Ce travail permet, d'une part, de mieux appréhender l'étude du bruit magnétique des machines asynchrones et, d'autre part, de présenter une méthode permettant de le réduire en injectant un faible courant harmonique.<br />Le premier chapitre expose le phénomène, fait une synthèse des relations mécaniques et acoustiques existantes et les confronte avec des expériences pratiques.<br />Une méthode de calcul des harmoniques d'induction présents dans l'entrefer est développée dans le deuxième chapitre, ils sont responsables des forces de Maxwell à l'origine du bruit. Les relations obtenues sont valables pour un moteur à rotor bobiné ou à cage et permettent la détermination des harmoniques de courant rotorique et statorique. Elles sont comparées à celles données par d'autres auteurs qui négligent certains termes.<br />Les applications numériques présentées dans le troisième chapitre soulignent l'importance d'un phénomène qualifié de résonance de denture, responsable de courants rotoriques harmoniques importants et de bruit magnétique. Elles montrent également la validité de la théorie en comparant les résultats aux relevés pratiques.<br />Le dernier chapitre expose le principe de réduction active du bruit magnétique. Il consiste à injecter un faible courant harmonique créant une force qui s'oppose à celle à l'origine du bruit. Plusieurs montages sont proposés, permettant l'injection d'un courant supplémentaire dans une machine alimentée par le réseau. L'étude expérimentale permet de valider le procédé.

Cette thèse porte sur la réduction du bruit audible d'origine magnétique émis par les machines asynchrones alimentées par modulation de largeur d'impulsion (MLI), et plus particulièrement par les moteurs de traction ferroviaire. <br /><br />Dans une première partie, une vue générale des travaux de modélisation vibro-acoustique des machines asynchrones et de leurs hypothèses est donnée. L'ensemble des règles de conception silencieuse existantes est présenté, et les effets des variables de conception du moteur et de l'onduleur sur le bruit sont rapportés, ainsi que les travaux portant sur la conception optimale des machines asynchrones.<br /><br />Ensuite, un modèle analytique complet du comportement vibro-acoustique et électrique du moteur est établi (DIVA). Des résultats de simulation sont présentés et validés par éléments finis, éléments frontières ou par test. La saturation, la MLI et la charge sont pris en compte dans le modèle. <br /><br />Enfin, une description analytique exhaustive des ondes principales de force magnétique est faite. Leurs caractéristiques (fréquence, sens de propagation, nombre de nœuds, amplitude) sont validées à l'aide de spectrogrammes et de déformées opérationnelles. A partir de cette analyse, de nouvelles règles de conception silencieuse sont établies.<br />Le modèle est ensuite couplé à un algorithme d'optimisation afin de concevoir un nouveau moteur à faible bruit magnétique respectant les caractéristiques de traction spécifiées, et deux prototypes de rotor sont conçus.<br /><br />Des essais sont réalisés sur un premier prototype, et un gain de 15 dB est observé en charge et en régime MLI. Le nouveau moteur atteint le couple spécifié sans accroître les pertes ni le courant de phase.

L'effet MagnétoElectrique (ME) traduit la polarisation d'un élément diélectrique et l'aimantation d'un diélectrique lorsqu’il est soumis, respectivement, à un champ magnétique et à un champ électrique. Cette propriété a permis de mettre en œuvre des capteurs Magnéto(Elasto)Electrique pour la mesure du champ magnétique ou électrique. De nombreuses études sur les couplages de matériaux (forme, taille, dimension…) ont été effectuées afin d’améliorer les performances en terme de sensibilité et de bruit de ces capteurs. Les meilleurs niveaux de bruit (en termes de densité spectrale) mesurés pour ce type de dispositif en mode passif sont, respectivement, de 5 pT/sqrt(Hz), 0,2 pT/sqrt(Hz) et environ une cinquantaine de 50 fT/sqrt(Hz), respectivement à 1 Hz, en zone de bruit blanc et à la résonance.Certains laboratoires, dont le GREYC, s’intéressent plus particulièrement à l’étude des performances ultimes de capteurs magnétiques en optimisant, notamment, l’électronique de conditionnements et en utilisant leurs propriétés non linéaires. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre. Elle avait pour objectif l’étude des performances de capteur Magnéto(Elasto)Electrique en mode non linéaire et aux basses fréquences. Pour cela, des structures originales de conditionnent ont été développées en termes de polarisation, d’excitation et d’asservissement. L’étude théorique des performances montre que le bruit du capteur peut atteindre des niveaux bien inférieurs au pT/sqrt(Hz) à 1 Hz pour les capteurs étudiés, si les performances obtenues ne sont pas limitées par le bruit de l’électronique de conditionnement et leur sensibilité. Cette étude a été l’objet de ce travail de thèse. / The MagnetoElectric effect traduces the polarization of a dielectric element and the magnetization of a dielectric under respectively a magnetic field and an electric field. This property allows the development of Magneto(Elasto)Electric sensors for measuring a magnetic or an electric field. Several analyses regarding the material coupling (shape, size, dimensions…) have been made in order to increase the performances in terms of sensibility and in terms of noise of these sensors. The best noise levels (in term of spectral density) measured for these types of sensors are respectively 5 pT/sqrt(Hz), 0.2 pT/sqrt(Hz) and around 50 fT/sqrt(Hz) at 1 Hz, at white noise zone and at resonant frequency.Some laboratories, including the GREYC, are interested more specifically on the studies of the ultimate performances of magnetic sensor by optimizing the conditioning electronics and by using their nonlinear properties. This thesis lies in this framework. It had for objective, to study the performances of the Magneto(Elasto)Electric sensor in nonlinear mode and at low frequencies. For these, some original conditioning structures have been developed in terms of polarization, excitation and servo system. The theoretical study of these performances show the sensor intrinsic noise can reach lower than pT/sqrt(Hz) at 1 Hz for the studied sensor if the obtained performances are not limited by the conditioning electronics and their sensitivity. This study has been the object of this thesis work.

