Ce mémoire d'HDR synthétise les travaux menés de 1983 à 1994 sur les machines à réluctance variable. Ils concernent leur conception intégrant les contraintes de l'électronique de puissance et leurs capteurs d'autopilotage. Ces travaux ont été associés à plusieurs réalisations de prototypes allant de la dizaine de watts à plusieurs dizaines de kilowatts. Le mémoire inclut également le CV de l'auteur et une chapitre historique concernant les machines électriques.

Ces travaux concernent la recherche des formes optimales de courant d'alimentation qui minimise la « puissance apparente silicium » du convertisseur statique des machines à réluctance variable. Des facteurs de dimensionnement des convertisseurs ont été définis par analogie avec le facteur de puissance des moteurs à courant alternatif alimentés en régime sinusoïdal. Une étude théorique prenant en compte les spécificités (saturation magnétique et formes d'onde de perméance non sinusoïdales) ainsi que la diversité de caractéristiques de ces machines a conduit à élaborer des modèles et à découvrir que, pour tirer le meilleur parti de l'onduleur, il fallait alimenter chaque phase par des créneaux de tension (pleine onde) et des courants unidirectionnels. Des limites théoriques des facteurs de dimensionnement des convertisseurs ont été mises en évidence. Il est apparu que, contrairement à une idée très répandue, les facteurs de dimensionnement des machines à réluctance variable pouvaient atteindre des valeurs équivalentes voire plus faibles que celles des moteurs classiques synchrones et asynchrones. Mais pour cela, il est nécessaire que la machine présente certaines caractéristiques électromagnétiques favorables. La plus importante d'entre elles, comme on pouvait le prévoir, était l'amplitude de la variation d'inductance ou encore le rapport des valeurs maximale à minimale de cette même inductance. Mais la saturation magnétique joue également un rôle favorable. Des régimes d'alimentation excités (notamment en conduction continue) ont montré également des améliorations très intéressantes. Enfin, une réalisation expérimentale sur un moteur de quelques centaines de watts, a permis de valider les modèles et les résultats. Un régime excité (polarisation en courant continu du circuit magnétique) s'est également révélé particulièrement intéressant en termes de minimisation de la puissance silicium apparente.

Ce travail de recherche est réalisé dans le cadre d'une collaboration internationale entre l'Université Technique de Cluj-Napoca en Roumanie et l'Ecole Centrale de Lille en France. Cette thèse a comme premier objectif, de réduire l’ondulation de couple d’une machine triphasée 6/8 à réluctance variable grâce aux paramètres de contrôle dans le mode de fonctionnement moteur et générateur. Par conséquent, un modèle analytique a été développé et mis en œuvre dans un environnement de calcul numérique. Un outil d'optimisation permettant de trouver les meilleurs paramètres de contrôle a été utilisé. Toutefois, le processus d’optimisation est très lent.En conséquence, une stratégie pour réduire le temps du processus d'optimisation sans abaisser la précision des résultats est proposée. Une stratégie de ‘mapping’ est utilisée entre un modèle grossier mais rapide et un modèle fin mais lent. Un travail est mené sur le choix du modèle grossier, dans le cadre d’un modèle fournissant des valeurs en fonction du temps. Deux stratégies de ‘mapping’ ont été utilisées dans cette thèse : l’‘Output Space Mapping Proportional’(OSMP) et le Manifold Mapping (MM). Ces deux stratégies sont utilisées pour déterminer les paramètres de contrôle optimaux. Le problème d’optimisation est ensuite complété en ajoutant des variables géométriques au processus d’optimisation du contrôle. Les outils développés sont ensuite utilisés dans le cadre du dimensionnement par optimisation d’un alterno-démarreur automobile. Finalement, des expériences et des essais sur un prototype de Machine à RV sont menés afin de valider les résultats du processus d'optimisation en mode moteur et générateur. / The switched reluctance machine has a simple construction making it cheaper in execution but one of the drawbacks of this machine is the torque ripple. This thesis had as first target, the usage of an optimization tool to calculate the best control parameters to correct this major drawback in motor and generator operation modes. Hence, an analytical model that takes into account the machine geometry and that is able to be simulated in both operation modes by adjusting the commutation angles was provided and implemented in a calculation environment. The second target of this work is to investigate a method to reduce the optimization time without lowering the accuracy of the results. The strategy used in the optimization process is known in literature as the space mapping technique, more precisely for this thesis output space mapping proportional and manifold mapping were studied. After testing them on a mathematical model it was possible to continue the investigation on defining the optimal control parameters of a three-phases 6/8 SR machine prototype, being able that further to use this strategy in a much complicated process, i.e. defining the right geometry and control of a SR machine to be used in automotive integrated starter alternator systems. The final target of the thesis was to conduct experiments and tests on the existing prototype in order to partially validate the results of the optimization process.

