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Ce travail étudie le rôle de la densité de trous à l’équilibre sur la dynamique des charges et de la norme de l’aimantation de (Ga,Mn)As pour des densités de manganèse et d’impuretés fixées indépendamment. Des expériences « pompe-sonde » mettent en relation les dynamiques de réflectivité et d’angle de rotation Kerr. Deux relaxations sont mises en évidence. La première traduit un échauffement variable du gaz de trous entre 1ps et 100ps. La seconde traduit une diffusion-recombinaison des charges entre 100ps et 1500ps et évolue en fonction du rapport entre extension spatiale d’états d’impuretés, piégeant les électrons photo générés, et vitesse de Fermi. Pour compléter l’approche, une étude numérique de l’état fondamental des échantillons par la théorie de la fonctionnelle de la densité relie aimantation, température et densité de trous. Elle interprète la dynamique de la norme de l’aimantation à partir d’un diagramme de phase statique correspondant aux données publiées pour (Ga,Mn)As, qui est fonction de la température et de la densité de trous. Cette dynamique se ramène à celle de la réflectivité. Ceci permet de préciser les contributions de la norme et de l’orientation de l’aimantation dans le signal dynamique de rotation Kerr. / The effects of the background hole density on the charge and magnitude of the magnetization dynamics in (Ga,Mn)As grown with independently fixed manganese and impurity densities. A pump and probe experiment monitored simultaneously the reflectivity and Kerr angle dynamics. Two relaxation steps are highlighted. First the cooling down of the charge clouds between 1ps and 100ps and second the carrier’s diffusion-recombination between 100ps and 1.500 ns. The latter depends on the ratio between the spatial extent of impurity states, which trap the photo electrons, and the Fermi velocity. To complete these experimental results, a numerical study of the ground state of the samples, using a density functional theory, relates the magnitude of the magnetization, the temperature of the carriers and the density of holes. Phase diagram are computed, and compared to already published results. We show that the magnitude of the magnetization dynamics can be fully determined from the reflectivity measurements. We conclude that it is possible to distinguish the dynamics of the magnetization magnitude and direction using the Kerr angle dynamical signal.

This thesis deals with the possibility of using the finite elements method for the analysing of synchronous permanent magnets machines. The aim of this work is to discuss the possibility of the machine design more effectively with using the finite elements method and Maxwell software for the simulations. On the created parametric model, simulations were performed according to master thesis assignment. The aim of this work is to determine induced voltage, iron losses, machine inductances and make a permanent magnets demagnetization analysis. From simulations results the machine efficiency is calculated. The parametric model was used for the optimization of selected parameters. From results of optimization new dimensions of permanent magnets was obtained. Machine efficiency was increased by new permanent magnet material and optimized design.

L’avènement des aimants permanents et les progrès récents dans l’électronique de puissance ont joué un rôle majeur dans l’évolution de la motorisation électrique des véhicules. Actuellement, les machines synchrones à aimants permanents (MSAP) grâce à leurs performances, et surtout leur efficacité énergétique, sont considérées comme les candidats idéaux pour les chaînes de traction des véhicules hybrides et électriques. Toutefois, en raison du vieillissement des matériaux, des défauts de fabrication ou des conditions de fonctionnement assez sévères, différents types de défauts sont capables de survenir dans les composants de la machine, ses organes de commande ou de mesure. Pour répondre aux exigences de sûreté, de fiabilité et de disponibilité, l’intégration d’une approche de surveillance et de diagnostic de défauts, dans le groupe motopropulseur électrique automobile, devient de plus en plus primordiale. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse est de contribuer au diagnostic et à la caractérisation de défauts dans la MSAP par une analyse vibratoire. En premier temps, des approches analytiques de modélisation de la MSAP et des défauts : de court-circuit inter-spires, d’excentricité et de démagnétisation rotoriques serontproposées. L’intérêt majeur de tels modèles, dans le cadre du diagnostic, est d’étudier le comportement de la machine en présence de défauts étudiés afin d’en déduire les méthodes de détection les plus adaptées. En outre, des modèles numériques seront développés afin de les confronter aux parties magnétique et mécanique analytiques de la machine ainsi qu’au défaut de démagnétisation. Dans la phase d’analyse des impacts de défauts, nous allons nous focaliser sur les cas d’excentricité et de démagnétisation rotoriques. Les indicateurs de défauts seront extraits des représentations du signal vibratoire dans le temps et l’espace et de leurs transformées de Fourier, pour les cas de défauts simples et les cas de deux défauts combinés. Pour les cas simples, deux approches de localisation seront proposées : la première utilise le principe de tests statistiques et de tables de signatures, inspirée des méthodes de diagnostic à base de modèles, alors que la deuxième repose sur un banc de trois réseaux de neurones, où chacun est à une entrée et une sortie et destiné à localiser un type de défaut. Enfin, les performances des deux approches, en termes de robustesse et d’adaptabilité, seront comparées pour les mêmes ensembles de seuillage/d’apprentissage et de test. / The advent of new magnetic materials and recent advances in power electronics have played a major role in the progress of hybrid electric vehicles. Nowadays, permanent magnet synchronous machines (PMSM) thanks to their performances, especially their energy efficiency, are considered as ideal candidates for the