La prise en compte des pertes fer dans les machines électriques est une étape cruciale lors du processus de conception. L’objectif de ce travail a donc été de valider l’implémentation d’un modèle de pertes fer tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le choix s’est porté sur l’utilisation de modèles de calcul des pertes en post-traitement d’un code par éléments finis. Ainsi, différents modèles analytiques ont été comparés en régime sinusoïdal et non sinusoïdal (sans cycles mineurs) en termes de précision, afin de choisir le plus adapté pour une implantation dans code_Carmel. Par ailleurs, nous avons montré que la prise en compte des cycles mineurs peut être améliorée en remplaçant le terme classique de Steinmetz par un modèle d’hystérésis ou par un modèle analytique adapté. L’implémentation et la précision du modèle analytique ont été évaluées d’abord sur des systèmes simples puis sur plusieurs machines tournantes. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais à vide montre une bonne concordance et démontre la capacité du modèle à estimer les pertes fer avec une bonne précision pour une large gamme de machines électriques et pour les deux types d’alimentations utilisés (sinusoïdale et MLI). / Taking into account the iron losses in electromechanical machines is a crucial step during the design process. The aim of this study was to validate the implementation of an iron loss model at the same time performing an accurate modelling of the electrical system. Our choice was to use models in a post-processing stage of a finite element code. Thus, four analytical models were compared for, sinusoidal and non-sinusoidal supply, (without minor cycles) in terms of accuracy, in order to choose the most suitable to be implanted in code_Carmel. We have shown that the inclusion of minor loops can be improved by replacing the classical Steinmetz term by a hysteresis model or by a suitable analytical model. The implementation and the accuracy of the analytical model were evaluated first on simple systems, and after on several rotating machines. Comparing the simulated results with measurements ones showed good agreement and demonstrated the ability of the model to estimate the iron losses with good accuracy for a wide range of electrical machines and for different supply (sinusoidal and PWM).

Le travail proposé est le résultat d’une collaboration entre le Laboratoire Laplace et l’IRT SaintExupéry. Il s’inscrit dans un projet visant à améliorer l’intégration des systèmes électriques afin d’électrifier les aéronefs. Le développement de l’énergie électrique à bord des aéronefs a de nombreux avantages : gain de masse, optimisation facilitée, … Plus précisément, c’est l’utilisation des machines électriques qui est ici étudiée. Actionneur, compresseur, beaucoup de système utilisant des énergies non-électriques peuvent être remplacés par des machines électriques. Comme dans tout système de conversion d’énergie, des pertes sont présentes et ce sont les pertes magnétiques, appelées perte fer, qui sont au cœur de cette thèse. Le réseau électrique avion, ainsi que les dispositifs de commande de ces machines, induisent une large augmentation de la proportion des pertes fer par rapport aux autres pertes. Les rendements diminuent et c’est surtout leur prédiction qui pose problème : les machines électriques sont surdimensionnées par sécurité, elles deviennent moins efficaces et le gain en masse est réduit. C’est pourquoi il est indispensable d’une part de comprendre le comportement des matériaux magnétiques utilisés dans les machines électriques dans des conditions non-idéales : il s’agit de la caractérisation des matériaux magnétiques. D’autre part, il est nécessaire d’améliorer les modèles de pertes fer afin de rendre leur prédiction efficace et optimiser le dimensionnement des machines électriques. Plus leur prédiction sera précise, plus les facteurs d’influence sur les pertes seront déterminés. Il sera alors possible d’envisager une optimisation plus globale de la chaîne électromécanique. Cette thèse est une première étape vers cette intégration globale. La caractérisation des matériaux fut faite sous diverses conditions. Tout d’abord, des champs magnétiques B unidimensionnels ont été étudiés. L’influence de leur spectre sur les pertes fer était au cœur de cette caractérisation : influence de l’amplitude ou de la fréquence dans le cas de champs sinusoïdaux, puis de la fréquence et de la phase d’harmoniques dans le cas de spectre plus complexes. Les pertes fer sont très sensibles à ces paramètres, ils sont donc à prendre en compte dans le dimensionnement des machines électriques. La modélisation des pertes proposée ensuite passe par une reconstitution du cycle d’hystérésis. Il s’agit donc de prédire le champ B à partir du champ H. Basée sur le modèle Play, la modélisation quasi-statique scalaire développée a montré sa précision et sa prédictibilité. Cependant, étant scalaire et quasi-statique, ce modèle ne fonctionne pas en fréquence. Un modèle analytique de courants de Foucault ainsi que des propositions de dynamisation ont été développés. Le modèle de courants de Foucault permettrait de tenir compte des effets de fréquence et donc de compléter le modèle quasi-statique.

