L'aimant organique NIT-2Py a été caractérisé expérimentalement et ses propriétés ont été simulées numériquement à partir de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Le magnétisme dans ce matériau provient de la présence d'un électron non apparié sur chaque molécule qui a ainsi un moment magnétique non nul. Ceci a été confirmé par des simulations sur une molécule isolée. Les molécules de NIT-2Py cristallisent dans le groupe d'espace P21/c avec huit molécules par maille élémentaire pour former la structure cristalline Alpha étudiée dans ce document. Le moment effectif de la susceptibilité et l'entropie magnétique totale montre que ce matériau est un système de spins 1/2 avec un spin par molécule. Les mesures de chaleur spécifique ont mis en évidence la présence de deux phases magnétiques ordonnées à basse température qui sont séparées par un plateau en aimantation. Une première phase est observée à des champs magnétiques inférieurs à 2.2 T et a une température de transition de 1.32 K en champ nul. Les mesures de susceptibilité magnétique et d'aimantation ont permis d'établir que cette phase ordonnée est antiferromagnétique. Ceci est confirmé par les simulations numériques. La deuxième phase est induite par le champ magnétique avec une température de transition de 0.53 K à 6 T. L'information disponible sur cette phase est limitée et l'étude du système à l'extérieur des phases ordonnées en donne une meilleure compréhension. Un modèle de spins S=1/2 isolés et de dimères S=0 isolés reproduit bien les mesures d'aimantation et de chaleur spécifique au-dessus de 3 K. L'application d'un champ magnétique réduit l'écart d'énergie entre le singulet et le triplet du dimère jusqu'au croisement qui se produit à 6 T. La phase induite émerge précisément à ce croisement et on spécule l'existence d'un condensat de Bose-Einstein des états triplets. / The organic magnet built from NIT-2Py molecules has been characterized experimentally and its properties have been simulated using density functional theory. In this material, an unpaired electron carrying a magnetic moment on each molecule is responsible for the magnetism. This has been confirmed by numeric simulations on an isolated molecule. NIT-2Py molecules crystallize in space group P21/c with eight molecules per unit cell to form crystalline phase Alpha studied in this document. The effective moment obtained from magnetic susceptibility and the total magnetic entropy show that this material is a spin 1/2 system with one spin per molecule. Specific heat measurements have highlighted the presence of two magnetically ordered phases at low temperature, which are separated by a plateau in magnetization. A first phase is observed at magnetic field lower than 2.2 T and has a transition temperature of 1.32 K in zero field. Magnetic susceptibility and magnetization measurements have established that this ordered phase is antiferromagnetic. This is confirmed by numeric simulations. The second phase is induced by a magnetic field and has a transition temperature of 0.53 K at 6 T. Information concerning the field induced phase is limited and a study of the system above the transition temperatures helps to gain a better understanding. A model of isolated spins S=1/2 and isolated dimers S=0 reproduces nicely the specific heat and magnetization data above 3 K. The application of a magnetic field reduces the energy gap between the singlet and the triplet of the dimer and the crossover between these levels is observed at 6 T. The field induced phase emerges precisely at this crossover suggesting the occurrence of a Bose-Einstein condensation of triplets states.

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

The grid code, FIKS, from the Norwegian transmission system operator (TSO), Statnett, states that synchronous generators > 25MVA, must have a static excitation system. However, an improved brushless excitation system is in operation on some commercial power plants (36MVA, 93.75rpm & 52MVA, 166.67rpm) with grid-assisting performance beyond the conventional static system. The convenional diode bridge is replaced with a remote-controlled thyristor bridge on the shaft. If wireless communication is not allowed, a control signal through brushes should be employed instead. The thesis explores the expected new era for large brushless hydrogenerators. The proposed brushless system have benefits of reduced regular maintenance due to elimination of brushes and reduced unscheduled maintenance due to redundancy; causing a redused cost-of-energy. A six-phase exciter design with a hybrid-mode thyristor bridge interface leads to improved fault-tolerance, better controllability, minimized torque pulsations and reduced armature currents of the exciter. Excitation boosting (EB) capability is included in the brushless system without additional components or circuitry, contrary to the static excitation system. The brushless excitation system is made insensitive to voltage dips in the interconnected grid, causing improved fault ride-through (FRT) capability and power system stabilizer (PSS) actions.

