore jamais atteint (120 mm), ouvre la voie vers les quadripôles à grandes ouvertures. Tout d’abord, pour rapidement estimer l’énergie magnétique stockée dans un quadripôle de type cos2?, une formule analytique basée sur la décomposition en série de Fourier du courant et permettant d’estimer l’énergie avec une précision de 10 % est développée. Le design magnétique de la section transverse de la bobine du quadripôle est ensuite réalisé en utilisant une nouvelle méthode d’optimisation basée sur les équations analytiques du champ magnétique. Puis, pour la première fois, une estimation de la reproductibilité dans le positionnement des blocs de conducteurs dans des aimants Nb3Sn est faite. Elle a été réalisée à l’aide d’une méthode existante et grâce à la production récente de deux séries d’aimants Nb3Sn. Une comparaison avec les valeurs obtenues pour des aimants en Nb-Ti est présentée. Ensuite, une méthode analytique basée sur les statistiques et permettant d’expliquer certains phénomènes observés sur la dispersion des mesures magnétiques dans une série de quadripôles est développée. Enfin, on montre que l’incertitude sur la moyenne des harmoniques de champ est due pour la majorité des harmoniques à un phénomène statistique lié au nombre limité d’aimants dans la série et non à des erreurs systématiques / The main objective of the work presented in this thesis is the design of a quadrupole magnet based on Nb-Ti. It aims at replacing the current insertion quadrupoles used in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN by 2014. This new quadrupole features an unprecedented large aperture (120 mm) and opens the way toward large aperture quadrupoles. First, to rapidly estimate the magnetic energy stored in a cos2?-type quadrupole, an analytical formula based on the Fourier transform of the current is developed. It allows estimating the energy with a precision of 10 %. Secondly, the magnetic design of the quadrupole coil cross-section is realized using a novel optimization method based on analytical equations of the magnetic field. Subsequently, for the first time, an estimate of the reproducibility in the coil-blocks positioning in Nb3Sn magnets is given. The estimate has been obtained by using an existing method and from tow recently built Nb3Sn magnet series. A comparison with values obtained for Nb-Ti magnets is also presented. Following this, an analytical method based on statistics is developed. It makes possible to explain some phenomenon observed on the dispersion of the magnetic measurement in a quadrupole series. Finally, we show that the uncertainty in the mean of the magnetic field errors is for most of the harmonics related to statistical errors due to the limited number of magnets in the series, and not because of systematic defects in the coil

De l’avion plus électrique, en passant par l’hybridation de véhicules automobiles et jusqu’aux implants cardiaques d’assistance circulatoire, la compacité est devenue le graal de l’électrotechnique embarquée moderne. En effet, la densité de puissance des systèmes électromécaniques ne cesse de s’accroitre. Ainsi, pour répondre aux besoins de forte intégration, les convertisseurs en électronique de puissance trouvent un vecteur de développement dans l’augmentation de leur température et des fréquences de fonctionnement mais aussi dans la réduction des temps de commutation des interrupteurs, leur permettant de réduire leurs pertes thermiques et ainsi, de réduire leurs besoins en refroidissement. Les moteurs et générateurs électriques évoluent avec des topologies aussi diverses qu’innovantes pour répondre aux besoins d’intégration, robustesse et sureté de fonctionnement. Particulièrement, les bobinages des moteurs sont les premiers éléments sur le front de bataille. Au sein du bobinage s’effectuent les échanges entre moteur et convertisseur. L’augmentation des contraintes fréquentielles et transitoires sous forme de fronts de courant et tension issus des ensembles d’électronique de puissance constituent des défis en termes de compatibilité électromagnétique (CEM) pour les systèmes embarqués. Le travail présenté ici est le fruit d’une étroite collaboration entre la société NOVATEM et le laboratoire Génie de Production de l’ENIT de Tarbes au travers d’un financement CIFRE, en association avec la plateforme Labceem de l’IUT de Tarbes. Il propose d’apporter des modèles prédictifs permettant de déterminer les conséquences de ces contraintes d’intégration dans les systèmes mécatroniques de puissance dès les premières étapes de leur conception. Les perturbations conduites dont la source HF est au sein des interrupteurs de puissance du convertisseur, sont façonnées par les impédances caractérisant le chemin de couplage dont le moteur fait partie intégrante. Ce travail vise à élaborer des méthodes et outils pour contribuer à l’étude prédictive de la compatibilité électromagnétique (CEM) des ensembles mécatroniques en essayant de couvrir une plage de fréquence allant de 0 à 300 MHz. Dans