L'accroissement des fréquences d'alimentation des machines électriques à commutation électronique, en particulier les machines à réluctance variable à double saillance, et les formes non sinusoïdales de tension ou de courant nécessite la prise en compte des pertes magnétiques qui ne peuvent plus être négligées devant les pertes Joule.

Les pertes supplémentaires en charge dans les machines électriques représentent une contribution non-négligeable aux pertes totales. Elles constituent un point clé pour une évaluation exacte de l’efficacité énergétique des moteurs. L’objectif de ce travail a donc été d’investiguer les pertes supplémentaires, de déterminer et de quantifier leurs origines tout en effectuant une modélisation précise des machines électriques étudiées. Le modèle de calcul des pertes supplémentaires, développé dans la thèse, est basé sur l’essai normalisé de bilan de puissances. L’utilisation de ce dernier nécessite des modèles de calcul des pertes fer et des pertes par courants induits harmoniques. Le choix s’est porté sur des modèles de calcul des pertes en post-traitement d’un code par éléments finis. Ces modèles ont été testés dans un premier temps sur une machine synchrone à aimants permanents (MSAP) où l’influence des harmoniques de découpage a été étudiée. Ensuite, les pertes supplémentaires ont été calculées pour un moteur de 500 kW et deux moteurs de 6 kW à barres droites et inclinées. Plusieurs études ont été effectuées sur les origines des pertes supplémentaires, comme les flux de fuite d’extrémités, les flux de fuite zig-zag ainsi que les flux de fuite d’inclinaison, et leurs contributions ont été quantifiées. La comparaison des résultats simulés avec les mesures issues des essais effectués sur la MSAP et sur les deux maquettes montre une bonne concordance. Ces résultats démontrent la capacité des modèles proposés à estimer les pertes fer, les pertes par courants induits et les pertes supplémentaires avec une bonne précision pour différents types de machines électriques et différents points de fonctionnements. / The stray load losses (SLL) in electrical machines represent a non-negligible contribution to the total losses and are a key point for an accurate evaluation of the energy efficiency of the considered device. The aim of this work is to investigate the SLL, to determine and quantify their origins using precise models of the studied motors. The SLL model calculation, developed in this thesis, is based on the normalized Input-Output test. This later requires models for the core and harmonic eddy current losses. The choice has been made for calculating the losses in the post- processing step of a finite element code. These models were tested, first, on a permanent magnet synchronous machine (PMSM), where the influence of the carrier harmonics is studied. Then, the SLL were calculated for a 500 kW induction motor and for two 6 kW motors with skewed and non-skewed rotor bars. Several studies have been performed to study the origins of the SLL such as the end-region leakage fluxes, the zig-zag leakage fluxes and the skew leakage fluxes, and quantify their contributions. The comparison, between the simulation results and those measured on the PMSM and both 6 kW motors, shows a good agreement. This demonstrates the ability of an accurate estimation of the core, eddy currents and SLL losses using the proposed post-processing calculation method, for different types of electrical machines under different operating conditions.

