La conception d'un microsystème de conversion d'énergie éolienne représente le cœur de cette étude. L'attention est dérivée vers le générateur sans balais à aimant permanent et auto-commutation, avec la configuration de rotor externe et des tensions électromotrices de forme trapézoïdale. L'objectif global de la thèse est représentée par la tentative de déterminer les paramètres optimaux de conception géométriques et électriques du générateur qui donne les plus faibles pertes totales dans le système, en fonctionnant sous un cycle du vent à long terme et ainsi en augmentant l'efficacité globale du système. En avance à l'optimisation, un modèle de simulation adapté doit être développé en termes de précision des résultats et du temps de simulation. Cela se fait dans la première partie de la thèse en déterminant le niveau de modélisation, ainsi que les variables de conception de chacun des composants du système. Comme l'optimisation fait appel à un algorithme pour le processus de conception, la réduction du temps de simulation a été étudiée dans la troisième et la quatrième partie de la thèse, en développant une méthode appropriée qui permet l'intégration et l'exploitation des données provenant du profil de vitesse du vent lors la détermination de la totalité des pertes de puissance du système. Par la suite, la méthode d'optimisation est présentée, même les résultats optimaux obtenus, ainsi que la comparaison de plusieurs paramètres d'entrée / sortie. Enfin, des essais expérimentaux sont également effectués sur un générateur de référence afin de vérifier la technique de commutation et de contrôle électronique. / The design of a micro-wind energy conversion system represents the core of this study. The attention is derived towards the brushless DC permanent magnet generator with outer rotor configuration and trapezoidal induced back-EMF voltages. The global aim of the thesis is represented by the attempt of determining the optimal geometrical and electrical design parameters of the BLDCPM generator that give the minimum total power losses in the system, over long-term wind speed cycle operation and thereby increasing the efficiency of the overall system. In advance to the optimization, an adapted simulation model needs to be developed in terms of results accuracy and simulation time. This is done in the first part of the thesis by determining the modeling level, as well as the design variables of each component of the system. As the optimization appeals to an algorithm for the design process, the reduction of the simulation time has been investigated in the third and fourth part of the thesis by developing a suitable method that allows the integration and exploitation of the available data from the wind-speed profile when determining the totality of the power losses in the system. Afterwards, the optimization methodology is presented along with the optimum results obtained, as well as comparison of several input/output parameters. Finally, experimental tests are also carried out on a reference BLDCPM machine prototype in order to verify its electronic commutation and control technique

Les sources de rayonnement synchrotron sont en constante évolution afin de fournir aux scientifiques, un faisceau de rayons-X plus intense et plus cohérent. Ces évolutions requièrent une augmentation du champ fournit par les structures multipolaires utilisés dans la maille de l'accélérateur pour focaliser le faisceau d'électrons. Ceci conduit à un intérêt grandissant pour la technologie à aimants permanent car elle permettrait d'obtenir des structures multipolaires plus performantes et plus compactes. De plus cette solution est attractive car elle ne consomme pas d'énergie électrique contrairement à la technologie résistive conventionnelle. Néanmoins la réalisation des structures à aimant permanent est plus complexe lorsqu'une bonne qualité de champ est nécessaire à cause des erreurs d'assemblage de la structure.Une structure innovante d'un quadripôle à aimant permanent à été développé pour la future machine de l'ESRF. Cette structure est composée de pièces ferromagnétiques et d'aimants permanents. Malgré sa simplicité et sa compacité, celle-ci est très performante car elle fournit une composante multipolaire intense ainsi qu'une qualité de champ conforme aux spécifications rigoureuses. Un logiciel de calcul magnétostatique à permis d'optimiser la structure et un prototype à été construit et caractérisé par notre équipe. L'impact des erreurs d'assemblage sur la qualité du champ à été corrigé grâce à des pièces ferromagnétiques permettant de modifier localement le champ du prototype. Les résultats obtenus en accord avec les prévisions du modèle démontrent la faisabilité d'une telle structure pour les futures sources de lumière synchrotron. / Storage ring light sources are in constant improvement in order to increase the intensity and the coherence of the X-rays beams. These improvements require stronger multipoles magnet in the accelerator lattice. To reach such strength, the magnets apertures are significantly reduced. The reduction of magnet apertures makes the permanent magnet technology very attractive for some magnets provided that they are limited field tuning. Indeed, introduction of PMs structures may lead to better performances for a more compact design. Furthermore, with this technology running cost can be very low.A simple PM based high gradient quadrupole prototype has been built and magnetically characterized. This magnetic structure results from a compromise between performance and technological complexity. It includes simple soft iron parts and PMs blocks. A suitable field quality was obtained with an optimized pole shape. Mechanicals errors during assembly are corrected with shims to reach the required field quality.