La disponibilité de certains capteurs est indispensable pour le contrôle des machines électriques dans une application automobile. Cette thèse constitue une contribution à l'étude d'une commande tolérante aux défauts pour un entraînement électrique dans le cadre du projet SOFRACI. Pour pallier une défaillance de ces capteurs, des stratégies sont mises en place pour assurer une continuité de fonctionnement ou un arrêt sûr. Dans le cas de la machine synchrone, les capteurs les plus critiques sont: le capteur de position, les capteurs de courant et le capteur de bus de tension continue. C'est dans ce contexte que l'on a développé des algorithmes de commande tolérante aux défauts avec successivement des étapes de détection, d'isolation et de reconfiguration. Ensuite, la validation expérimentale a été effectuée sur un banc composé d’une machine synchrone et d’un onduleur avec 3 ponts H conçus pour la propulsion d’un véhicule électrique. Ainsi les méthodes développées et qui s’appuient principalement sur la théorie du contrôle, sont évaluées expérimentalement à travers des injections de défauts en temps réel, avec un accent mis sur le temps nécessaire à la détection. / During the last decade, Fault Tolerant Control (FTC) has become an increasingly interesting topic in automotive industry. The operation of electrical drives is highly dependent on feedback sensors availability. With the aim of reaching the required level of availability in transportation applications, the drive is equipped with a DC voltage sensor, three current sensors (due to safety requirements in electric vehicle standards) and a position sensor. This PhD is a contribution to the study of an electrical drive fault tolerant control. The objective is to have a system, which can adaptively reorganizes itself at a sensor failure occurrence. Consequently, strategies are defined from the early preliminary design steps, so as to facilitate fault detection, fault isolation and control reconfiguration. To this purpose, our work goes from theoretical studies toward experimental validations through the model simulation using control theory.In this thesis, FTC algorithms are developed for the rotor position, the phase currents and DC link voltage sensors. The experimentally validation is perform with an electrical drive composed of a Permanent Magnet Synchronous Machine and a 3H bridge inverter. Thus, the developed methods are evaluated experimentally through real time fault injection, with an emphasis on the detection time.

Développer des méthodes efficaces pour mettre en forme les matériaux moléculaires magnétiques demeure un enjeu majeur et représente une étape essentielle en vue de possible applications. A cet égard, l’élaboration d’hybrides magnétiques présentant des propriétés de cristaux-liquides ou des systèmes solubles apparait comme une approche prometteuse. Ce travail de thèse a été axé sur la conception, la synthèse et la caractérisation de nouveaux hybrides basé sur des molécule-aimants (SMMs), des complexes à conversion de spin (SCO) et systèmes à transfert d'électrons (ET). Le chapitre I contient des informations générales et concepts théoriques sur ces trois classes de complexes magnétiques (SMM, SCO et ET) ainsi qu’un aperçu bibliographique sur les hybrides magnétiques connus. Le chapitre II est axé sur nos travaux de fonctionnalisation de molécules-aimants basés sur le complexe Mn12, en vue d’obtenir des phases cristaux-liquides. Dans le chapitre III, l’étude d’une série de complexes à conversion de spin de type Fe(II)-pyridylbenzohydrazone au sein de phases cristallines ou de phases molles est décrite. Le chapitre IV est dédié à l’étude de complexes tetra nucléaire a pont cyanure de type {Fe2M2} (M = Co2+, Ni2+),qui sont connus pour présenter des propriétés de transfert de charge ou SMM avec l’ion Co(II) etNi(II), respectivement. Dans ces trois chapitres expérimentaux, l’influence de la fonctionnalisation des ligands sur l’auto-organisation et les propriétés thermiques et magnétiques des matériaux résultants est discutée en détail. / Developing efficient methods to process molecular magnetic materials remains a considerable challenge and constitutes one of the critical steps toward possible applications. In this scope, the development magnetic hybrids featuring liquid crystal properties or improved solubility appears as a promising approach. This thesis work aimed to design, synthetize and characterize new hybridmaterials based on the single-molecule magnets (SMMs), spin crossover (SCO) and electrontransfer (ET) complexes. Chapter I contains general information and theoretical concepts on these three classes of magnetic complexes (SMMs, SCO and ET complexes), followed by a bibliographicsurvey on hybrid magnetic materials. Chapter II, rational is focused on the functionalization ofMn12-based SMM towards liquid crystalline phases. In Chapter III, a series of pyridylbenzohydrazone-based Fe(II) SCO complexes is investigated in both crystalline and soft matter phase. Chapter IV is dedicated to the study of cyanido-bridged {Fe2M2} molecular squares(M = Co(II), Ni(II)), which are known to exhibit SMM and thermally- or photo induced ET,respectively with Co(II) and Ni(II). In these three experimental chapters, the influence of ligand functionalization on self-organization, thermal and magnetic properties of the resulting materials is discussed in detail.

Visando uma opção de substituição, onde for possível e aplicável, do motor de indução monofásico, este trabalho relata o estudo teórico, a construção, o acionamento e os ensaios de um motor bifásico com ímã permanente no rotor, de baixa potência, utilizando imãs de ferrita na confecção do rotor. / This work shows the theoretical studies, building, driving systems and tests of a small-power double-phase motor with ferrite permanent-magnet in the rotor, based on the original structure of a single-phase induction motor. The objective is to create an option to replace the single-phase induction motor where it is possible and applicable.