La découverte des supraconducteurs à Haute Température Critique en 1986 relance l'intérêt porté à la supraconductivité. Ces matériaux sont arrivés à un stade où leur utilisation dans des dispositifs électrotechniques est envisageable. Néanmoins, il est primordial de connaître leurs pertes AC précisément pour dimensionner correctement les dispositifs. C'est pourquoi nous avons étudié dans un premier temps ces pertes AC dans un supraconducteur. Un modèle analytique applicable à une géométrie cylindrique (bobinages) a été ainsi développé et comparé à un modèle numérique. Nous avons réalisé des mesures expérimentales afin de comparer ces différents modèles. Dans le cadre du projet Européen READY, un transformateur supraconducteur monophasé HTC de 41 kVA a été entièrement dimensionné sur les plans électromagnétiques, thermiques et mécaniques. Ce transformateur, entièrement froid, pourra fonctionner dans l'azote liquide jusque vers 65 K ou l'hélium gazeux pour atteindre des températures inférieures. H sera refroidi par un tube puisé. De nombreuses expériences ont été faites pour valider nos choix et nous apporter certaines données expérimentales indispensables comme les pertes fer à froid où la résistance thermique de contact. Enfin, une étude très préliminaire sur différents transformateurs supraconducteurs d'une puissance de 30 MVA a permis de montrer l'intérêt de la technologie supraconductrice sur ces dispositifs.

L'alternateur à griffes est utilisé comme générateur d'électricité dans les véhicules. Il<br />a pour rôle d'alimenter en courant continu tous les récepteurs reliés au réseau de bord, et<br />plus particulièrement de charger la batterie. Les travaux de cette thèse ont pour but<br />d'augmenter le courant fourni par l'alternateur, d'augmenter son rendement et de réduire<br />son bruit acoustique d'origine magnétique. L'application de la méthode des pertes<br />séparées a permis d'étudier la répartition des pertes en fonction de la vitesse de rotation et<br />du courant débité. En s'appuyant sur des simulations éléments finis, les principales<br />causes des pertes Joule statoriques et des pertes fer totales sont déterminées, aussi bien<br />les pertes fer statoriques dues à la composante axiale du flux. Des solutions sont<br />proposées dans le but d'augmenter le courant fourni ainsi que le rendement et de réduire<br />le bruit acoustique d'origine magnétique, toutes ces solutions ont fait l'objet d'une<br />validation expérimentale sur prototypes. Pour finir, une méthode fondée sur des<br />optimisations mono objectif est proposée dans le but d'augmenter le débit et de réduire<br />les ondulations de couple sources du bruit acoustique d'origine magnétique.

Le sujet concerne l’étude de capteurs d’alimentation utilisés dans les disjoncteurs de Schneider Electric qui doivent fonctionner de plus en plus à fréquences variables. On s’intéresse notamment aux « pertes fer », en s’appuyant sur leur caractérisation et leur modélisation. L’étude s’appuie sur l’amélioration du modèle LS dans le but de son intégration dans le dimensionnement du capteur. Le modèle est intégré en post traitement sur Flux®, une application en temps réel a donc été développée afin d’intégrer les pertes dans la simulation du capteur et de son environnement. Une analyse expérimentale du comportement du circuit magnétique du capteur a aussi été entreprise d’une part en intégrant de nouveaux matériaux et d’autre part en tenant compte des procédés de fabrications et des conditions de fonctionnement du capteur. Aussi une étude calorimétrique a été menée afin de mesurer les pertes fer du capteur expérimentalement et de mettre en place des mesures références à comparer avec les résultats de simulations. Enfin, deux missions principales ont été entreprises et restent à finaliser : une nouvelle méthode du modèle LS statique et un dispositif expérimental, un calorimètre, a été conçu et testé mais des améliorations restent à réaliser. / The topic of this study involves power sensors used in Schneider Electrics circuit breakers that should operate increasingly at variable frequencies. We are particularly focusing on "iron losses” through their characterization and modelling. The study is based on the improvement of the LS model in order to use it in the dimensioning of the sensor. The model is integrated in Flux® as post-processing; therefore an application has been developed that includes Ls model iron losses at each time step in the simulation of the sensor and its environment. An experimental analysis of the behaviour of the sensors magnetic circuit was also conducted by integrating new materials on the one hand and by considering the manufacturing processes and operating conditions of the sensor on the other hand. Furthermore, a calorimetric study was conducted to measure the iron losses of the sensor experimentally and to state reference measurements to compare with the results of simulations. Finally, two main missions have been engaged and remain to be finalized: a new method of the static LS model and an experimental bench, a calorimeter, has been designed and tested, but still to be improved.