une première partie, un état de l’art est détaillé afin de délimiter le contexte et les frontières de l’étude. Puis, un deuxième chapitre porte sur la modélisation analytique de bobinages concentrés de moteurs électriques. Les modèles analytiques établis permettent de déterminer les paramètres de réseaux de circuits pour effectuer des simulations dans le domaine temporel et harmonique. Contrairement aux modèles comportementaux de moteurs répandus dans la littérature, les modèles ici synthétisés prennent en compte les paramètres physiques des bobinages. Ils donnent la possibilité à l’utilisateur de paramétrer les architectures de bobinages concentrés en changeant des paramètres tels que la géométrie des bobines, les matériaux d’isolation ou encore la perméabilité des culasses. Un troisième chapitre, détaille l’établissement d’une méthode rationnelle d’extraction numérique de paramètres fonctionnels et parasites des PCB multicouches de puissance. Cette méthode, de par la prise en compte de paramètres physiques, s’inscrit dans une logique générique et prédictive. Finalement, dans le dernier chapitre, les outils et méthodes précédemment établis sont appliqués à l’étude d’un système réel de motorisation de véhicule électrique développé par la société partenaire Novatem. Le caractère physique et prédictif de ces outils vise à permettre l’expérimentation virtuelle sur l’ensemble moteur-convertisseur sans la nécessité de prototypes. Ce dernier chapitre illustre l’intérêt d’une approche physique en modélisation pour la compatibilité électromagnétique de systèmes mécatroniques. / From the more electrically operated aircraft, to the hybridization of motor vehicles, all the way to electromechanic cardiac implants, compactness has become the holy grail of modern embedded electrical engineering. Indeed, the power-to-weight ratio demands for electromechanical systems has greatly increased. To meet these high integration needs, power electronic converters find a vector of development by increasing their temperature and operating frequencies but also by reducing the switching time of power switches, thus enabling them to reduce their power losses and thereby reducing their cooling requirements. Electric motors and generators operate with various innovative topologies that meet integration, robustness and reliability needs. Motor windings, particularly, are the first motor components on the battle front. It is at the heart of the winding that occur the exchanges between motor and converter. In terms of electromagnetic compatibility (EMC) for embedded systems, the increased frequency and transient stresses in the form of current and voltage edges from the power electronic assemblies are considered steep challenges. The work presented herein is the result of a close cooperation between the company Novatem and the laboratory Génie de Production of ENIT de Tarbes, through CIFRE funding, in combination with the Labceem platform of IUT of Tarbes. Its aim is to develop predictive models that will serve to determine the consequences of such integration constraints in power mechatronic systems that are in the early stages of design. Conducted disturbances whose HF source is located at the inverter power switches are shaped by the impedances characterizing the coupling path of which the electrical machine is an integral part. This work proposes to develop methods and tools to support the predictive study of electromagnetic compatibility (EMC) of mechatronic assemblies, by attempting to cover a modeling frequency range that goes from 0 to 300 MHz’s. In the first chapter of this work, a literature review is detailed for the definition of the context and boundaries of the study. A second chapter focuses on the analytical modeling of concentrated windings in electric motors. The analytical models that are established allow determination of circuit networks settings to perform time- and frequency- domain simulations. Unlike the widespread behavioral models of electrical machine in the literature, the models that are synthesized here take into account the physical parameters of the coils. The user of such models is offered the opportunity to account for the different winding architectures, by changing core parameters such as geometry, insulation materials or permeability. A third chapter describes the establishment of a rational method for extraction of functional and parasitic parameters in multilayer Power PCBs. This method being of a generic and predictive logic aims to account for physical parameters. Finally, in the last chapter, the previously established tools and methods are applied to the study of a real electric vehicle drive system developed by the company Novatem. The physical and predictive value of these tools allows for execution of virtual experimentations on the motorconverter assembly without the need for prototypes. This chapter illustrates the value of a physical approach to modeling the electromagnetic compatibility of mechatronic systems.