Le travail présenté dans ce mémoire traite de la problématique du dimensionnement de structures innovantes de génératrices, à savoir les machines à flux axial ou encore discoïdes, destinées aux éoliennes de grande puissance allant jusqu'à deux dizaines de mégawatts. Les machines synchrones à aimants permanents à flux axial étant intrinsèquement tridimensionnelles, l'optimisation de leur dimensionnement nécessite un modèle dimensionnant tridimensionnel et multiphysique qui peut être, de par sa nature 3D, très consommateur en mémoire et en temps de calcul. On se propose donc, dans ce mémoire, de développer une approche de modélisation par constantes localisées offrant un très bon rapport entre vitesse de calcul et précision afin d'accélérer de façon significative les premières phases de la procédure de dimensionnement. L'approche par constantes localisées peut par ailleurs s'appliquer de manière similaire aux principales physiques concernées (magnétique, thermique et mécanique). Plus particulièrement pour la partie magnétique, l'approche par constantes localisées est mise en œuvre par le biais de réseaux réluctants magnétiques génériques. Le principe de la méthode développée repose sur le découpage de la géométrie de la machine en volumes élémentaires finis parallélépipédiques à l'instar de qui est fait avec la méthode des éléments finis. En effet, chaque volume élémentaire étant modélisé par un réseau réluctant local, le découpage de la géométrie conduit à la génération automatique du système algébrique magnétique de la structure et dont la solution fournit la distribution locale du potentiel scalaire magnétique aux nœuds des volumes élémentaires. Cette approche de modélisation a été implémentée dans un code de calcul interne au GREAH. La modélisation de la génératrice à flux axial par réseaux réluctants a été validée par des simulations 2D et 3D par éléments finis. Le code de calcul développé intègrera les travaux en cours sur les modèles thermique et mécanique au GREAH afin d'aboutir à un code de calcul multi-physique par constantes localisées / The aim of this PhD thesis is to propose a design approach of the axial flux permanent magnet synchronous generator for multi megawatts wind converter application. The axial flux permanent magnet synchronous machine being intrinsically three dimensional, a 3D multiphysics sizing model is needed in order to conduct an efficient optimal design of this type of machines. Unfortunately, 3D multiphysic models are generally issued from finite element method. So, they are very heavy to be handled in a reduced time from an engineer point of view and especially at the first stages of the design procedure. In order to address the faster axial flux machine design, this PhD thesis develops a lumped parameters approach modelling offering a good computation time to precision ratio and thus helping to reduce considerably the spent time in the first stages design procedure. The lumped parameters modelling approach is also well suited for the modelling of the three main physics to be considered in an electrical generator (magnetic model, thermal model and mechanical model). For the magnetic model, the lumped parameters approach consists, in this thesis, in the development of a generic magnetic reluctance network linked to the machine geometry. In fact, the latter is divided into parallelepipedic elementary volumes, each of them is modelled by a local reluctance network. The reluctance network of the hole machine geometry results then automatically in an algebraic magnetic system, the solution of which provides the distribution of the scalar magnetic potential at the elementary volume nodes. The described lumped parameters modelling was implemented in a computational code developed at the GREAH Lab. The effectiveness of the reluctance network axial flux machine modelling was validated by 2D and 3D finite element simulations. The lumped parameters computational code will regroup the ongoing developments of thermal and mechanical models at the GREAH Lab in order to reach the completion of a mutliphysics lumped parameters computational code.