Le travail proposé est le résultat d’une collaboration entre le Laboratoire Laplace et l’IRT SaintExupéry. Il s’inscrit dans un projet visant à améliorer l’intégration des systèmes électriques afin d’électrifier les aéronefs. Le développement de l’énergie électrique à bord des aéronefs a de nombreux avantages : gain de masse, optimisation facilitée, … Plus précisément, c’est l’utilisation des machines électriques qui est ici étudiée. Actionneur, compresseur, beaucoup de système utilisant des énergies non-électriques peuvent être remplacés par des machines électriques. Comme dans tout système de conversion d’énergie, des pertes sont présentes et ce sont les pertes magnétiques, appelées perte fer, qui sont au cœur de cette thèse. Le réseau électrique avion, ainsi que les dispositifs de commande de ces machines, induisent une large augmentation de la proportion des pertes fer par rapport aux autres pertes. Les rendements diminuent et c’est surtout leur prédiction qui pose problème : les machines électriques sont surdimensionnées par sécurité, elles deviennent moins efficaces et le gain en masse est réduit. C’est pourquoi il est indispensable d’une part de comprendre le comportement des matériaux magnétiques utilisés dans les machines électriques dans des conditions non-idéales : il s’agit de la caractérisation des matériaux magnétiques. D’autre part, il est nécessaire d’améliorer les modèles de pertes fer afin de rendre leur prédiction efficace et optimiser le dimensionnement des machines électriques. Plus leur prédiction sera précise, plus les facteurs d’influence sur les pertes seront déterminés. Il sera alors possible d’envisager une optimisation plus globale de la chaîne électromécanique. Cette thèse est une première étape vers cette intégration globale. La caractérisation des matériaux fut faite sous diverses conditions. Tout d’abord, des champs magnétiques B unidimensionnels ont été étudiés. L’influence de leur spectre sur les pertes fer était au cœur de cette caractérisation : influence de l’amplitude ou de la fréquence dans le cas de champs sinusoïdaux, puis de la fréquence et de la phase d’harmoniques dans le cas de spectre plus complexes. Les pertes fer sont très sensibles à ces paramètres, ils sont donc à prendre en compte dans le dimensionnement des machines électriques. La modélisation des pertes proposée ensuite passe par une reconstitution du cycle d’hystérésis. Il s’agit donc de prédire le champ B à partir du champ H. Basée sur le modèle Play, la modélisation quasi-statique scalaire développée a montré sa précision et sa prédictibilité. Cependant, étant scalaire et quasi-statique, ce modèle ne fonctionne pas en fréquence. Un modèle analytique de courants de Foucault ainsi que des propositions de dynamisation ont été développés. Le modèle de courants de Foucault permettrait de tenir compte des effets de fréquence et donc de compléter le modèle quasi-statique. / The work proposed here took place in IRT Saint-Exupéry in collaboration with Laplace Laboratory. It is part of a project aiming for the integration of electrical systems improvement in order to electrify aircraft. The development of electrical energy aboard aircraft has many advantages: mass gain, optimization facilitated... More precisely, the using of electrical machines is studied here. Actuator, compressor, a lot of system using non-electric energies can be changed for electrical machines. As in any energy conversion system, losses cannot be avoided and especially iron losses, which are the main topic of this thesis. The airplane electrical networks, as well as electrical machine control devices, induce a large increase in iron loss proportion compared to other losses. Yields are diminishing but iron loss prediction is the main issue: electrical machines are oversized for safety, become less efficient and the mass gain is reduced. That is why the understanding of the behavior, or characterization, of magnetic materials used in electrical machines under non-ideal conditions is essential. On the other hand, it is necessary to improve the iron loss models in order to make their prediction efficient and to optimize the electrical machine modeling. The more precise their prediction, the more the factors influencing the losses will be determined. It will then be possible to envisage a more global optimization of the electromechanical chain. This thesis is a first step towards this global integration. The magnetic material characterization was done under various conditions. First, one-dimensional flux density B have been studied. The influence of their spectrum on iron losses was the major purpose of this characterization: amplitude or frequency influence in the case of sinusoidal fields and then harmonic frequency or harmonic phase influence for more complex spectrum. Iron losses are very sensitive to these parameters. Then, the proposed loss modelling goes through a reconstruction of the hysteresis cycle. Therefore, it consists in predicting B from the H field. Based on Play model, this scalar quasi-static modelling has shown its accuracy and predictability. However, being scalar and quasi-static prevent the model from any time-dependence. An analytical model of eddy currents and a dynamization proposal has been developed. With an eddy current model, frequency effects would be taken into account and thus would complete the quasi-static model.