traction chains of hybrid and electric vehicles. However, due to material aging, manufacturing defects or severe operating conditions, different types of faults are capable to occur in the machine components, its control or measuring devices. In order to ensure safety, reliability and availability, the integration of a fault diagnosis and condition monitoring approach in the automotive electrical powertrain system is becoming more and more important. In this context, the aim of the thesis is to contribute to the diagnosis and characterization of faults in the PMSM based on a vibration analysis. First, analytical modeling approaches for the PMSM and inter-turn short-circuits, eccentricity and rotor demagnetization faults will be proposed. The major interest of such models, in a diagnosis context, is to study the behavior of the machine in the presence of studied faults in order to deduce the most suitable detection methods. In addition, numerical models will be developed in order to validate the analytical magnetic and mechanical parts of the machine as well as the demagnetization fault. In the phase of fault impact analysis, we will focus on the cases of rotor eccentricity and demagnetization. The fault indicators will be extracted from the vibratory signal representations in time and space domains and their Fourier transforms, in the cases of single faults and the cases of two combined faults. For single fault cases, two diagnosis approaches will be proposed: the first uses the principle of statistical tests and fault signature tables, inspired by model-based diagnosis methods, while the second relies on a set of three neural networks, such as each one is with a single input and a single output and dedicated to isolate one type of fault. Finally, the performance of these two approaches, in terms of robustness and adaptability, will be compared for the same training and test sets.

L’objectif de ce travail est d’élaborer un modèle performant/précis de la machine électrique permettant de proposer une technique de pronostic. Dans cette thèse, nous commençons par un état de l’art sur les véhicules électriques hybrides (VHE), les différents types de machines électriques utilisées dans les VHE ainsi que les différents types de défauts pouvant survenir dans ces machines électriques. Nous identifions également les indicateurs de défauts appropriés aux différents défauts considérés. Ensuite, une synthèse de techniques de pronostic pouvant être appliquées est proposée. Le modèle à éléments finis électromagnétiques, thermiques et vibratoires (FEM) de la machine à aimants permanents est présenté. Le modèle est élaboré en fonctionnement normal et défaillant. Les types de défauts considérés sont : démagnétisation, court-circuit et excentricité. Une comparaison entre les deux approches analytique et FEM (méthode numérique) pour la modélisation de machines électromagnétiques est effectuée. Les indicateurs de défauts analysés pour l’extraction les plus pertinents utilisent les différents signaux mesurées suivants : le couple, la température ainsi que les signaux vibratoires en états sains et défectueux. L’approche de pronostic adoptée qui est le modèle de Markov caché (HMM) est développée. L'aspect technique de la méthode est présenté et le module du pronostic est formulé. La méthode de HMM est utilisée pour détecter et localiser les défauts à petites amplitudes. Une stratégie systématique a été développée. Le vieillissement de l’équipement de la machine, en particulier des éléments sensibles comme la bobine de stator et l’aimant permanent, est une question très importante pour le calcul du RUL (Remaining Useful Life). Une stratégie d’estimation pour le calcul RUL est présentée et discutée. La configuration en boucle fermée est très importante. Elle est adoptée par tous les systèmes de véhicules disponibles. Par conséquent, les mêmes étapes mentionnées précédemment s'appliquent également à une configuration en boucle fermée. Un modèle global où l’entrée du FEM de la machine provient de l’onduleur modélisé est élaboré. / The core of the work is to build an accurate model of the electrical machine where the prognostic technique is applied. In this thesis we started by a literature review on hybrid electric vehicles (HEV), the different types of electrical machine used in HEV’s and the different types of faults that may occur in those electrical machine. We also identify the useful monitoring parameters that are beneficial for those different types of faults. Then, a survey is presented where all the prognostic techniques that can be applied on this application are enumerated. The electromagnetic, thermal and vibration finite element model (FEM) of the permanent magnet machine is presented. The model is built at healthy operation and when a fault is integrated. The considered types of faults are:demagnetization, turn to turn short circuit and eccentricity. A confrontation between analytical and FEM (numerical method) for electromagnetic machine modeling is illustrated. Fault indicators where useful measured parameters forfault identification are recognized and useful features from the measured parameters are extracted; torque, temperature and vibration signal are elaborated for healthy and faulty states. The strategy of the adopted prognostic approach which is Hidden Markov Model (HMM) is explained. The technical aspect of the method is presented and the prognostic model is formulated. HMM is applied to detect and localize small scale fault small scale faults were where a systematic strategy is developed. The aging of the machine’s equipment,specially the sensitive ones that are the stator coil’s and the permanent magnet, is a very important matter for RUL calculation. An estimation strategy for RUL calculation is presented and discussed for those mentioned machine’s components. Closed loop configuration is very important; it is adopted by all available vehicle systems. Hence, the same previously mentioned steps are applied for a closed loop configuration too. A global model where the input of the machine’s FEM comes from the modeled inverter is built.

