Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'étude des modèles comportementaux en mode dégradé des machines pentaphasées à commutation de flux (MCF pentaphasée). Tout d'abord, une comparaison des performances électromagnétiques de cette machine à une machine triphasée équivalente est tout d'abord effectuée. Ces performances sont calculées par la méthode des Eléments Finis (EF 2D) et validées expérimentalement. Les résultats ont montré l'apport de la machine pentaphasée avec un couple massique plus élevé, une ondulation de couple plus faible, un courant de court-circuit plus faible et sa capacité à tolérer des défauts de phases. L'étude de la tolérance aux ouvertures de phases est alors élaborée pour cette MCF pentaphasée. Le comportement de la machine en cas d'ouvertures de phases (du point de vue du couple moyen, de l'ondulation de couple, des pertes Joule et du courant dans le neutre) est présenté. Ensuite, des méthodes de reconfiguration en vue d'améliorer le fonctionnement sont proposées dont une reconfiguration minimale permettant de se retrouver avec une alimentation équivalente à celle d'une machine tétraphasée ou triphasée, un calcul analytique des courants optimaux permettant d'annuler à la fois le courant du neutre et l'ondulation du couple tout en assurant le couple moyen, et finalement une reconfiguration assurée par un algorithme génétique d'optimisation qui est un algorithme non-déterministe multi-objectifs et multi-contraintes. Diverses combinaisons des différents objectifs et contraintes sont, dans ce cadre, effectuées et les courants optimaux sont injectés dans le modèle EF 2D de la machine pour vérifier si les performances ont été améliorées. Le modèle analytique du couple pris en compte dans l'algorithme d'optimisation est alors révisé pour prendre en compte l'influence du mode dégradé. Les différentes solutions du front de Pareto sont analysées et les performances électromagnétiques sont bien améliorées. Cela est vérifié par les calculs EF 2D et suivi d'une validation expérimentale. L'influence des défauts sur les forces magnétiques radiales est également analysée. Dans une seconde partie, l'étude de la tolérance de la machine pentaphasée à commutation de flux aux défauts de courts-circuits est effectuée. Les premières étapes d'isolation des défauts de courts-circuits sont proposées. Par la suite, les courants de courts-circuits, prenant en compte l'effet reluctant de la machine, sont calculés analytiquement et leurs effets sur les performances de la machine sont analysés. Les reconfigurations sont aussi calculées par l'algorithme génétique d'optimisation et les nouvelles références des courants permettent d'améliorer le fonctionnement en mode dégradé. Tous les résultats sont validés par la méthode des EF 2D et expérimentalement. En conclusion, des comparaisons entre la tolérance aux défauts d'ouvertures et de courts-circuits de la machine pentaphasée à commutation de flux sont effectuées et ont permis de conclure quant au fonctionnement de cette machine en modes sain et dégradé avec et sans correction. Les résultats analytiques, numériques et expérimentaux ont montré la bonne efficacité de la commande proposée pour l'amélioration de la tolérance aux défauts d'ouvertures et courts-circuits de phases. / In this thesis, we are interested in the study of a five-phase flux switching permanent magnet machine (five-phase FSPM machine) behavior in healthy and faulty mode. First, a comparison of electromagnetic performances between this machine and an equivalent three-phase machine is carried out. These performances are calculated by a Finite Element (FE 2D) model and validated by experiments. Results showed the five-phase machine contribution with a higher torque density, lower torque ripples, lower short-circuit current and ability to tolerate phases faults. The study of open-circuit tolerance is then developed for this five-phase FSPM. The behavior of the machine (the average torque, torque ripples, copper losses and the current in the neutral) in the case of open-circuit on a single and two adjacent and non-adjacent phases is presented. Then reconfiguration methods to improve the operation are proposed including a minimum reconfiguration allowing to end up with a feeding equivalent to that of a three-phase or a four-phase machine, an analytical calculation of optimal currents to cancel both the neutral current and torque ripples while ensuring the average torque, and finally a reconfiguration performed by a genetic optimization algorithm which is a non-deterministic algorithm multi-objective functions and multi-constraints. In this context, various combinations of different objectives and constraints are proposed and optimal currents are injected into the 2D FE model of the machine to see if performances have been improved. The analytical model of the torque used in the optimization algorithm is then revised to take into account the influence of the degraded mode. Different solutions of Pareto front are analyzed and electromagnetic performances are improved. This is verified by FE 2D calculations and followed by experimental validation. Faults impact on the radial magnetic forces is also analyzed. In the second part of this work, the study of the five-phase FSPM machine tolerance to short-circuit faults is performed. First steps of the faults isolation are proposed. Thereafter, short-circuit currents, taking into account the reluctance machine impact, are calculated analytically and their effects on machine performances are analyzed. Reconfigurations are also calculated by the genetic algorithm optimization and new references currents improved the degraded mode operation. All results are validated by the FE 2D calculation and experimentally. In conclusion, comparisons between fault-tolerance to phases openings and short-circuits of the five-phase FSPM machine are performed. Results led to conclude regarding the operation of this machine in healthy and degraded modes with and without correction. Analytical, numerical and experimental results showed good efficiency of the proposed control to improve fault-tolerance to phases openings and short-circuits.