Le moteur à réluctance variable (MRV) est en train de gagner beaucoup d'intérêt dans les applications de traction électrique grâce à la compatibilité significative entre ses caractéristiques naturelles et les exigences de l'industrie automobile. Cependant, à cause de la caractéristique fortement non linéaire des grandeurs électromagnétiques du MRV, l'usure du moteur, les variations paramétriques dues aux tolérances de fabrication, et la dérive des paramètres durant le fonctionnement, les stratégies de commande classique ne permettent pas d'assurer des hautes performances de suivi de trajectoire et de robustesse en stabilité dans l'environnement de fonctionnement d'un véhicule électrique. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de commande robustes du MRV en prenant en considération les contraintes imposées par les applications de traction. Afin d'atteindre cet objectif, une structure de commande en cascade, composée d'une boucle externe de vitesse et d'une boucle interne de courant, est envisagée. Les objectifs de synthèse sont ensuite fixés à travers un cahier des charges formulé en termes de gabarits fréquentiels, et les correcteurs robustes et adaptatifs de vitesse et de courant sont ainsi synthétisés en se basant sur les approches de commande H-infini et LPV/H- infini. La faisabilité des correcteurs constitue également un critère important dans les applications de traction électrique où la puissance de calcul embarqué dans le véhicule est très limitée. Ce critère est pris en considération dans cette thèse à travers l'utilisation des approches de synthèse des correcteurs H- infini d'ordre fixe. Les performances de ces correcteurs sont analysées et comparées avec les performances des correcteurs H- infini classiques à travers une étude par la μ-analyse de la robustesse en stabilité et une évaluation expérimentale. Le deuxième objectif de ces travaux de thèse est d'évaluer l'intérêt de la commande sans capteurs mécanique du MRV en se basant sur des méthodes d'estimation. Des observateurs robustes basés sur les modes glissants et le filtrage de Kalman sont ainsi synthétisés. Les performances et la robustesse de ces observateurs sont ensuite comparées expérimentalement dans une perspective d'une application de traction électrique. / The switched reluctance motor (SRM) is gaining much interest in electric vehicle applications. It includes robustness to harsh operational conditions, rugged structure, fault tolerant operation and a wide range of speed. However, due to the highly nonlinear electromagnetic characteristic, wear and tear of motor, manufacturing tolerances and parameters drift during operation, classical control strategies do not ensure high dynamical performance and robustness under various operating conditions in electric vehicle environment. In this context, the first purpose of this thesis is to propose robust control strategies of the SRM taking into account the constraints imposed by electric vehicle applications. To achieve this objective, a cascade control scheme is adopted; it consists of an outer speed loop and an inner current loop. Controllers design aims are fixed through specifications formulated in frequency domain, robust and adaptive controllers of speed and currents are thus synthesized based on H- infini and LPV/H- infini control approaches. Feasibility of these controllers is also an important criterion in electric vehicles applications where embedded computing power is very limited. This criterion is taken into account in this thesis by using fixed order controller synthesis approaches. The performances of these controllers are analyzed and compared with the performances of standard H- infini controllers through an experimental evaluation and a robustness analysis is performed using the concept of the Singular Structured Value, i.e. the μ-analysis. The second objective of this thesis is to assess the interest of the sensorless control of SRM. Robust observers based on second order sliding mode (SMO2) and Kalman filtering techniques (EKF) are designed to estimate the mechanical states of SRM. Performances and robustness of these observers are then compared experimentally in perspective of electric vehicle application.

La commande intermittente a pour but principal d'augmenter le rendement de l'ensemble machine-convertisseur par une réduction des pertes. Dans le but de maintenir le couple moyen de la machine requis par la charge, cette commande augmente le couple de référence et éteint quelques phases pendant chaque période électrique ou chaque période mécanique. Par ce fait, elle réduit les pertes du convertisseur et les pertes ferromagnétiques de la machine. Elle dispose également d'une liberté de sélection des phases activées qui influence des fréquences générées du courant, de la force radiale et du couple. Par conséquent, cette stratégie de la commande intermittente, qui est appelée le glissement, peut éviter l'excitation de fréquences naturelles du stator, ou bien celles de la chaine cinématique. Elle a pour but de réduire les effets négatifs de la commande intermittente vis-à-vis de comportements vibratoire du stator et pulsatoire de la chaine cinématique qui sont respectivement à l'origine du bruit acoustique et des à-coups mécaniques. En fin, la commande intermittente est validée sur des cycles de conduite et peut économiser jusqu’à 5,17 % de l’énergie électrique consommée. / The intermittent control aims to increase the efficiency of the machine-converter system by reducing the losses. In the purpose to maintain the average torque of the machine required by the load, this control increases the reference torque and turns off some phases during each electrical period or each mechanical period. By this fact, it reduces the converter losses and the ferromagnetic losses of the machine. It also has a freedom in the selection of the activated phases which influences the generated frequencies of the current, the radial force and the torque. Therefore, this strategy of the intermittent control, which is called sliding strategy, can avoid the excitation of the natural frequencies of the stator, or those of the drivetrain. It aims to reduce the negative effects of the intermittent control vis-à-vis the vibration of the stator and the pulsation of the drivetrain which are respectively at the origins of acoustic noise and mechanical jerks. Finally, the intermittent control is validated on driving cycles and can save up to 5.17 % of the consumed electrical energy.