The growing need for simpler and cheaper manufacturing process has led to the research into fractional-slot concentrated-wound (FSCW) motors. This concept has been widely investigated for surface-mounted permanent magnet (SMPM) machines. This thesis studies the same concept applied for synchronous reluctance machines (SynRM). In this thesis, a FSCW, 15 kW, 4-pole, Permanent-Magnet-Assisted Synchronous Reluctance Machine (PMaSynRM) is designed and optimized using finite element method (FEM) based simulations for a set of given technical specifications. Initially, the existing synchronous machine topologies are investigated and later two novel motor designs are introduced and optimized, namely, a FSCW-SynRM and a FSCW-PMaSynRM with ferrite magnets. Moreover, the influence of replacing ferrite material with Neodymium Iron Boron (NdFeB) in the FSCWPMaSynRM is analyzed. Detailed investigations are performed in order to compare the impact of material at different temperatures. Variation of the torque-speed capabilities with temperature and a safe operating temperature range where the magnets are not demagnetized are identified. The variation of overload capability with temperature is also studied. Finally, a comparison between the new proposed designs and other existing standard design topologies is performed. It was found that FSCW-SynRM present lower efficiency, power factor and higher torque ripple than DW-SynRM. However when ferrite magnets are inserted in FSCW-PMaSynRM the efficiency, power factor and the flux-weakening capability exceed the values of the DW-SynRM. Moreover, by using NdFeB instead of ferrite in FSCW-PMaSynRM, the torque ripple, the fluxweakening capability and the overload capability improve and a wider safe temperature range for no demagnetization is achievable. Finally, it is found that DW-PMaSynRM with ferrite presents the same efficiency level as FSCW-PMaSynRM with ferrite, but higher power factor and lower torque ripple. However FSCW-PMaSynRM with ferrite have other advantages, such as shorter end-winding length, good fault-tolerant capability and simpler and cheaper manufacturing process. / Det växande behovet av enklare och billigare tillverkningsprocesser har lett till att den senaste forskningen om elektriska maskiner har fokuserats till maskiner med koncentrerade lindningar (FSCW). Detta koncept har i stor utsträckning undersökts för synkronmaskiner med ytmonterade permanentmagneter (SMPM). Detta projekt studerar samma lindning koncept, tillämpat på synkrona reluktansmaskiner (SynRM). I denna avhandling är en 15 kW, 4-polig, SynRM med FSCW och permanentmagneter (PMaSynRM) utformad och optimerad med användandet av finita elementmetoden (FEM). Simuleringar för en uppsättning givna, tekniska specifikationer har genomförts. Inledningsvis undersöks den befintliga synkronreluktansmaskinen med distribuerad lindning och senare presenteras och optimeras två nya motorkonstruktioner: en FSCW-SynRM respektive en FSCW-PMaSynRM med ferritmagneter. Vidare analyseras påverkan av att ersätta ferritmaterial med neodym-järn-bor (NdFeB) i FSCW-PMaSynRM. Detaljerade undersökningar genomförs för att jämföra effekten av materialen vid olika temperaturer. Variationen av maximal vridmomentet som funktion av hastighet vid olika temperaturer identifierar ett säkert driftstemperaturintervall där magneterna inte avmagnetiseras. Även variationen i överbelastningskapacitet vid olika temperaturer studeras. Slutligen görs en jämförelse mellan den nya föreslagna designen och andra befintliga topologier. Resultaten visar att FSCW-SynRM har lägre effektivitet och effektfaktor, samt högre vridmomentsrippel än DW-SynRM. När ferritmagneter är införda i FSCW-PMaSynRM erhålls emellertid högre värden på effektivitet, effektfaktor och fältförsvagning än i DW-SynRM. Genom att använda NdFeB i stället för ferrit i FSCW-PMaSynRM förbättras dessutom vridmomentet, fältförsvagningskapaciteten och överbelastningskapaciteten, vilket ger ett bredare temperaturområde utan avmagnetisering. Slutligen visar DW-PMaSynRM med ferrit samma effektivitetsnivå som FSCW-PMaSynRM med ferrit, men med högre effektfaktor och lägre vridmomentsrippel. FSCW-PMaSynRM med ferrit har dock andra fördelar, såsom kortare härvänderna, god feltolerans samt enklare och billigare tillverkningsprocess.