La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide / The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium

More electric aircraft is an electrification scheme of aircraft system with high technical feasibility and good economy. It can reduce the weight of aircraft structure, improve maintenance efficiency and reduce fire hazards. However, the electrification of aircraft system will drastically increase the proportion of electrical equipment, the total power demand and the difficulty of fault diagnosis. This paper uses the energy management method to take up the challenge, with focus on fault diagnosis of permanent-magnet synchronous machines (PMSMs), adaptive load shedding and energy efficient aircraft design. A literature review of the concept evolution from all/more-electric aircraft to energy-optimized aircraft is presented. The main issues of the aircraft electrification process are summarized, and followed by an introduction to the current research and methods. The model of the aircraft electrical system is qualitatively and mathematically recalled, including the generator, the battery, the DC motor, the AC motor, and the electric power converter. The accuracy and computation cost of the aircraft model depends on the complexity of the subsystem models that are involved. Therefore, the level of detail that is necessary for a good precision-versus-simulation-time ratio is discussed by taking the electric system of an industrial level hybrid energy quadcoptor UAV as an example. The analysis shows that the bi-directional instruments, i.e. the electric machine, should be modeled in details while other components can be simplified. PMSMs are a group of on-board electric machines with promising future prospects because of high power density and stability. The model of PMSMs is further developed in this work, especially in the inter-turn and phase-to-phase short-circuit conditions. In case of inter-turn short-circuit fault, a winding-function-based and a fault-current-based model are separately developed. The accuracy of both models are verified and compared through experimental results. The fault-current-based modeling method is applied to the phase-to-phase short-circuit fault and experimentally examined and discussed. General condition monitoring methods require the use of a large number of sensors. A fault detection and isolation method that can have low requirement of sensor is recalled and inherited. The description of the fault phase identification index using this method is relatively imprecise, which is not applicable to the inter-turn short-circuit fault. In this work, the analytical expression of the faulty phase identification index is derived based on the fault models. A method to isolate inter-turn and phase-to-phase short-circuit faults is proposed by a combination of the current- and the voltage-signature residuals. This development expands the application scope of the original fault detection and isolation tool and improves its accuracy. The validity of this fault diagnosis method has been verified by experimental results.Load management is developed to guarantee the normal operation of critical loads by shedding some other loads in case of emergency. Generally, binary decisions are made: either something has gone wrong or everything is fine. However, different types of fault influence the working performance of the load and the entire network in different ways. There are multiple states between totally wrong and pure fine, and the load management decision should be adaptive to each state. In this work, fuzzy logic method is used to degrade the load priority according to the instantaneous working state. Combining it with the fault detection and isolation process, a fault-tolerant adaptive load management is achieved. Finally, this work discusses the aircraft design from the energy management point of view, which consists of the energy efficiency analysis and the multidisciplinary energy efficient design of the integrated aircraft system. The first thermodynamic efficiency has been widely used as a common parameter for depicting the energy utilization, i.e. the ratio of output to input power of the system. However, it ignores the irreversible increase of the entropy and cannot reveal the upper limit of the available work of the system.Based on the second thermodynamic law, this work uses the exergy parameters to analyze the energy utilization of a MEA design scheme. Based on the exergy analysis, an energy-efficient aircraft design method is proposed by optimizing the exergy lost of the whole design. The method could provide a global optimization reference for the integrated aircraft design of a MEA. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La fission nucléaire consiste en la brisure d'un noyau lourd, généralement un actinide, en deux noyaux plus légers (ou trois dans quelques rares cas). Ce phénomène a été découvert par Hahn et Strassman en 1938. Très rapidement Meitner et Frisch proposèrent une explication théorique pour ce processus à l'aide du modèle de la goutte liquide. Depuis les modèles n'ont cessé d'évoluer et de se complexifier à travers l'ajout de nouveaux mécanismes et l'observation de nouveaux phénomènes. L'amélioration des modèles est un enjeu important à la fois pour la compréhension fondamentale du processus de fission mais aussi pour les applications. En effet, le dimensionnement des réacteurs futurs s'appuie de plus en plus sur des simulations numériques. Il devient dès lors primordial de réduire les incertitudes associées aux données utilisées. Cela passe alors par la validation des hypothèses sous-jacentes des modèles de fission nucléaire.Dans le cadre de cette thèse, on s'intéresse à deux aspects de la fission nucléaire qui permettront de tester la robustesse des théories. L'un des aspects concerne l'étude des fragments de fission issus de la région de la symétrie à travers la mesure des rendements et des distributions en énergie cinétique. L'autre aspect étudié est le moment angulaire des fragments de fission.Afin d'accéder au moment angulaire des fragments de fission, l'une des possibilités est d'analyser les propriétés des particules promptes, qui est l'une des ambitions du projet FIPPS (FIssion Product Prompt gamma-ray Spectrometer). Une partie de ce travail a été de caractériser les propriétés des spectromètres magnétiques gazeux à travers des mesures expérimentales et le développement d'une simulation Monte Carlo.La seconde partie de ce travail a consisté en la mesure de rapports isomériques et en l'extraction de la distribution du moment angulaire des fragments de fission à l'aide d'un code de désexcitaiton nucléaire. La mesure d'un noyau doublement magique ($^{132}$Sn) permet de mettre en lumière les limites actuelles des modèles de fission.Enfin la dernière partie de ce travail porte sur la mesure des rendements et des distributions en énergie cinétique des fragments de fission. Certains modèles prédisent l'existence de modes dans la fission nucléaire. La région des masses symétriques est dès lors un lieu de choix pour vérifier la validité de ces affirmations.Il est à noter qu'en parallèle de ces études, un accent fort a été mis sur le développement de méthodes d'analyse s'appuyant sur des outils statistiques afin notamment d'améliorer l'évaluation des incertitudes expérimentales. / Nuclear fission consists in splitting a nucleus, in general an actinide, into smaller nuclei. Despite nuclear fission was discovered in 1939 by Hahn and Strassman, fission models cannot predict the fission observables with an acceptable accuracy for nuclear fuel cycle studies for instance. Improvement of fission models is an important issue for the knowledge of the process itself and for the applications. To reduce uncertainties of the nuclear data used in a nuclear reactor simulation, a validation of the models hypothesis is mandatory.In this work, two features of the nuclear fission were investigated in order to test the resistance of the theories. One aspect is the study of the symmetric fission fragments through the measurement of their yield and kinetic energy distribution. The other aspect is the study of the fission fragment angular momentum.Two techniques are available to assess the angular momentum of a fission fragment. The first one is to look at the properties of the prompt $gamma$. The new spectrometer FIPPS (FIssion Product Prompt gamma-ray Spectrometer), is currently under development at the ILL and will combine a fission filter with a large array of $gamma$ and neutron detectors in order to respond to these issues. The first part of this work is dedicated to the study of the properties of a Gas Filled Magnet (GFM) which is the type of fission filter considered for the FIPPS project.The second part of this work deals with the measurement of isomeric yields and evaluations of the angular momentum distribution of fission fragments. The study of the spherical nucleus $^{132}$Sn shed the light on the current limits of fission models.Finally, the last part of this work is about the measurement of the yields and kinetic energy distributions of symmetric fission fragments. Since models predict the existence of fission modes, the symmetry region is a suitable choice to investigate this kind of prediction.In parallel with all these studies, an emphasis on the development of new methods derived from statistical tools is achieved in order to better control the uncertainties and estimate the biases.