De nos jours, les véhicules électriques et hybrides ont suscité un très grand intérêt en raison de préoccupations environnementales et énergétiques. Dans ces véhicules, les machines électriques utilisées sont des machines conventionnelles asynchrones et synchrones à aimants permanents. La machine à réluctance variable est une technologie candidate potentielle pour les chaînes de traction électriques et hybrides. Cette machine conçue sans aimants et redondante peut réunir la robustesse et le faible coût de la machine asynchrone aux bonnes performances de la machine synchrone à aimants permanents. Dans ce contexte, le premier objectif de cette thèse est de proposer des stratégies de commandes robustes de la machine à réluctance variable par la prise en compte des contraintes des chaînes de traction électriques en vue de réaliser une étude comparative des performances. Dans cette étude, les commandes proposées sont les commandes classiques de type PI, les commandes par mode glissant et les commandes par mode glissant d'ordre supérieur. Le deuxième objectif consiste à développer des observateurs d'état pour la commande sans capteur de position mécanique de la machine à réluctance variable. Des observateurs robustes basés sur la théorie du filtre de Kalman étendu et les modes glissants sont synthétisés pour atteindre cet objectif. Enfin, le troisième objectif est de faire une analyse des défauts électriques de type circuit ouvert de l'étage électronique de puissance par l'approche signal afin de développer une méthodologie de détection et de localisation automatique de ces défauts. / Nowadays, electric and hybrid vehicles are gaining increased attention due to environmental and energy concerns. In these vehicles, the electrical machines used are the conventional machines, namely induction and permanent magnet synchronous machines. The switched reluctance machine is a potential candidate technology for electric and hybrid drivetrains. This machine designed without magnets and redundant windings, can combine the robustness and low cost of induction machines to the good performance of permanent magnet synchronous machines. In this context, the first objective of this thesis is to propose robust control strategies of the switched reluctance machine, taking into account the constraints of electric vehicles in order to make a comparative performance study. In this study, PI control, sliding mode control and higher order sliding mode control are proposed. The second objective is to develop state observers for sensorless control. Robust observers based on extended Kalman filter theory and sliding modes are synthesized to achieve this goal. Finally, the third objective is to make an analysis of electrical open-circuit faults of the electronic power stage using the signal approach in order to develop a methodology of automatic fault isolation.

Aujourd'hui, l'électrification des véhicules constitue une des solutions mises en œuvre par les constructeurs automobiles dans la lutte contre les émissions de gaz polluants et pour la réduction des consommations. Comme le prix des aimants terres rares a fortement augmenté ces dernières années, les moteurs électriques sans aimants permanents sont attractifs, comme les moteurs asynchrones, synchrones à rotor bobiné, à réluctance variable (double saillance ou synchrone). Dans cette thèse, les machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont étudiées et comparées pour des véhicules électriques. Ces deux machines ont un coût faible et possèdent des structures de puissance et de contrôles similaires.Des modèles analytiques non linéaires de machines asynchrones et synchrones à réluctance variable sont établis et validés. En outre, leurs modèles économiques et mécaniques sont également mis en œuvre. Sur la base des modèles analytiques établis, la géométrie et les paramètres de commande des machines étudiées sont dimensionnés afin de réduire les pertes énergétiques durant des cycles de conduite. Une optimisation bi-objective est proposée afin de minimiser en même temps les pertes énergétiques et le coût du moteur. Enfin, les machines optimisées sont comparées, à l’aide de Fronts de Pareto, pour évaluer leurs performances électriques, énergétiques et économiques. / Today, the concerns of the energy crisis and the reduction of gas emissions stimulate the research in several electric vehicle domains. As the cost of rare earth magnetic materials has increased significantly in recent years, electrical motors without permanent magnets draw more attention, such as induction motors, wound-synchronous motors, switched reluctance motors, and synchronous reluctant motors. In this thesis, induction and synchronous reluctant machines are chosen to be studied for the electric vehicle traction application since they are low costly and fed up with similar power electronics and control strategies.Nonlinear analytical models of induction and synchronous reluctant machines are established and validated. Besides, economical and mechanical models are developed as well. Based on established analytical models, the geometry and the control parameters of these studied machines are calculated to define the total energy losses during the driving cycle. A bi-objective optimization is carried out to minimize total energy losses and motor costs. At last, the optimized machines are compared from their electric, energetic and economic performances, with the help of the Pareto Fronts obtained.