The aim of this master thesis is to design and analyse a FSCW PMaSynRM (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) for industrial applications. The design process includes analytical calculations (initial design and PM amount minimization) and nite element method (FEM) based design optimization. An overcompensated design is proved to be advantageous for a 10-pole reluctance motor. A comparative analysis with other rotor topologies was made, where motor performance, temperature e ects and production costs are taken into account. Detailed curves which describe eciency, power factor and current with respect to ambient temperature are studied for the proposed motor designs at di erent working points. The demagnetization risk is also taken into account and the safe working temperature ranges have been dened for all the considered motors. The results show that the initial motor design with 10 poles/12 slots PMaSynRM with NdFeB magnets has poor performance in terms of eciency and power factor, with huge amount of PM inserted. This is mainly due to the lack of reluctance torque for this relatively higher number of poles solution. Moreover, it has been found in literature and conrmed in this investigation that this negative e ect for the 10-pole motor is amplied due to the presence of the concentrated winding. Indeed, it is shown by simulations that the motor performance is improved by employing 8 poles/12 slots PMaSynRM conguration with a relatively lower NdFeB magnet amount, thanks to the improved rotor anisotropy. The 10 poles/12 slots interior permanent magnet (IPM) and surface mounted permanent magnet (SMPM) topologies present higher performance due to the e ective utilization of PM, mainly or completely producing the torque. Hence, IPM and SMPM do not su er the lack of anisotropy. / Syftet med detta examensarbete ar att utforma och analysera en FSCW PMaSynRM (Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Motor) for industriella applikationer. Designprocessen omfattar analytiska berakningar (ursprungliga konstruktion och PM belopp minimering) och nita elementmetoden (FEM) baserad design optimering. En overkompenserad design visat sig vara fordelaktigt for en 10-polig reluktansmotor. En jamforande analys med andra rotor topologier gjordes, dar motor prestanda, temperature ekter och produktionskostnader beaktas. Detaljerade kurvor som beskriver e ektivitet, e ektfaktor och strom med avseende pa omgivningstemperatur studeras for de foreslagna motorn for vid olika arbetspunkter. Den avmagnetisering risken ocksa beaktas och sakerhetstemperaturomraden har denierats for alla ansag motorerna. Resultaten visar att den initiala motordesign med 10-polig/12 spar PMaSynRM med NdFeB magneter har daliga e ektivitet och e ektfaktor, med enorma mangder PM insatt. Detta ar framst pa grund av bristen pa reluktansvridmomentet for denna relativt hogre poltal losning. Dessutom har man funnit i litteraturen och bekraftat i denna unders okning att denna negativa e ekt for 10-polig motorn forstarks pa grund av narvaron av den koncentrerade lindningen. Faktum ar att det framgar av simuleringar att motorprestanda forbattras med en 8-polig/12 spar PMaSynRM konguration med en relativt lagre NdFeB magnet belopp, tack vare den forbattrade rotor anisotropi. Den 10-polig/12 spar interior permanentmagnet (IPM) och ytmonterade permanent magnet (SMPM) topologier presentera hogre prestanda tack vare ett e ektivt utnyttjande av PM och deras produktion vridmoment, huvudsakligen eller helt anfortrotts PM effekten.