Le développement des véhicules hybrides et électriques s'est intensifié ces dernières années, face aux problématiques environnementales et économiques. Afin que les performances de ces derniers soient comparables à celle d'un véhicule à moteur thermique, de nombreuses avancées technologiques sont indispensables. Le déploiement de véhicule entièrement à traction électrique, ne serait être réalisable, sans des infrastructures de recharge adaptées. Cette thèse constitue une contribution à l'étude d'un chargeur de batteries intégré au véhicule électrique, dans le cadre du projet SOFRACI.L'architecture de ce chargeur entièrement réversible sert également pour la traction du véhicule. L'utilisation de tous les éléments y compris le moteur de traction pour les deux fonctions, réduit l'encombrement et le coût de la structure. L'objectif principal consiste à modéliser le système de conversion alternatif-continu du chargeur et à établir les lois de commandes.Lors de la première phase de l'étude, une attention particulière a été portée à l'utilisation des enroulements de la machine en tant qu'inductance de filtrage du convertisseur. Un modèle correspondant à ce fonctionnement a été obtenu et a permis de mettre en évidence un couplage magnétique existant entre les diverses phases.En s'appuyant sur les modèles obtenues, la seconde étape a consisté à définir les stratégies de commande. Deux méthodes ont été employées. La première, par le biais d'une transformation a permis de se ramener dans un repère, où la majorité des termes de couplage ont été éliminés. Pour l'autre méthode, tous les éléments du couplage ont été considérés. Pour chacune de ces stratégies, des correcteurs PI et RST fondés sur le placement de pôles robustes ont été dimensionnés pour garantir la stabilité du système.Une part importante du travail a été consacrée à la réalisation d'un banc d'essai expérimental reconstituant la conversion alternative-continue. Compte tenu des différences de dynamiques des grandeurs asservies, une carte FPGA et un processeur ont été utilisés. L'exploitation de ce moyen d'essai a permis de comparer et de valider les lois de commande développées.

Dans cette thèse nous présentons une étude des pertes de puissance en haute fréquence dans les rotors des machines synchrones à aimants permanent. Dans le cas des champs harmoniques temporels au rotor, nous avons montré par calcul éléments finis en 3D que la règle de segmentation des aimants présente une anomalie. Par conséquent, nous avons développé une étude sur l'efficacité de la segmentation à deux dimensions des aimants permanents, avec l'optimisation de la de segmentation des aimants afin de minimiser les pertes par courants de Foucault. Un simple critère est proposé mettant en évidence l'influence de l'effet de peau dans le calcul des pertes à haute fréquence. En deuxième lieu nous avons étudié les pertes rotoriques dues à la modification du champ fondamental par la denture statorique, Dans ce but nous avons proposé un modèle analytique représentant cette modification par un champ homogène dans une maquette 2D/3D. Ce modèle met en évidence l'influence des paramètres géométriques de la machine sur les pertes de puissance dans le rotor. Il était validé par calcul en éléments finis dans une couche mince. Le modèle analytique a donné les résultats acceptables en absence de l'effet de peau dans le cas des aimants longs. Par contre il reste à améliorer pour le calcul de pertes par denture dans les tôles du rotor.

Les travaux consignés dans cette thèse concernent un système endulaire de récupération de l'énergie des vagues en forte puissance (de l'ordre du MW) (SEAREV). Ils ont été menées en vue de la conception optimale de la chaîne électrique de récupération. Dans cet objectif, il a fallu prendre en compte les différents couplages hydrodynamique - mécanique - électrique - contrôle, ceci dans un contexte de sollicitations fluctuantes. Grâce à une collaboration avec le LMF de l'école Centrale de Nantes, nous avons pu disposer des modèles hydrodynamiques adaptés, et ainsi développer une méthodologie de dimensionnement de la chaîne de récupération sur cycles complexes. Différents modes de contrôle du système pendulaire ont été étudiés et comparés, notamment celui à amortissement optimal avec écrêtage de la puissance qui permet un meilleur dimensionnement de la chaîne électrique. Ces travaux ont permis de déterminer les profils de couple et vitesse du pendule et donc de la machine permettant le dimensionnement d'une architecture électromagnétique à flux radial et à aimants permanents en surface. Les résultats sont principalement présentés sous forme de front de Pareto : coût des parties actives / pertes énergétiques sur cycle. Des études de sensibilité de quelques paramètres (machine et ressource) ont été menées et analysées afin de conserver un regard critique sur les résultats.