This thesis investigates an alternative solution to deal with the civil structure vibration. Non-contact electromagnetic or Eddy current damping is selected as a score of vibration suppression. Electromagnetic damping relies on the interaction between a permanent magnet and conductor. An electromagnetic damper (EMD) is applied both to a laboratory footbridge structure and 6-storey model-scale aluminium moment resisting frame (AMRF). In this first study the EMD is connected in series with an electronic shunt circuit to construct an electromagnetic shunt damper (EMSD). A robust optimisation method is applied to develop the corresponding optimal design formula of the EMSD. The principle of an EMSD is to convert mechanical energy to electrical energy. Hence, the induced electromotive force (emf) is generated by electromagnetic induction. This emf induces an amount of shunt damping, which is fedback to the structure to achieve vibration suppression. It was found that when the impedance was applied, the shunt damping feature was of a similar nature to viscous dampers. In contrast, when an RLC (resistance-inductance-capacitance) circuit is connected, the shunt damping is analogous to a tuned mass damper. A second form of EMD is Eddy current damper (ECD), which relies on a geometrical arrangement of permanent magnets and conductors to produce damping forces. The vertical and horizontal orientation of the magnet, unidirectional and alternative pole projection and moving different direction of the conductor are investigated. A theoretical study involving the infinite boundary and finite boundary (the method of images current) is carried out to obtain an analytical calculation of the damping force. On the basis of this analysis, one type of ECD prototype was physically built. A performance test was carried out to determine the damping characteristics of the ECD, which agreed with the results of the numerical analysis. In addition, the ECD was applied to control the dynamics of the 6-storey AMRF. It was found that, the ECD can effectively increase system damping and have a satisfactory control effect.