Les travaux présentés dans cette thèse abordent le sujet de la génération électrique embarquée dans les avions de futur. L'objectif principal étant de trouver de nouvelles structures de machines électriques qui peuvent répondre aux nouvelles exigences avioniques. Nous nous sommes particulièrement intéressés à une Machine à Commutation de Flux à Double Excitation avec Pont Magnétique (MCFDEPM). La structure de cette machine présente plusieurs avantages comme des sources d'excitation statiques, un rotor passif et une structure particulière du stator qui permet d'avoir une faible tension rémanente respectant ainsi les contraintes de sécurité du cahier des charges. Dans le premier chapitre, nous avons présenté un état de l'art sur les machines à commutation de flux à simple et à double excitation. Nous avons donné aussi les règles qui définissent le choix du nombre de pôles statoriques et rotoriques. Le chapitre 2 a été consacré pour étudier les performances électromagnétiques de la MCFDEPM en utilisant un modèle en éléments finis. Ce modèle a été validé par des mesures expérimentales réalisées sur un prototype 3 kW. Dans un dernier chapitre, nous avons mis en place une méthodologie d'optimisation en éléments finis pour améliorer les performances en charge de la MCFDEPM et limiter sa tension rémanente. Les résultats de l'optimisation ont montré des performances bien améliorées. La MCFDEPM se présente comme une bonne candidate pour remplacer la machine à 3 étages dans l'avion du futur. / This work addresses the subject of the embedded electric generation in future aircraft. The main objective is to find a new electrical machine structures that can meet the new avionic requirements. We have been particularly interested in a Hybrid Excited Flux Switching machine with a Magnetic Bridge (HEFSMMB). The structure of this machine has several advantages such as static excitation sources, a passive rotor and a unique stator structure which makes it possible to have a low residual voltage, thus respecting the safety constraints. We have presented in the first chapter a state of the art on singly and doubly excited flux switching machines. We have also given the rules which define the choice of the number of stator and rotor poles. Chapter 2 was devoted to study the electromagnetic performances of the HEFSMMB using a finite element model. This model has been validated by experimental measurements carried out on a 3 kW prototype. In the final chapter, we have put in place an optimization methodology in order to improve the overall performances of the HEFSMMB and to limit its residual voltage. The optimization results showed much improved performances. It can be concluded that the MCFDEPM is a good candidate to replace the three-stage machine in future aircraft.