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.

Cette thèse aborde la conception optimale des chaînes de traction par l'exemple d'une chaîne de traction pour métro. Les données d'entrée de la conception d'une chaîne de traction sont la performance attendue et l'encombrement des équipements nécessaires. Pour aider le concepteur, l'outil informatique donne aujourd'hui la possibilité de construire une grande variété de modèles. D'autre part, les algorithmes d'optimisation permettent de trouver les configurations optimales. Ces possibilités ont été exploitées au cours de ce travail. Les modèles développés permettent d'estimer un large nombre de critères. A travers l'exemple de ces modèles, la méthode de conception suivie est détaillée dans le rapport. D'un point de vue technique, la chaîne de traction proposée est détaillée dans le dernier chapitre / This thesis deals with the optimal design of electric drivetrains. A drivetrain for metro is taken as an example. The input data for the design are the expected performance and the size of the required equipments.To assist the designer, the computing tool now gives the opportunity to build different sort of models. In addition, optimization algorithms allow finding optimal configurations. This work is an attempt to exploit these possibilities. The design models are used to value a large number of criteria. Through the example of these models, the design method followed is detailed in the document. From a technical point of view, the proposed drivetrain is detailed in the last chapter

Les directives européennes visant à produire 20% de l’énergie à base de sources renouvelables imposent aux gouvernements d’investir dans de nouveaux moyens de production. Un bilan du marché de l’énergie sera réalisé et permettra de montrer la part des énergies renouvelables dans la consommation d’énergie. Après les moyens de conversion de l’énergie hydraulique, les éoliennes sont les systèmes, utilisant une source renouvelable, les plus rencontrées. Les objectifs fixés ont conduit à s’intéresser à l’installation d’éoliennes en mer. Les contraintes spécifiques rencontrées ont poussé les acteurs du marché à développer de nouveaux systèmes et donc des alternateurs adaptés : utilisation des aimants permanents et de l’attaque directe. La modélisation des machines à aimants permanents est décrite. Une topologie classique est d’abord présentée. D’autres solutions seront ensuite étudiées dans le but d’augmenter les densités de couple. L’une d’elles est la machine à bobinage à pas fractionnaire qui permet d’éviter les enchevêtrements des têtes de bobines. D’autre part, l’utilisation de systèmes polyphasés, permettant d’augmenter la disponibilité des systèmes en autorisant des fonctionnements en modes dégradés, est un moyen intéressant afin d’être en présence de systèmes plus fiables. La démarche, qui a permis d’effectuer le choix du dimensionnement de la génératrice pour répondre au mieux à l’appel d’offre d’un client, est présentée ainsi que les résultats des essais réalisés sur les prototypes. Au final, l’éolienne qui est équipée de cet alternateur a une puissance massique qui est au moins 15% plus importante que les solutions disponibles en 2013 sur le marché. / Given the European guidelines, which consist into producing 20% of the energy from renewable sources, the governments are obliged to invest in new types of production systems. An energy market survey will show the part of renewable energy in the energy consumption. After the hydroelectric systems, the wind turbines are the most common systems using renewable sources. The current objectives have led to consider the installation of offshore wind turbine. The specific limitations led the market players to develop new systems with adapted generators: direct drive permanent magnet generator. Model of the permanent magnet machines is described. First a conventional machine topology is presented, then other solutions will be studied with the objective of increasing the torque density. One of them is the concentrated winding machines where the end winding overlapping is avoided. On the other hand, use multiphase system becomes very interesting in order to increase system reliability and work in fault tolerant modes. The strategy that was adopted for the design of the generator to fit the best the specification is also discussed as well as the results of the tests. At the end, the wind turbine equipped with this alternator, has a power density at least 15% higher than the 2013’s available solutions.