La problématique de recherche abordée dans ce mémoire de thèse découle de l'étude approfondie d'une association convertisseur-machine dédiée aux modes traction et recharge d'un véhicule électrique. Il s'agit d'un onduleur triphasé constitué de trois onduleurs monophasés connectés à une machine triphasée à phases indépendantes.Dans le chapitre II, une étude comparative entre deux solutions industrielles montre que l'architecture étudiée offre des caractéristiques compétitives notamment en termes de rendement global du convertisseur, performances mécaniques, et surface de silicium nécessaire.Par ailleurs, outre la possibilité de mutualiser les trois fonctions du véhicule que sont la traction, la recharge (rapide ou lente) et l'assistance du réseau électrique, cette topologie offre plusieurs atouts : des possibilités variées d'alimentation et donc un potentiel intéressant de reconfiguration en marche dégradée. La thématique abordée dans les chapitres III et IV est donc centrée sur l'optimisation des stratégies de contrôle de cette structure vis-à-vis de deux types de défauts : les imperfections intrinsèques du système d'une part et les défaillances accidentelles d'autre part.Dans un premier temps, un travail approfondi sur les méthodes de modulation de largeur d'impulsion a permis de synthétiser une stratégie offrant une faible sensibilité vis-à-vis des imperfections de la commande et de la non-linéarité du convertisseur. Dans un second temps, il a été montré qu'en cas de défaillance d'un composant à semi-conducteur, il était obligatoire de recourir à la reconfiguration matérielle de la topologie. L'architecture permettant la continuité de service a été étudiée du point de vue de sa commande. Son analyse nous a amenés à proposer une structure de contrôle basée sur des solutions automatiques simples et efficaces. Finalement, le principe du fonctionnement en marche dégradée a été étendu au fonctionnement normal dans le but d'en améliorer le rendement sur cycle.

Les travaux de cette thèse portent sur une nouvelle structure de machine à double excitation (MSDE) pour l'application des véhicules hybrides et électriques. Ce type de machine, ayant deux sources d'excitation, bénéficie un degré de liberté supplémentaire et un contrôle facile sur le flux. Grâce à ce degré de liberté, la machine peut être dimensionnée de manière que son meilleur rendement coïncide avec la zone de fonctionnement la plus sollicitée de la machine. Cette nouvelle structure a fait l'objet principal de ce mémoire. Le fonctionnement de la MSDE est présenté dans les deux premiers chapitres. La machine est dimensionnée suivant un cahier des charges pour véhicule hybride. La validation expérimentale a confirmé le bon fonctionnement de la structure et montré son intérêt. Une autre problématique dans le dimensionnement de la machine est l'aspect thermique car les machines sont devenues de plus en plus compactes et puissantes. Une estimation correcte des pertes est indispensable pour évaluer correctement les performances de la machine. C'est la raison pour laquelle on a décidé de consacrer une partie de cette thèse à la modélisation des pertes fer, dont l'estimation n'est pas évidente.