Dans un cadre de modélisation des machines électriques, la méthode qui connaît une grande popularité, car réputée pour la qualité de ses résultats est la méthode des éléments finis. Cependant, les temps de calcul deviennent importants lorsque les modèles éléments finis sont associés à une démarche d’optimisation et de prédimensionnement dans le cadre d’un cahier des charges complexe. Les méthodes de modélisation bien souvent utilisées comme alternative aux éléments finis sont les approches de modélisation par constantes localisées. Ces dernières se prêtent bien aux différentes physiques impliquées dans le fonctionnement des machines électriques, i.e. électromagnétique, mécanique et thermique. Ainsi, les stratégies de conception optimisée d’une machine électrique utilisent ces modèles pour déterminer les propriétés et performances de cette dernière dans différentes conditions de fonctionnement. Cependant, la mise en place de ce type de modèles nécessite un temps de développement important par manque d’outils dédiés tels que ceux existants pour les éléments finis. Dans le contexte électromagnétique, les travaux de cette thèse présentent une contribution à l’approche de modélisation par réseaux de réluctances par le développement d’outils permettant leurs générations automatiques. Cette approche est intégrée dans un outil permettant le traitement automatisé d'une géométrie, fournissant un modèle précis dans un délai plus court que celui nécessaire à la construction d'un modèle dédié. L’outil, intégralement développé sur MATLAB®, a été appelé MRNsoftware (pour Mesh-based Reluctance Network Software). Ce mémoire s’organise en quatre parties. Le premier chapitre est consacré à un état de l’art détaillé sur les méthodes de modélisation par réseaux de réluctances. Dans la deuxième partie, nous abordons les méthodologies mises en place en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des blocs élémentaires bidirectionnels et dans le cadre d’un maillage conforme. Le maillage non conforme fera l’objet du troisième chapitre. Une interpolation des potentiels se révélera utile pour connecter les différentes branches des interfaces de non-conformité dans le maillage de l’espace d’étude. Différents découpages d’une même structure sont testés et la précision ainsi que le temps d’évaluation des modèles en réseaux de réluctances sont comparés aux modèles de référence réalisés par éléments finis. Le quatrième chapitre présente en premier lieu l’interface graphique de l’outil. Par la suite, les approches de modélisation développées seront utilisées pour réaliser les modèles de la machine linéaire à aimants permanents et la machine linéaire à commutation de flux à excitation bobinée. Ces approches de modélisation sont le fruit de la collaboration entre les laboratoires SATIE et GREAH et s’inscrivent dans la problématique générale de développement d’outils de modélisation multiphysiques de dispositifs électromagnétiques en vue de leurs dimensionnements optimisés. / In the field of electrical machine modeling, the method that is experiencing great popularity as renowned for the quality of its results is the finite element method. However, computation time becomes important when the finite element models are associated with an optimization and predesign process as part of a complex technical specification sheet. The alternate modeling solution is the lumped parameter models approach. The latter is well suited for the individual physical domains involved in the operation of electrical machines, namely electromagnetic, mechanical and thermal. The latter is well suited for the individual physical domains involved in the operation of electrical machines, namely electromagnetic, mechanical and thermal. Thus, electric machine design routines have been used to determine the properties and performance of the latter under different operating conditions. However, the implementation of these modeling approaches requires significant development time for lack of dedicated tools such as those existing for the finite element method. In the electromagnetic context, the work of this thesis presents a contribution to the reluctance network modeling approach by developing tools allowing their automatic generation. This approach is integrated into a software tool allowing the automated processing of a geometry, providing a precise model in a shorter time than that required for the construction of a dedicated model. The tool, fully developed on MATLAB®, has been called MRNsoftware (for Mesh-based Reluctance Network Software). This dissertation contains four chapters. The first chapter is devoted to a detailed state of the art on reluctance network modeling methods. In the second chapter, we discuss the methodologies implemented based on a conformal mesh of the study space by bidirectional elementary blocks. The non-conformal mesh will be the subject of the third chapter. Magnetic scalar potential interpolation will prove useful to connect the different branches of the block elements at the edge of the non-conformal interfaces. Different mesh patterns of the same structure are tested and the accuracy as well as the evaluation time of the reluctance network models are compared with the finite element reference models. The fourth chapter presents, at first, the graphical interface of the tool. Subsequently, the developed modeling techniques are used to realize the models of the permanent magnet linear machine and the linear wound excitation linear machine. These modeling approaches are the result of the cooperation between SATIE and GREAH laboratories and are part of the general endeavor of developing multiphysics modeling tools for the optimal sizing of electromagnetic devices.