Les composants magnétiques sont des constituants essentiels des convertisseurs électroniques de puissance en termes de volume et de coût, en particulier dans les alimentations à découpage. Pour cette raison, il est intéressant de développer des méthodes et des outils logiciels pour optimiser la conception de dispositif magnétiques en relation avec les paramètres de conversion. Concevoir et optimiser un composant magnétique suppose de définir parfaitement les contraintes induites par les spécifications, de choisir des conducteurs, isolants et circuits magnétiques, tant sur le plan des matériaux que des géométries, de calculer finement les pertes dans ces différentes parties et enfin, de disposer de modèles thermiques permettant de conduire le design en considérant la contrainte majeure que constituent les températures de fonctionnement des différentes parties du composant. L'objectif de cette thèse est de jeter les bases d'un outil générique d'aide à la conception optimale de composants magnétiques en s'appuyant sur des modélisations analytiques et numériques. / The magnetic components are essential constituents of the power electronic converters in terms of volume and cost, particularly in switching power supplies. Therefore, it is essential to develop methods and software tools that can optimize the magnetic device design in relation to the conversion parameters. The design and optimization of the magnetic component includes several constraints that are imposed by the specifications including the choice of electrical conductors and magnetic circuits, both in terms of materials and their geometries. It is necessary to calculate the losses in these parts and to know the thermal models that allows a better design by considering the major constraint namely, the operation temperatures of different parts of the component.The current work describes the basics of a generic tool that will help in the optimal design of a magnetic components based on both analytical and numerical modeling.

Suite à la tendance de miniaturisation des convertisseurs d'électronique de puissance, un type de composant passif hybride mariant trois composants conventionnels y compris une inductance, un condensateur et un transformateur est étudié au G2Elab depuis 2001. Ce composant baptisé LCT donne plusieurs avantages tant en terme d'intégration qu'en performance. Pourtant, le dimensionnement classique des composants passifs ne garantisse pas de résultats optimaux pour les composant LCT. En contexte d'optimiser du dimensionnement des ces composants, cette thèse propose une nouvelle approche. L'optimisation se base tout d'abord sur une modélisation électrodynamique qui est quand à-t-elle basé sur la méthode du schéma équivalent des plaques déjà développé au G2Elab, ensuite sur une modélisation thermique analytique des composant magnétique planar. L'outil d'optimisation du dimensionnement permet de minimiser le volume des composants LCT sous une contrainte principale de la thermique. Les travaux expérimentaux constituent un moyen important pour la validation des modèles développés.