Real-time digital simulation of electrical machines and drives is an efficient approach to evaluate the true behavior of newly designed machines and controllers before applying them in a real system. State-of-the-art real-time digital simulators aim to offer a precise replica for different parts of an electrical drive. By the aid of these powerful simulators and hardware-in-the-loop (HIL) simulation, design engineers are able to test their new controllers or machines against a virtual motor drive which has been previously modeled and tested off-line. Interaction between different parts of the electrical drive, especially under hazardous and abnormal conditions, can then be studied in a cost-effective manner. Although many studies about the optimized models of power electronic drives and digital controllers for real-time simulation have been done, the real-time models of electrical machines are still limited to the lumped parameter electric circuit models. This is mainly due to the complexity of a detailed electrical machine model which makes it computationally expensive. In this thesis geometrical real-time permeance network models (PNMs) of induction machines are developed which can accommodate the local phenomena inside an electric machine such as saturation and slotting. For this purpose, numerical methods inside the model are optimized to reduce the computation time. Novel nonlinear solution algorithms are also developed to address the problem of real-time simulation of nonlinear systems. Next, the proposed model is linked with other parts of an electric drive to develop a PNM-based real-time induction motor drive. A comparison of the results obtained through real-time simulation and experiment shows their agreement. / Power Engineering and Power Electronics

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Les machines à commutation de flux cinq-phases présentent une tolérance aux pannes et une robustesse qui les rendent très intéressantes dans un point de vue de la fiabilité, comme montré dans le premier chapitre.Dans ces travaux de thèse nous avons explorés la possibilité de détecter les défauts qui affectent cette machine par la signature des vibrations générées dans la machine.En utilisant les outils physiques et mathématiques présentés dans le deuxième chapitre, nous avons construit deux modèles multiphysiques, un modèle aux les éléments finis développé dans le troisième chapitre et un modèle analytique, appelé aux réseaux de perméances, dans le quatrième chapitre.Le comportement vibratoire de la machine a été étudié à l'aide de ces deux modèles, en régimesain et en défaut afin de connaitre comment ce comportement est influencé par les grandeurs électriques et magnétiques de la machine.Par ailleurs nous avons étudié la possibilité de détecter et discriminer les différents types de défauts.Le modèle analytique se présente comme un bon estimateur du comportement en défaut de la machine, malgré ses écarts avec la simulation.Dans le cinquième chapitre, les deux modèles multiphysiques ont été validés par des essais expérimentaux et nous avons pu expliquer le comportement en défaut d’un point de vue mécanique plutôt que magnétique.Enfin, dans le sixième chapitre, nous avons utilisé les deux modèles pour étudier le comportement en défaut de la machine, à des vitesses au-dessus de la limite expérimentale (3100 tr/min). / Five-phase flux switching machines have a fault tolerance and robustness that makes them very interesting from the point of view of reliability, as shown in chapter one of this work. In our studies we have explored the possibility of detecting faults that affect this type of machine using the signature of stator vibrations.Using the physical and mathematical tools presented in chapter two, we improved two multyphisics models, one based on finite elements method that it's presented in chapter three and the seconde one analitycal model, called permeance networks, in chapter four. The vibratory behavior of the machine was studied using these two models, under healthy and faulty conditions, in order to know how this behavior is influenced by the electrical and magnetic magnitudes of the machine. In addition, we have studied the possibility of detecting and discriminating different types of faults. Analytical model is a good estimator of fault behavior of the machine, despite its differences with the simulation.In chapter five, the two multiphysical models have been validated by experimental tests and we have been able to explain fault behavior by mechanical origin rather than magnetic origin.Finally, in chapter six, we used both models to study the fault behavior of the machine, at speeds above the experimental limit (3100 rpm).

Les systèmes électriques embarqués dans l'aéronautique doivent satisfaire à des cahiers des charges de plus en plus exigeants portant sur le poids, les performances et la fiabilité, d'où l'utilisation des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP). Vu les contraintes imposées, les prototypes sont parfois assez éloignés d'une MSAP classique. La surveillance en ligne de ces systèmes est alors plus délicate mais représente un enjeu considérable vu l'aspect critique des applications (ailerons d'avion, freinage...) et a pour objectif d'éviter un incident majeur en le détectant puis en basculant sur un système identique redondé. Ce document propose un travail de modélisation de MSAP saine et en présence de défaut inter-spires ayant pour objectif de définir des méthodes de détections de défauts inter-spires en ligne, sans capteurs supplémentaires. Deux approches sont présentées pour modéliser les MSAP en présence de défauts inter-spires et sont comparées à des essais expérimentaux réalisés sur un prototype aéronautique. L'une d'entre elles, reposant sur une approche par Réseaux De Perméances (RDP), permet d'obtenir le meilleur compromis. La partie suivante propose de tester deux approches utilisant un indicateur de défaut basé sur un modèle d'Onduleur-MSAP sain et montre l'intérêt de ce type d'approche comparé à des approches plus classiques. L'ensemble des indicateurs développés est ensuite analysé à l'aide d'un outil utilisant la Reconnaissance de Formes (RDF) / Embedded electric systems in aircraft applications have to satisfy to specifications including weight, performances and reliability leading to the use of Permanent Magnet Synchronous Machines (PMSM). Due to these constraints, prototypes are often different from classical PMSM. Online monitoring of these systems is challenging but is still important regarding safety applications (electro mechanical airfoil, braking?). The main aim is to detect major incidents in order to use redundant systems. This work concerns modeling of PMSM under both healthy and inter-turn fault cases in order to defined online fault detection methods without additional sensors. Two approaches are presented and compared to experimental tests concerning PMSM under inter-turn fault conditions. One of them is based on Permeance Network (PN) modelling. It can be considered to be the best compromise. The next part deals with two fault indicators methods based on healthy models of Inverter and PMSM and shows improvements brought by these approaches compared to classical methods. The whole indicators are analyzed using Pattern Recognition (PR)

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.