Le coût, l'autonomie et la durée de vie sont les principaux aspects qui freine le public dans l'achat d'une voiture électrique. Tous ces aspects sont liés à la batterie qui ne permet de stocker qu'une quantité limitée d'énergie. Dans ces conditions, il est indispensable de maîtriser les pertes d'énergie de la chaîne de traction. La machine électrique étant le principal consommateur d'énergie, elle joue un rôle important dans l'efficacité énergétique globale. Dans ce contexte, comment réduire les pertes de la machine électrique pour la rendre plus efficace ? Pour répondre à cette question, l'objectif de ce travail est de modéliser (avec une précision suffisante) et réduire les pertes fer dans notre application machine électrique de traction afin de les maîtriser. On comblera ainsi le manque de confiance en les modèles de pertes fer que peut avoir le concepteur de machine du concepteur de machine en lui permettant de réaliser des optimisations fines jusque dans les dernières phases de développement. Dans la première partie de ce manuscrit, le lecteur découvrira alors une machine synchrone à rotor bobiné du point de vue du matériau magnétique doux. Les premières conclusions montrent qu'une modélisation fine est nécessaire pour bien prendre en compte les phénomènes générateurs de pertes. On s'intéresse également à la mesure des matériaux magnétiques doux afin de comprendre de manière générale et tangible les pertes dans le matériau. On prend également conscience de la toute première source d'incertitude des modèles, la mesure du matériau. Enfin, nous présentons les démarches couramment rencontrées dans la littérature pour la modélisation des pertes fer. Face aux limitations des modèles couramment rencontrés, le modèle LS (un modèle d'hystérésis scalaire qui décompose les pertes en une contribution statique et une contribution dynamique) est redéveloppé afin qu'il réponde encore mieux aux exigences de l'industrie automobile. Il est précis et facilement identifiable à partir de mesures faciles à réaliser. La contribution statique reprend le modèle de Preisach formulé à l'aide des fonctions d'Everett dont l'identification à partir des caractéristiques mesurées est directe. La contribution dynamique quant à elle est dorénavant identifiable à partir de caractérisations en induction sinusoïdales. La précision du modèle ainsi améliorée est ensuite validée sur 63 cas tests exigeants dont la forme de l'induction est à fort contenus harmoniques. Le modèle développé est ensuite couplé avec un modèle électromagnétique élément finis de la machine électrique et validé par l'expérience. Les mesures faites sur le matériau étant l'un des points faibles des modèles, une méthodologie permettant d'évaluer la pertinence de la plage des mesures est proposée. On dresse également un état de l'art de l'impact du process (découpage, empilement et assemblage des tôles) sur les pertes fer afin d'aider le concepteur à mettre en balance les impacts liés au process qui n'ont pu être modélisés. Enfin des méthodologies parmi lesquels, les méthodologies des plans d'expériences sont mises en place afin d'optimiser les cartographies de commandes en des temps de calcul raisonnables. On montre des gains allant jusqu'à 50% de réduction des pertes totales de la machine dans certaines zones de fonctionnement par rapport à une optimisation dont l'objectif serait de minimiser uniquement les pertes dans les conducteurs de la machine. Ces résultats montrent l'intérêt d'utiliser un modèle de pertes fer précis afin de réduire les pertes totales de la machine. / Cost, range and lifetime are the main aspects that hold back the consumer to buy electric cars. These three aspects are all related to the battery which stores a limited amount of energy. Under such condition energy consumption is a major concern in electric cars. As the major electricity consumer, electrical machines play a key role for global energy savings. In this context how the electric machine can be made more energy efficient? To answer this question this thesis aim to model (accurately enough) and reduce the iron losses in traction electrical machine for electrical car. Indeed iron loss model suffer from a lack of confidence when it comes to fine optimization during the late phase of development. This thesis answers this question and takes into account the development criteria of the car industry and the constraints of the electric car. The first part of the thesis gives an overview of the application by taking a wounded rotor synchronous machine as a case study. The reader will discover the electrical machine with a soft magnetic material perspective. First, conclusion show that fine modelling of the electric machine is necessary to achieve desired accuracy. An overview on soft magnetic material behavior and measurements is then given. The reader will then acquire a broad feeling on soft magnetic material behavior and understands the first source of inaccuracy of the models (the measurements). Then, the typical models for predicting iron losses in magnetic materials are presented in a literature review. The second part of this study focus on iron loss modelling aspect. The loss surface model (a scalar hysteresis model made of a static and dynamic contribution) is used as the base of this modelling work. The static contribution is re-developed using Everett function formulation of the Preisach model is used to allow easy identification of the model directly from measurements. The identification of the dynamic contribution is re-worked to allow identification from sine-wave measurements (triangular wave measurement previously required). The model accuracy is improved and validated on 63 test cases with high harmonic distortion wave forms. The iron loss model is then coupled to finite element model of the electric machine and the limits of the model are investigated. One of the limits coming from measurement limitation, a methodology to evaluate the relevance of the measurement range is proposed. A literature review of the main impact of the process including cutting, stacking and assembling effects on electrical steel magnetic characteristics is intended to complement the modelling work to help the decision making of the designer on aspects that cannot be modeled. Finally methodologies playing with the modelling hypothesis and involving design of experiment and response surface are presented to reduce computational time and allow the optimization of the control of the machine. The optimizations carried out show total machine loss reduction up to 50% for some working point of the machine compared to an optimization dedicated to minimize only Joule's losses. This results show the interest of using a reliable iron loss model to reduce the total loss of the machine.