Le développement d’avions plus électriques se traduit par une plus grande utilisation d'actionneurs électriques qui remplacent des systèmes hydrauliques et pneumatiques existants ou répondent à de nouveaux besoins. La distribution de l'énergie à bord est basée sur un réseau continu 540V connecté à des convertisseurs électroniques de puissance. Les composants électroniques de puissance à grands gaps (SiC, GaN) améliorent les performances des convertisseurs mais les fronts de tension très raides sont imposés aux bobinages des actionneurs électriques. Chaque front excite un régime transitoire comportant une surtension importante et donc des champs électriques intenses dans l’isolation inter-spires des bobines. Lorsque cette contrainte électrique répétitive dépasse le seuil d'apparition des décharges partielles (PDIV), la durée de vie des couches organiques qui isolent les spires est fortement réduite. L'étude détaillée des décharges partielles (DP) dans l'espace qui sépare les fils émaillés des bobinages permet de situer les zones dans lesquelles les DP se produisent. Elle montre que le thermocollage, avec des surépaisseurs adaptées de thermocolle, permet d'élever le PDIV au-delà des pointes répétitives de tension pour les actionneurs qui fonctionnent dans les parties pressurisées des avions. Des solutions ordonnées de bobinages ont été expérimentées sur des bobines cylindriques imprégnées. Cette analyse montre que l'imprégnation augmente légèrement le PDIV de l'isolation inter-spires dans des proportions qui ne correspondent pas totalement aux caractéristiques intrinsèques du vernis utilisé. Par conséquent, les bobines imprégnées doivent être conçues sur la base des performances de l'isolation primaire du fil émaillé. L’arrangement des spires dans une bobine ordonnée permet de répartir les contraintes et donc de concevoir des bobines qui résistent aux pointes de tension répétitives imposées par l'onduleur aux basses pressions correspondant aux zones non pressurisées d'un avion en vol. Un modèle, basé sur un schéma équivalent HF prenant en considération les deux premières résonances des bobines élémentaires, permet d'analyser la répartition des contraintes entre les bobines connectées en série d'une phase. / The More Electric Aircraft development is reflected by a bigger use of the electrical actuators, which replace the hydraulic or pneumatic system existing or they can also answer to new needs. The energy distribution on board is based on a high voltage continuous bus of 540V connected to electrical power converter. The electric power wide band gap components (SiC, GaN) improve the converters performances but very steep of voltage edge is imposed on the windings of the electric actuators. Each edge excites a transitory regime including an important surge which corresponds to intense electric fields in the inter-turns insulation of coils. When this repetitive electrical constraint exceeds the partial discharges inception voltage (PDIV), the life time of the organic layer between the turns is strongly reduced. The detailed study of the partial discharges (PD) in the area which separate the enamel wire of the windings allows to locate the area where the PD appears. The use of thermo-bonding, with a bonding thickness adapted, allows to raise PDIV beyond the repetitive edge of voltage for the actuators which work in the pressurized parts of the planes. The orderly windings solutions were tested on impregnated cylindrical coils. This analysis shows that the impregnation increases slightly the PDIV from the inter-turns insulation in proportions that do not totally correspond to the intrinsic characteristics of the used varnish. Therefore, the impregnated coils must be conceived on the basis of the primary insulation performance of the enamelled wire. The turn’s arrangement in an orderly coil allows to distribute the constraints and so to conceive the windings which can resist the compulsory repetitive of voltage spikes by the inverter in low pressures corresponding to not pressurized zones in a plane during the flight. A model, based on HF equivalent schema taking in consideration the first two resonances of the elementary coils, allows to analyse the constraints distribution between the coils connected in series of a machine phase.

Cette thèse porte sur la conception silencieuse par démarches inverses de machines synchrones à aimants permanents dotées de bobinages dentaires. Notre travail se focalise sur l’analyse des raies de forces radiales à l’origine du bruit magnétique. En premier lieu, un modèle direct électromagnétique, nous a permis de déterminer le spectre spatio-temporel de la force radiale dans l’entrefer. Ce dernier nous offre la possibilité d’obtenir pas à pas et de manière analytique l’induction radiale dans l’entrefer, résultat du produit de la force magnétomotrice totale et de la perméance d’entrefer globale. Plusieurs machines dotées d’un bobinage dentaire et distribué ont été évaluées, comparées à des simulations par éléments finis et corroborés par une analyse modale opérationnelle sur un prototype existant au laboratoire. Puis la démarche inverse de conception est abordée par le biais de deux outils « analytiques prédictifs » donnant les origines des ordres faibles spatio-temporels de la force radiale dans l’entrefer. Enfin, la résolution du problème inverse est conduite au moyen d’une boucle itérative d’optimisation donnant parmi un échantillon de solutions, une fonction de bobinage, visant à atténuer ou supprimer une raie potentiellement risquée en termes de nuisances acoustiques / This thesis deals the quiet design by inverses approaches of synchronous machines with permanent magnets concentrated windings. Our work focuses on the analysis of magnetic noise origin of air gap radial force orders. Firstly a direct electromagnetic model allowed us to determine the spatio-temporal spectrum of air gap radial pressure. The latter offers us the possibility of obtaining step by step and in an analytical way the radial induction in the gap, result of the product of the total magnetomotive force and global air gap permeance. Several machines equipped with a concentrated winding and distributed were evaluated, compared to simulations by finite elements and corroborated by an operational deflection shape on an existing prototype in the laboratory. In the second time two inverse approaches named predictive methodology identified the radial pressure low order origin. Finally, the resolution of the inverse problem is carried out by means of an iterative optimization loop giving among a sample of solutions, a winding function, aimed at attenuating or eliminating a potential risky line in terms of acoustic nuisances.