Cette thèse porte sur l'étude de machines polyentrefers et leurs limitations, dans le contexte d'avion plus électrique et du projet de déplacement des avions au sol. Ces moteurs, basés sur l'utilisation de plusieurs éléments mobiles et fixes mis en parallèle, permettent d'obtenir de hautes performances. Une étude sur les tolérances des dimensions des éléments actifs montre que les performances peuvent être dégradées si des précautions lors de la réalisation ne sont pas prises et si les entrefers utilisés ne sont pas faibles. Ce manuscrit présente un système totalement innovant permettant d'utiliser un entrefer réduit à son minimum sans que les performances ne soient dégradées par de la friction. Ce système est appelé système de compensation des efforts de plaquage. Afin de développer un moteur tournant à entraînement direct dans le cadre du taxiage des avions, deux topologies différentes de machines discoïdes sont étudiées et dimensionnées. Les résultats favorisent l'utilisation d'une des deux structures, à entrefer réduit, pour réaliser un maximum de couple dans le volume donné. Afin de prouver la faisabilité du système innovant sur un moteur discoïde, la réalisation d'un prototype laboratoire complet est proposée. Des simulations thermiques et du comportement du système innovant permettront de valider ces études. / This thesis focuses on the study of multi-air gap machines and their limitations, in the framework of more electric aircraft and the project of moving aircrafts on the ground without the main engines. These motors, based on the use of mobile and fixed parts disposed in parallel, induce high performance. A study concerning the tolerance for the dimensions of active parts shows that performance can decrease if precautions are not taken during manufacturing and if the air gaps are not small. This manuscript presents a totally innovative system that permits the use of an air gap reduced to its minimum without reducing performance by friction. This system is called system of attraction control. In order to develop a direct-drive motor for aircraft taxiing, two different topologies of disc-type machines are studied and sized. The obtained results encourage the use of one of the two structures with reduced air gap to realize maximum torque in the fixed volume. To prove the feasibility of the innovative system on a disc-type motor, the conception of an entire laboratory prototype is proposed. Thermal modelling and simulations on the innovative system behaviour will validate the presented work.

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.

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) avec pour application le véhicule électrique. Dans une première partie, nous avons abordé du contexte de l'étude et de la problématique du dimensionnement. A l'occasion, nous avons montré qu'il est nécessaire d'adopter une méthodologie de design appropriée en fonction de l'avancement de chaque projet dans le cadre du processus de conception. Nous avons alors proposé différents niveaux de modélisation afin de repérer la machine optimale face au cahier des charges pour ensuite la caractériser plus finement et l'optimiser. La seconde partie du rapport traite donc de la modélisation et de l'optimisation de la MSAP. En premier lieu, un modèle analytique permet d'évaluer les performances globales des centaines de machines très rapidement. Ce premier calcul permet de sélectionner les meilleures machines à l'application pour ensuite les optimiser. Puis, le second niveau de modélisation se base sur les réseaux de réluctances. Ce niveau plus fin permet d'une part de retrouver les performances affinées des MSAP et également de procéder à l'optimisation. Enfin, la dernière partie du rapport est consacrée à l'optimisation de la MSAP en vue d'améliorer grandement les performances et de satisfaire au mieux au cahier des charges. / The works of this thesis concern the design methodology of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) for an electric vehicle application. The first part of this report introduces the context of the study and the problem of design. Then, we have shown that it is necessary to adopt an appropriate design methodology based on the progress of each project in the design process. Thus, we proposed different levels of modeling to identify the optimal machine against the specifications, and then characterize it more finely and optimize. The second part of the report deals with the modeling and optimization of the PMSM. First, an analytical model is employed to evaluate the overall performance of hundreds of machines very quickly. The first calculation is used to select the best machine for the application and then optimize them. Then, the second level of modeling is based on reluctance networks. This model allows finer resolution of the PMSM and also permits to perform optimization. The last part of the report is devoted to the optimization of the PMSM in order to greatly improve performances and meet the specifications.