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire concerne le développement de capteurs logiciels de position pour la commande de la machine synchrone à aimants permanents. La commande vectorielle de la MSAP nécessite une connaissance précise de la position rotorique. Traditionnellement, cette position est obtenue à partir de l’utilisation d’un capteur mécanique.Depuis des années, l’attention de la communauté scientifique s’est portée sur la limitation du nombre de capteurs vu que leur présence, non seulement augmente le coût et la complexité matérielle totale, mais aussi réduit sa fiabilité avec une sensibilité additionnelle aux perturbations extérieures. Dans une première partie, nous présentons plusieurs types de capteurs logiciels deposition pour la MSAP. En fonction du régime de fonctionnement de la machine, nous proposons le capteur, selon nous, le mieux adapté pour une application automobile. Ce capteur est basé sur le couplage intelligent entre un observateur et un capteur logiciel basé sur la technique d’injection de signaux. Dans une deuxième partie, nous proposons une méthode simple et rapidepermettant l’estimation de la résistance et des inductances statoriques à l’arrêt. La méthode proposée, basée sur la technique d’injection de signaux de haute fréquence, exploite la mise en oeuvre des filtres à variable d’état afin d’obtenir un modèle linéaire par rapport aux paramètres. La combinaison de l’identification à l’arrêt et du capteur logiciel permet une bonne estimationde la position de la MSAP sur une large plage de vitesse y compris les basses vitesses et à l’arrêt. Nous abordons également certains aspects de commande de robustesse vis-à-vis de l’ensemble des paramètres incertains de la machine, mais ce de manière plus prospective. / This thesis focuses on the development of soft sensors for position control of the permanent magnet synchronous machine. Vector control of PMSM requires accurate knowledge of the rotor position. Traditionally, this position can be obtained from a mechanical sensor. Many years ago, the attention of the scientific community has focused on reducing the number of sensorsbecause their presence not only increases the cost and the total hardware complexity, but also reduces its reliability with an additional sensitivity to external disturbances. As a first step, we present several known types of soft sensors for PMSM. We present the complete design of a soft sensor for speed measurement of permanent magnet synchronous motor. The rotor speedand position can be estimated in a wide speed range even at low speed and standstill. We introduce two soft sensors operating in two different ranges of speed. Secondly, a simple method based on high frequency signal injection and exploiting the implementation of state variable filters to obtain a linear model with respect to the parameters is presented. Thus, a simplifiedprocedure of identification based on a least squares algorithm can be used. In an automotive application, the PMSM parameters can change due to temperature variation and aging of the material. Therefore, the coupling of the hybrid soft sensor and the simplified pocedure of identification provides a good estimate of the PMSM position over a wide speed range including standstill. We also consider a new approach to the robust control of the PMSM, but just as a newtrack for further investigations.

La technologie de la réfrigération magnétique présentée dans ce manuscrit constitue une alternative prometteuse à la technologie de production de froid. Le travail effectué a porté tout d’abord sur une étude de la production de froid magnétique et un état de l’art de cette technologie émergente. Nous nous sommes fixés pour objectif de dimensionner et réaliser un réfrigérateur magnétique qui se présente sous la forme d’un actionneur intégré. Le dimensionnement a été réalisé par le biais d’un modèle à éléments finis. Il s’agit d’un dispositif présentant deux entrefers, dont un suffisamment large pour pouvoir accueillir un régénérateur magnétocalorique au sein duquel la valeur de l’induction est la plus élevée possible tout en offrant un profil d’induction de forme trapézoïdale. La réalisation du démonstrateur sur la base des étudeseffectuées par éléments finis constitue la première étape vers la réalisation d’un réfrigérateur magnétique intégré pouvant être logé dans une automobile. Pour finir, et afin d’améliorer encore les performances de notre dispositif, une optimisation de l’inducteur électromagnétique a été effectuée par le biais d’un modèle à éléments finis couplé à un algorithme d’optimisation. / The magnetic refrigeration technology is a promising alternative technology to the production of cold. The work carried out focuses on the technology of magnetic refrigeration, a state of the art of this emerging technology has also been done. A magnetocaloric regenerator is placed in the air gap of the motor. It is necessary to design a motor with an air gap wide enough and where the induction will be as high as possible in order to insert the magnetocaloric regenerator. The regenerator is a hollow cylinder whose dimensions are adapted to the air gap of the synchronous machine. It is intended to contain the magnetocaloric material. The design of the electric motor is made in order to obtain a maximal variation of induction ΔB in the air gap and a temperature difference ΔT as large as possible, improving the magnetocaloric performance of the prototype. The profile of induction should also be as close as possible to a rectangular signal. The realization of the demonstrator based on the finite element studies is the first step towards the realization of integrated magnetic refrigerator which can be housed in an automobile. Finally, and in order to improve the performance of our device, an optimization of the electromagnetic inductor was carried out with a finite element model coupled to an optimizationalgorithm.