Dans un contexte comme celui des technologies aérospatiales, qui se caractérise non seulement par sa complexité, mais aussi par sa difficulté à régler les erreurs une fois que le véhicule est dans son environnement final, l’utilisation des simulateurs de satellite sur Terre pour le développement et la vérification de nouveaux systèmes offre une alternative intéressante aux simulations traditionnelles par ordinateur. Plus précisément, dans le cas de la commande d’attitude, la possibilité d’utiliser la dynamique réelle du satellite pendant les phases de conception et de développement présente des avantages tels que l’inclusion des systèmes difficiles à modéliser et la réduction du risque d’erreur et du temps de vérification. Cependant, cette technologie est encore récente et est de ce fait sujette à être améliorée afin d’offrir le meilleur scénario possible pour le développement des algorithmes de commande d’attitude de la prochaine génération de satellites. À cet effet, l’Université de Sherbrooke et la société NGC Aérospatiale Ltée. développent en partenariat le simulateur matériel de satellite LABSAT qui possède toutes les fonctionnalités d’un véhicule spatial incluant les actionneurs, capteurs, calculateurs embarqués et éléments flexibles. Le projet présenté dans ce document consiste à concevoir et mettre en œuvre sur le minisatellite LABSAT un premier système de navigation et commande permettant d’exécuter les manœuvres en orientation à partir d’une station de contrôle. À cette fin, les différents sous-systèmes du simulateur matériel ont été intégrés et des solutions en termes de calibration de capteurs, d’estimateur d’état et de systèmes de commande ont été analysées théoriquement et en simulation. Les techniques les plus appropriées ont été, par la suite, implémentées et évaluées sur le système final, dans le but de vérifier leur fonctionnement dans l’environnement réel.

Dans un contexte comme celui des technologies aérospatiales, qui se caractérise non seulement par sa complexité, mais aussi par sa difficulté à régler les erreurs une fois que le véhicule est dans son environnement final, l’utilisation des simulateurs de satellite sur Terre pour le développement et la vérification de nouveaux systèmes offre une alternative intéressante aux simulations traditionnelles par ordinateur. Plus précisément, dans le cas de la commande d’attitude, la possibilité d’utiliser la dynamique réelle du satellite pendant les phases de conception et de développement présente des avantages tels que l’inclusion des systèmes difficiles à modéliser et la réduction du risque d’erreur et du temps de vérification. Cependant, cette technologie est encore récente et est de ce fait sujette à être améliorée afin d’offrir le meilleur scénario possible pour le développement des algorithmes de commande d’attitude de la prochaine génération de satellites. À cet effet, l’Université de Sherbrooke et la société NGC Aérospatiale Ltée. développent en partenariat le simulateur matériel de satellite LABSAT qui possède toutes les fonctionnalités d’un véhicule spatial incluant les actionneurs, capteurs, calculateurs embarqués et éléments flexibles. Le projet présenté dans ce document consiste à concevoir et mettre en œuvre sur le minisatellite LABSAT un premier système de navigation et commande permettant d’exécuter les manœuvres en orientation à partir d’une station de contrôle. À cette fin, les différents sous-systèmes du simulateur matériel ont été intégrés et des solutions en termes de calibration de capteurs, d’estimateur d’état et de systèmes de commande ont été analysées théoriquement et en simulation. Les techniques les plus appropriées ont été, par la suite, implémentées et évaluées sur le système final, dans le but de vérifier leur fonctionnement dans l’environnement réel.

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

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.