Cette Thèse présente une méthodologie pour la conception optimale multidisciplinaire des générateurs synchrones à aimants permanents appliqués à l'énergie éolienne. Telle méthodologie prend en compte les comportements électriques, géométriques, thermiques, électroniques, mécaniques et économiques de l'éolienne. La courbe d'occurrence du vent, modélisée par une fonction de densité statistique, est également prise en compte par la méthodologie de conception proposée. Considérer cette courbe dans la conception optimale permet de calculer la quantité d'énergie produite par l'éolienne, qui fonctionne sous vitesse et puissance variables par l'influence de la vitesse du vent. La proposition d'utiliser l'optimisation dans la conception est d'améliorer la compétitivité de l'énergie éolienne en concevant un générateur avec une bonne relation entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Plusieurs études portent sur la conception optimale des machines électriques liées à l'énergie éolienne, mais peu ont présenté une méthode permettant d'estimer la production d'énergie éolienne, ce qui est obligatoire pour obtenir un générateur rentable. De plus, les aspects multidisciplinaires approfondis du générateur électrique ont été considérés par la méthode proposée plus en détail que d'autres études trouvées dans la littérature. Prendre en compte tous ces aspects entraîne un grand problème d'optimisation qui compte environ 2000 variables, dont environ 250 ont des contraintes imposées. Un algorithme d'optimisation déterministe a été choisi pour traiter ce problème. Un tel algorithme est capable de trouver la solution en quelques itérations et un court laps de temps grâce au calcul de la matrice jacobienne, contenant les gradients exacts du modèle (utilisé pour décrire le comportement de l'éolienne). Les résultats présentés explorent le potentiel méthodologique proposé. La première conception optimale réalisée minimise le coût du matériau actif du générateur, ce qui présente une réduction significative des coûts par rapport à un générateur non optimal. Ensuite, la contradiction entre le coût du générateur et son efficacité est analysée et l'importance d'inclure la production d'énergie éolienne dans la conception du générateur devient évidente. En utilisant l'énergie éolienne estimée générée par l'éolienne, le générateur avec un bénéfice net maximal (égal au produit de l'énergie éolienne moins le coût du générateur) a été obtenu. Ce générateur a un bon rapport entre son coût et sa capacité de produire de l'énergie. Ensuite, des analyses de sensibilité ont été effectuées pour vérifier comment le prix de l'électricité et la vitesse moyenne annuelle du vent influencent la conception. Enfin, deux éoliennes de différents diamètres et différents vitesses nominales du vent ont été utilisées, compte tenu de trois profils de vent distincts. Ces résultats fournissent les générateurs plus adaptés à chaque éolienne appliquée à chaque profil de vent, montrant que la méthodologie de conception proposée a la capacité de faciliter le choix de l'éolienne adéquate à chaque parc éolien. / This Ph.D. dissertation presents a multidisciplinary optimum design methodology to permanent magnet synchronous generators applied to wind power. Such a methodology considers the electrical, the geometrical, the thermal, the electronic, the mechanical and the economical behaviors of the wind turbine. The wind occurrence curve, modelled by a statistical density function, is also take into account by the proposed design methodology. Considering this curve in the optimal design allows to calculate the amount of energy produced by the wind turbine, which operates under variable speed and power by the influence of the actual wind speed. The proposal of using the optimization in the design is to enhances the competitiveness of wind power by designing a generator with a good relation between its cost and its capacity to generate energy. Several studies are addressed to electrical machines optimum design related to wind power, however, few have presented a method able to estimate the wind turbine energy generation, which is mandatory to obtain a cost-effective generator. Further, the electric generator in-depth multidisciplinary aspects have been considered by the proposed method in more detail than other studies found in literature. Take into consideration all these aspects results in a large optimization problem that has approximately 2000 variables, among which approximately 250 have constraints imposed on. A deterministic optimization algorithm has been chosen to deal with this problem. Such an algorithm is capable of finding the solution within few iterations and a short time thanks to the computation of the Jacobean matrix, containing the exact gradients of the model (used to describe the wind turbine behavior) outputs. The presented results explore the proposed methodology potential. The first optimal design performed minimizes the generator active material cost, presenting a significant cost reduction compared to a non-optimal generator. Next, the contradiction between the generator cost and its efficiency is analyzed and the importance of including the wind turbine energy generation into the generator design becomes evident. Using the estimated wind turbine generated energy, the generator with maximum net earnings (equal to the wind turbine energy proceeds less the generator cost) has been obtained. This generator has a good ratio between its cost and capability to generate energy. Then, sensibility analysis have been carried out to verify how the electricity price and the annual mean wind speed influence the design. Finally, two wind turbines with different diameters and rated wind speeds have been employed, considering three distinct wind profiles. These results provide the generators more suited to each wind turbine applied to each wind profile, showing that the proposed design methodology has the ability to helps choosing the wind turbine adequate to each wind farm.