La quasi-totalité des études de machines synchrones à aimants permanents (MSAP) pour les applications aux véhicules hybrides concernent les performances uniquement sur quelques points particuliers d’un cycle de fonctionnement du véhicule (le point de base, le point à grande vitesse ou le point le plus sollicité). Cependant, ces machines électriques fonctionnent souvent à différents couples et à différentes vitesses. Cette thèse s’intéresse donc à l’étude des performances de MSAP sur l’ensemble d’un cycle de fonctionnement en vue de les optimiser sur cycle. Durant cette thèse, l’auteur a contribué à développer les modèles de couple, de défluxage, de pertes cuivre et de pertes magnétiques et les méthodes de calcul de ces pertes à vide et en charge pour les quatre MSAP dont trois machines à concentration de flux et une machine à aimants en surface du rotor et pour trois cycles de fonctionnement : NEDC, Artemis-Urbain et Artemis-Routier. Une validation expérimentale de ces modèles a été effectuée sur un banc d’essai moteur avec deux prototypes de MSAP. Ensuite, les MSAP ont été dimensionnées en vue d’une minimisation des pertes sur cycle et du courant efficace du point de base. Cette combinaison a pour but d’augmenter le rendement de la machine électrique et de minimiser la dimension de l’onduleur de tension associée. Ce problème d’optimisation multi-objectif a été réalisé en utilisant l'algorithme génétique, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Ainsi, un Front de Pareto des solutions optimales peut être déduit. Les impacts des modèles de pertes (à vide et en charge) sur l’optimisation sur cycle des machines sont étudiés et l’intérêt de chaque modèle est présenté. Les modèles et méthodes de calcul proposés peuvent être appliqués à tous les cycles de fonctionnement, à différentes MSAP et à différentes applications. / Almost all studies of permanent magnet synchronous machines (PMSM) for for hybrid vehicle applications relate to their performances on a specific point of a driving cycle of the vehicle (the base point, the point at high speed or the most used point). However, these machines often operate at different torques and at different speeds. This thesis studies therefore PMSM performances in order to optimize during an entire driving cycle. In this thesis, the author contributed to develop models of torque, field weakening, copper losses and iron losses and methods of calculating these losses at no-load and at load for four MSAP (three concentrated flux machine and a surface mounted PMSM) and for three driving cycles (New Eurepean Driving Cycle, Artemis-Urban and Artemis-Road). An experimental validation of these models was realized on a test bench with two prototypes of MSAP. Then, the MSAP were sized for a minimization of average power losses during the cycle and of the RMS current at the base point. This combination is designed to increase the efficiency of the electrical machine and minimize the size of the associated voltage inverter. This problem of multi-objective optimization was performed using the genetic algorithm, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Thus, a Pareto front of optimal solutions can be derived. The impacts of loss models (at no-load and at load) on the PMSM optimization during the cycle are studied and the interest of each model is presented. Models and calculation methods proposed in this thesis can be applied to all cycles, at different MSAP and for other applications.