L'objectif principal de nos travaux consiste à développer des méthodes d’optimisation des performances de la MSRV sur le plan de la conception et de la commande. La première partie est consacrée à la commande de la MSRV avec prise en compte de la saturation, de l'effet croisé et des pertes-fer. Deux stratégies de commande permettant d’améliorer les performances de la machine en régime permanent sont présentées: commande à rendement optimal et commande à couple maximum par ampère. La deuxième partie de ce travail porte sur la commande de la MSRV en vue de réduire les ondulations de couple. L’optimisation des courants statoriques a été obtenue selon deux critères : un couple électromagnétique constant et des pertes par effet Joule minimales. Une formule originale a été présentée dans le cas où le courant homopolaire est pris en compte. Des schémas de commande neuronale en couple et en vitesse sont ensuite proposés. L’apprentissage, réalisé en ligne, fait que cette proposition est tout à fait adaptée aux applications en temps réel. La troisième partie traite de la conception au moyen de la méthode de calcul numérique par élément finis. Grâce au logiciel JMAG, les barrières du flux au rotor de la MSRV ont été optimisées permettant d’augmenter le couple moyen, le facteur de puissance et le rendement de la machine. Enfin, toutes les approches neuromimétiques ont été validées par de tests expérimentaux. De plus, des comparaisons avec les méthodes de commande classique démontrent la validité des méthodes proposées. / The main objective of our work is to develop the methods for performance optimization of the SynRM in terms of the design and control. The first part is devoted to control of the SynRM taking into account the saturation, cross coupling and iron losses. Two strategies control to improve the performances of the machine in steady-state are presented: optimal efficiency control and maximum torque per ampere control. The second part of this work focuses on the control of the non-sinusoidal SynRM to reduce torque ripple. Optimal stator currents were obtained with the objectives: a constant electromagnetic torque and minimum ohmic losses. An original formula was presented in the case where the homopolar current is considered. The torque and speed control based on artificial neural networks are then proposed to obtain optimal currents online in real time. The third part deals with the design optimization of SynRM by finite element method. With JMAG software, the barriers of the rotor SynRM were optimized to maximize the average torque, power factor and efficiency of the machine. Finally, all the approaches based on neural networks have been validated by experimental tests. Moreover, the comparisons with conventional methods demonstrate the validity of the proposed methods.

Ce travail présente une méthodologie de conception optimisée développée pour les actionneurs pas à pas linéaires tubulaires à réluctance variable, ainsi qu'une stratégie de commande assurant un positionnement précis en pas entier et en micro-pas. La démarche de conception optimisée permet de dimensionner des structures répondant à des cahiers de charges diversifiés et de trouver des solutions optimales et robustes pour des problèmes de positionnement linéaire. La robustesse de ces structures est étudiée par rapport aux incertitudes de modélisation et aux dispersions de fabrication. Ces études sont conduites en s'appuyant sur la méthode des plans d'expériences. La stratégie de commande développée assure un couplage entre les équations mécaniques et magnétiques grâce à l'utilisation de surfaces de réponses donnant la force électromagnétique développée par l'actionneur en fonction de la position du mobile et des courants d'alimentation des phases. La force est calculée à partir d'un modèle éléments finis axisymétrique. Une comparaison est faite sur un prototype construit dans ce but.