La traction hybride et/ou électrique est un domaine d’application en pleine croissance présentant une forte restriction en termes d’encombrement. Cela a poussé les concepteurs à créer des structures de machine adaptées. Parmi ces topologies, nous trouvons les machines synchrones à double excitation (MSDE). Ces machines permettent de combiner les avantages d’une machine à aimants et ceux d’une machine à excitation bobinée. Le choix d’un modèle pour ces machines est un élément important dans les étapes d’analyse, d’optimisation et de pré-dimensionnement. Ce mémoire présente une contribution à la modélisation des machines synchrones à simple et à double excitation basée sur la méthode des réseaux de perméances. Trois parties sont ainsi proposées. La première partie de la thèse présente deux états de l’art- un sur les machines synchrones à double excitation et l’autre sur les méthodes de modélisation des machines électriques et principalement la modélisation par réseau de perméances. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation 2D de la machine synchrone à aimants permanents à concentration de flux avec prise en compte de la rotation et de la saturation. Le but de cette partie est de trouver des méthodes permettant de combiner à la fois temps de calcul et précision. On commence par la modélisation par réseau de perméances en se basant sur un maillage de l’espace d'étude par des réluctances bidirectionnelles, ainsi qu’une comparaison entre calcul du couple par le tenseur de Maxwell et flux-FMM. La deuxième section présente un couplage entre réseaux de perméances et éléments finis. La méthode proposée consiste à résoudre les deux modèles (réluctant et éléments finis) simultanément avec un logiciel EF. Le couplage s’effectue par une équivalence entre les dimensions géométriques et les caractéristiques magnétiques des matériaux. La présentation des différents modèles dans le plan précision-temps de calcul montre l’efficacité de l’utilisation des réseaux de perméances et du couplage comparé au modèle éléments finis. La troisième partie porte sur la modélisation tridimensionnelle des machines synchrones à double excitation. Dans un premier temps, nous présentons une adaptation de la modélisation par réseau de perméances aux structures tridimensionnelles. Puis, nous appliquons ce modèle aux machines synchrones à double excitation. La machine à double excitation à concentration de flux est présentée avec une étude de l’influence du feuilletage sur la capacité de contrôle du flux. Pour améliorer le contrôle du flux d'excitation, une machine à aimants enterrés homopolaire est également étudiée avec l'approche développée. La validation du modèle est réalisée par des éléments finis et des mesures expérimentales. Dans la dernière partie, une comparaison entre configurations homopolaire et bipolaire de la structure à aimants enterrés est effectuée, puis le rotor à concentration de flux est optimisé afin de le comparer à la machine à aimants enterrés. / The electric and / or hybrid driveis are an application area growing with a strong restriction in terms of congestion. This prompted the designers to create appropriate structures. Among these topologies, we find the double-excitation synchronous machine (MSDE). These machines can combine the advantages of permanent magnets machine and those of a coils excited machine.The choice of a model for these machines is an important step in the analysis, optimization and pre-sizing. This thesis presents a contribution to the modeling by magnetic equivalent circuit (MEC) of single and double excitation synchronous machines. Three parties are offered as well. The first part of the thesis presents two states of the art: one on the double-excitation synchronous machines and the other on the modeling of electrical machines, mainly in the modeling by magnetic equivalent circuit. In the second part, we discuss the 2D modeling of flux concentration permanent magnet synchronous machine taking into account the rotation and saturation. The purpose of this section is to find ways to combine both computational time and accuracy. We start by using the magnetic equivalent circuit modeling based on a mesh of the structure and each mesh is replaced by two-way reluctances, then a torque estimation are obtened by two methods flux-FMM and Maxwell stress Tensor. The second section presents a coupling between magnetic equivalent circuit and finite element method. The proposed method is to solve the two models (reluctant and finite elements) simultaneously with software EF. The coupling is performed by an equivalence between the geometric dimensions and magnetic properties of materials. The presentation of different models in terms of time-accurate calculation shows the effectiveness of the use of MEC and coupling method compared to FEM. The third part concerns the three-dimensional modeling of double excitation synchronous machines. At first, we present an adaptation of the MEC to the three-dimensional structures. Then we apply this model to the double excitation synchronous machines (DESM). The DESM with flux concentration configuration is presented. To better control the wund flux of excitation, a buried magnet homopolar machine is also studied with the same approach. Model validation is performed by finite element and experimental measurements. In the last part, a comparison between homopolar and bipolar configurations is made, then the rotor flux concentration is optimized in order to compare it to the machine magnets buried.